專利名稱：一種高彈性、高強(qiáng)度鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于嚴(yán)格條件下使用的工業(yè)用部件的特殊鋼材料及其制造方法，所述材料用于工業(yè)用切斷刀、各種粉碎機(jī)的耐磨損性部件、巖石破碎刀片部件，具體地說，本發(fā)明涉及用于工業(yè)用切斷刀(小刀(knife)、切斷機(jī)(cutter)、刀片(blade)等)、各種(巖石、礦石、木材、谷物、水泥等)粉碎機(jī)的耐磨損性部件(切斷機(jī)、劃線機(jī)(liner)、薄板(plate)等)、或巖石破碎刀片部件-活塞(piston)、鑿子(chisel)、鉆頭(drill bit)等用于切斷鐵廢材(scrap)、不銹鋼板材、銅及鋁合金板材等金屬及非金屬的且性能優(yōu)良、制造成本較低的高韌性、高強(qiáng)度及高耐磨損性的經(jīng)濟(jì)性材料及其制造方法，更詳細(xì)地說涉及高彈性、高強(qiáng)度特殊用途鋼及其制造方法，該方法包括通過適當(dāng)混合中低含量的C、高含量的Si、以及低含量的其他合金元素，形成合金組合物，并適當(dāng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理(900℃以上的淬火和500℃以下的回火，及控制冷卻)，確保鋼的耐沖擊性及耐磨損性。
背景技術(shù)：
廢鐵切斷刀片和不銹鋼板材切斷刀片是需要高強(qiáng)度和高韌性的典型工業(yè)用部件，目前主要根據(jù)其用途選擇性使用熱加工鋼SKD61(硬度HRC45以上，沖擊吸收能量40焦以上)、冷加工鋼SKD11(硬度HRC56以上，沖擊吸收能量10焦以上)及其改良鋼等。歐洲專利EP 3218051A119830203DE公開了高強(qiáng)度切斷刀的高碳高鎳Cr-Mo-V，日本專利JP 08027540公開了為保證高硬度和強(qiáng)度而添加0.4-0.47重量％的C、0.01-0.03重量％的Ti、0.015-0.040重量％的Al、5-30ppm的B等的重碳含硼鋼。但是，上述鋼由于是高合金鋼，根據(jù)用途的制造成本高，且與制造成本相比壽命短。另外，由于碳含量高且合金量高，所以具有自硬性，容易出現(xiàn)裂縫(crack)，不能以吹氧來切斷所需形狀模型，難以制作形狀復(fù)雜的部件，且費用高。
為克服上述問題，目前主要將中或低碳鋼(例如低碳耐磨損鋼為Weldox、中高碳耐磨損鋼為Hardox)用于粉碎巖石、礦石、木材、谷物、水泥等的粉碎機(jī)的耐磨損性部件(切斷機(jī)、劃線機(jī)、薄板等)等上。在韓國專利第2003-0054423號公開了低碳低硅非調(diào)質(zhì)鋼，在韓國專利申請第2003-0002183號公開了中低碳低硅Ni-Cr-Mo調(diào)質(zhì)處理鋼，在日本專利JP 60033339公開了中高碳耐磨損合金鋼，在日本專利JP 11131193公開了中高碳低硅高鉻耐磨損合金鋼，在日本專利JP 05214485及JP 58153759公開了中高碳低硅高Cr-Mo-Zr-W耐磨損硼鋼及合金鋼。但是，上述鋼的制造費用非常高。
另外，韓國及國外作為巖石破碎機(jī)部件的活塞主要使用SNCM26V(SNCM616V)，其價格高，而且需要將低碳Ni-Cr-Mo鋼長時間進(jìn)行浸碳處理(4天以上)和低溫處理，確保外部的高硬度和內(nèi)部的高韌性，鑿子和鉆頭通過將SCM440或中高碳Ni-Cr-Mo鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理來確保高硬度，使其具有耐沖擊性和耐磨損性，但是其壽命與價格相比無法滿足要求，而且這些改良鋼從性能或制造成本上看目前難以廣泛使用。
另外，現(xiàn)有的耐磨損鋼中，由于高M(jìn)n而產(chǎn)生自身變化。當(dāng)Mn含量超過1.7重量％時，產(chǎn)生低溫變化生成物，雖然大幅度提高強(qiáng)度，但是急劇降低延伸率，而且低合金鋼中Si/Mn比例小時，連續(xù)冷卻變化(CCT)中珠光體/鐵素體(pearlite/ferrite)變化的開始及結(jié)束點降低，容易進(jìn)行馬氏體/貝氏體(Martensite/Bainite)變化，熱加工后自硬性增強(qiáng)，容易產(chǎn)生裂縫，同時為機(jī)械加工必須進(jìn)行退火(Annealing)的熱處理工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決以往鋼用于工業(yè)用切斷刀(切斷機(jī)、刀片)、各種工業(yè)機(jī)械(各種粉碎機(jī)、剪切機(jī)、噴射機(jī)(shot)等)的耐沖擊用部件和耐磨損性部件以及巖石破碎刀片部件等非常嚴(yán)格條件下使用的工業(yè)部件上時出現(xiàn)上述問題而提出。本發(fā)明目的是通過中低碳/高硅/低合金的最適當(dāng)組合和調(diào)質(zhì)熱處理方法來提供具有硬度HRC52且屈服強(qiáng)度1350牛/平方米以上、拉伸強(qiáng)度1750牛/平方毫米以上、延伸率15％以上、截面減少率35％以上、沖擊吸收能量65焦以上具有良好強(qiáng)度及沖擊韌性、良好硬化性、耐磨損性、特別是具有吹氧切斷模型可行性、良好焊接性的耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼及其制造方法。
另外，本發(fā)明的目的是提供耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼及其制造方法。為了防止對機(jī)械特性起壞影響的Al2O3、MnS非金屬介入物的單獨生成，以及為了得到最適當(dāng)?shù)哪探M織，本發(fā)明者經(jīng)過長期研究發(fā)現(xiàn)，利用熔鋼內(nèi)的稀土類元素(以下稱REM)以及Al和硫的濃度及溶解度相關(guān)關(guān)系式、鈣和硫的濃度相關(guān)關(guān)系式，在熔鋼內(nèi)生成直徑5微米以下的RExOy或(RE、Al)xOy+RExOyS+RExSy復(fù)合化合物，凝固熔鋼，形成樹脂狀態(tài)，提供不均勻生成核環(huán)境，使凝固組織微細(xì)化和致密化，同時強(qiáng)力控制C、Cr、Mo、W、Ni、Mn、Si等熔解元素的偏析和微細(xì)分散，得到機(jī)械特性、物理特性及耐腐蝕性較高的耐沖擊/耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼具有如下幾種組成組成10.26-0.48重量％的C、1.4-2.5重量％的Si、0.5-1.0重量％的Mn、1.4-2.4重量％的Cr、0.01-0.1重量％的Ni、0.01-0.5重量％的Mo、0.005-0.04重量％的Al、0.05-0.1重量％的V、0.0025-0.02重量％的N、剩余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
組成2為了控制凝固組織，組成2的耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼含有符合下述關(guān)系式1的0.001-0.5重量％的REM(Y、Ce、La、Nd、Pr)和0.0005-0.01重量％的Ca。
關(guān)系式1濃度式[REM重量％(Y、Ce、La、Nd、Pr)+Al重量％]/[S重量％]＝2-90以及[Ca重量％]/[S重量％]＝1。
溶解度式[REM(Y、Ce、La、Nd、Pr)+Al]/[O+S]＝0.001×10-5-30000×10-5[重量％]。
組成3為了更加提高基質(zhì)強(qiáng)度、硬化能、以及熱特性，組成3的高強(qiáng)度鋼是在上述組成1的N、Mn、Cr、Ni、Mo各成分范圍的上限值，還含有最大量分別為0.28重量％的N、0.5重量％的Mn、1.0重量％的Cr、0.95重量％的Ni、0.6重量％的Mo，而且優(yōu)選還含有0.0001-0.005重量％的B、0.001-0.1重量％的Ti、0.01-0.5重量％的W+Co、0.05-0.1重量％的Nb等。
組成4在組成1和組成2以及組成3中，上述高強(qiáng)度鋼滿足下述關(guān)系式2關(guān)系式2[Si重量％]/[Mn重量％]＝2.6-3.2以及[Al重量％]/[N重量％]＝2∶1。
這是調(diào)質(zhì)熱處理鋼在高溫下控制結(jié)晶粒生長而生成微粒AlN的最適當(dāng)?shù)臈l件范圍，即[Al重量％]/[N重量％]＝2∶1，而且為了在冷熱條件使用中更加提高基質(zhì)強(qiáng)度而最多添加0.30重量％的氮。Si/Mn比例越大，珠光體/鐵素體變化越容易，且產(chǎn)生層狀間隔，使馬氏體/貝氏體變化很難，熱加工后在中間產(chǎn)品狀態(tài)下得到低硬度，可省略為機(jī)械加工性的退火熱處理工藝，降低制造成本，而且吹氧切斷以及焊接后也不會發(fā)生微細(xì)裂縫，最大限度發(fā)揮其效果，為此將[Si重量％]/[Mn重量％]＝2.6-3.2。
另外，針對調(diào)質(zhì)熱處理鋼由于上述馬氏體/貝氏體變化困難而難以確保淬火后硬度的問題，本發(fā)明通過補(bǔ)充少量Cr以及生成高Si、AlN、直徑5微米以下的RExOy或(RE、Al)xOy+RExOyS+RExSy復(fù)合化合物，利用高溫下控制結(jié)晶粒生長系統(tǒng)中的析出物，在900℃以上高溫下長時間均勻加熱，完全固熔化，并通過冷卻系統(tǒng)的急劇水冷卻以及水冷卻+鹽浴的急劇冷卻，得到表面硬度為HRC56以上的高硬度及穩(wěn)定的變化組織。


圖1是表示本發(fā)明高強(qiáng)度鋼在淬火溫度及回火溫度下的微細(xì)組織變化的照片；圖2是本發(fā)明的發(fā)明鋼B、F、G、P和現(xiàn)有技術(shù)的以往鋼R、X通過調(diào)質(zhì)熱處理后的硬度變化情況的比較圖；圖3是本發(fā)明的發(fā)明鋼B、P和現(xiàn)有技術(shù)的以往鋼R、X的耐磨損性的比較圖；圖4是本發(fā)明的發(fā)明鋼D、Q和現(xiàn)有技術(shù)的以往鋼R、V、X的硬化能的比較圖；圖5中，5a是本發(fā)明高強(qiáng)度鋼的廢鐵切斷刀片的照片，5b是現(xiàn)有技術(shù)的以往鋼X的廢鐵切斷刀片的照片；圖6是本發(fā)明的高強(qiáng)度鋼的不銹鋼板材切斷刀的照片；圖7a是本發(fā)明代表發(fā)明鋼K煅燒時縱截面的Fe-C相圖(Vertical SectionThermo-Calc.Phase Diagram)；圖7b是上述發(fā)明鋼K的連續(xù)冷卻變化曲線。
具體實施例方式
下面對發(fā)明鋼的化學(xué)成分添加理由和以重量％表示的成分范圍的上下限定理由進(jìn)行說明。
碳(C)0.26-0.48重量％C是穩(wěn)定奧氏體相的代表元素，是在基質(zhì)中所含的用于提高強(qiáng)度和淬火硬度、確保耐磨損性的重要元素。為了確保本發(fā)明的鋼淬火后硬度在HRC56以上，碳的加入量必須不小于0.26重量％，但是如果過量添加，凝固時會與作為一次工藝碳化物形成元素的V、Nb、W結(jié)合，對機(jī)械特性產(chǎn)生不利影響，所以限定在0.48重量％以下。
硅(Si)1.4-2.5重量％Si是本發(fā)明目的的耐沖擊/耐磨損性的高彈性、高強(qiáng)度鋼的制造中最重要的元素，是強(qiáng)化鐵素體組織的元素，在熔解精煉時作為有效的脫酸劑使用，同時還能控制結(jié)晶粒生長，提高耐酸性，增強(qiáng)300℃以下低溫回火阻抗性，在制造鑄造物時增強(qiáng)熔鋼流動性，減少表面缺陷。添加量小于1.4重量％時，得不到本發(fā)明要求的Si的效果，添加過量時對塑性加工性產(chǎn)生不利影響，所以限定在2.5重量％以下。
錳(Mn)0.5-1.5重量％Mn是提高硬化能的元素，作為脫酸劑使用，在熱處理時提高組織的均質(zhì)性和強(qiáng)度，但是回火阻抗性差，與S結(jié)合提高切削性，防止熱脆性。添加量小于0.5重量％時，會降低N固溶性且得不到上述效果，如果過量添加，容易均熱，因此在上述發(fā)明鋼重要特征的Si/Mn的比例范圍，其上限限定在1.5重量％以下。
Cr1.4-3.4重量％Cr提高淬火性和回火阻抗性，提高強(qiáng)度和浸碳性，并且形成微細(xì)碳化物，抑制結(jié)晶粒生長，提高韌性，以及提高耐磨損性。添加量小于1.4重量％時，不能對由于本發(fā)明特征的Si/Mn比例限定而產(chǎn)生的淬火硬度降低進(jìn)行補(bǔ)充，且得不到上述效果，而添加3.4重量％以上時，反而大量形成Cr碳化物，降低韌性。
Ni0.01-1.0重量％Ni是提高沖擊韌性的非常重要的元素，能提高硬化能，使大型材料的熱處理變得容易，防止低溫脆性，改善耐腐蝕性。添加少量時，能大幅度提高韌性，而添加大量時，不僅成本高，而且形成殘留奧氏體，引起脆化。因此，將添加范圍限定在0.01-1.0重量％。
Mo0.01-1.1重量％Mo與Cr形成穩(wěn)定的復(fù)合碳化物，提高回火阻抗性，提高硬化能。Mo是上述發(fā)明鋼在熱塑性加工后，淬火時控制組織變化的重要元素。添加量小于0.01重量％時，得不到上述效果，添加1.1重量％以上時，不僅不經(jīng)濟(jì)，而且生成難以固熔的一次和二次復(fù)合碳化物，對性能產(chǎn)生反效果，所以將添加范圍限定在0.01-1.1重量％。
Al0.005-0.04重量％Al是強(qiáng)脫酸劑，是對在熔鋼內(nèi)與REM反應(yīng)使凝固組織微細(xì)化的生成核環(huán)境非常重要的元素?？紤]到形成生成核環(huán)境后，剩余的Al和N結(jié)合，進(jìn)行A1N的生成反應(yīng)，而將添加范圍限定在0.005-0.04重量％。
V0.05-0.1重量％，Nb0.05-0.1重量％V和Nb與C的結(jié)合力強(qiáng)，能形成微細(xì)碳化物，使結(jié)晶粒微細(xì)化，提高韌性。如果過量添加，凝固時大量形成作為一次工藝碳化物的VC、NbC、V2C，降低韌性，所以對V和Nb的添加量分別限定在0.05-0.1重量％。
N0.0025-0.3重量％N是本發(fā)明鋼的重要元素，形成Nb(CN)、ALN、TiN等，高溫加熱淬火時使結(jié)晶粒微細(xì)化，凝固時抑制MC型一次工藝碳化物的生成。在低碳/低合金鋼中一般導(dǎo)致韌性降低，引起低溫脆性，所以通過在本發(fā)明的深入研究中得到的下述關(guān)系式3，基本上將添加范圍限定在0.0025-0.02重量％，但是考慮到將本發(fā)明鋼在實際冷和熱中使用時，通過氮的固溶強(qiáng)化，得到更高的強(qiáng)化基質(zhì)，提高壽命，因而限定在0.3重量％以下。
關(guān)系式3[Al重量％]/[N重量％]＝2∶1REM(Y、Ce、La、Nd、Pr)0.001-0.5重量％添加稀土類元素REM是為了在熔鋼內(nèi)生成直徑5微米以下的RE類復(fù)合化合物，以控制凝固組織，得到健全的鑄造組織，而且也是為了在調(diào)質(zhì)熱處理時抑制高溫下結(jié)晶粒的生長以提高耐沖擊性。但是，隨著熔鋼內(nèi)添加量增多，隨著與REM、Al、O、S的溶解度及濃度值增多，反而阻礙上述效果，所以限定在關(guān)系式1，將其范圍限定在0.001-0.5重量％。
Ca0.0005-0.01重量％Ca是強(qiáng)脫酸劑，是在精煉最后工藝中必須添加的元素。Ca還是控制非金屬介入物形狀的有效元素。熱力學(xué)考慮控制隨REM添加的非金屬介入物形狀，添加量限定在0.0005-0.01重量％。
W+Co0.01-0.5重量％W和Co是強(qiáng)化馬氏體基質(zhì)且提高熱強(qiáng)度和耐磨損性的元素。由于價格貴，添加量限定在0.01-0.5重量％，且為提高熱強(qiáng)度而選擇性地添加。
B0.0001-0.005重量％，Ti0.001-0.1重量％B和Ti是在使用材料厚度和寬度為200毫米以上時為了提高淬火性而選擇性地添加。根據(jù)在熔鋼中的硼素效應(yīng)(Boron Effect)的關(guān)系式，把B的添加量限定在0.0001-0.005重量％范圍內(nèi)，Ti限定在0.001-0.1重量％范圍內(nèi)。
本發(fā)明的耐沖擊、耐磨損性的高彈性、高強(qiáng)度鋼的制造方法包括如下幾個步驟
制得熔鋼階段，熔鋼含有0.26-0.48重量％的C、1.4-2.5重量％的Si、0.5-1.0重量％的Mn、1.4-2.4重量％的Cr、0.01-0.1重量％的Ni、0.01-0.5重量％的Mo、0.005-0.04重量％的Al、0.05-0.1重量％的V、0.0025-0.02重量％的N，剩余為Fe和不可避免的雜質(zhì)；凝固階段，將上述熔鋼在1550±80℃下凝固；熱加工階段，將上述凝固材料在1100±150℃下實施熱加工；正火處理及退火階段，在650-1000℃下實施正火處理及退火；淬火處理階段，在800-1050℃下實施淬火處理；回火階段，在80-700℃下實施回火。
在這里，可利用組成2、組成3、組成4來代替上述熔鋼。
上述淬火處理階段中，每10毫米厚度進(jìn)行1分鐘以上的奧氏體化以及固溶化處理后，連續(xù)冷卻(鹽、油、水、水+冷卻劑)或180℃為止階段性冷卻的控制冷卻(鹽、油、水、水+冷卻劑)。
上述回火處理階段中，將常溫至80℃范圍內(nèi)的材料每10毫米厚度保持3分鐘以上后，通過空冷或用200℃以下的鹽、油、水、水+冷卻劑進(jìn)行一次以上回火處理。
實施例表1表示本發(fā)明的發(fā)明鋼和現(xiàn)有技術(shù)的以往鋼的化學(xué)成分。
發(fā)明鋼A、B、C、D、E、F是在60噸電爐中將純鐵和廢鐵混合熔解，經(jīng)過精煉和真空脫氣處理，得到的熔鋼，而發(fā)明鋼G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q在3噸電爐中將純鐵和廢鐵混合熔解，經(jīng)過精煉，得到的熔鋼。
發(fā)明鋼B、C、G、L、M、N中含有0.26-0.36重量％的C、1.6-2.2重量％的Si、0.5-1.0重量％的Mn、1.4-2.4重量％的Cr、0.01-0.05重量％的Ni、0.01-0.4重量％的Mo、0.005-0.04重量％的Al、0.05-0.1重量％的V、0.0025-0.02重量％的N、0.01-0.1重量％的Nb、0.0005-0.01重量％的Ca，剩余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
發(fā)明鋼A和E以上述成分及組成范圍來制得熔鋼后，再添加0.0001-0.005重量％的B和0.001-0.1重量％的Ti。
發(fā)明鋼D、E、J、K、O、P、Q以上述成分及組成范圍來制得熔鋼后，為得到含有稀土類元素的鋼，再添加0.001-0.5重量％的稀土類元素REM(Y、Ce、La、Nb、Pr)，稀土類元素與最終S含量的比例滿足關(guān)系式[REM重量％(Y、Ce、La、Nd、Pr)+Al重量％]/[S重量％]＝2-90以及[Ca重量％]/[S重量％]＝1，[REM(Y、Ce、La、Nd、Pr)+Al]/[O+S]＝0.001×10-5-30000×10-5[重量％]。
發(fā)明鋼F，H，I，K，P是為進(jìn)一步提高硬化能及熱特性，在本發(fā)明組成及作用中滿足組成3的范圍內(nèi)，通過提高N、Mn、Cr、Ni、Mo各成分的含量，并添加W和Co，其中W+Co的總含量為0.01-0.1重量％，從而制得的熔鋼。
然后，發(fā)明鋼A、B、C、D、E、F的熔鋼在1550±80℃制作6噸鋼錠，熱拉伸后冷卻至常溫，然后重新在1200±50℃進(jìn)行均熱處理后，在1100±150℃進(jìn)行熱壓延或鍛造，制作120×255毫米的板材。另外，發(fā)明鋼G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q的熔鋼在1550±80℃制作2.6噸鋼錠，熱拉伸后冷卻至常溫，然后重新在1200±50℃進(jìn)行均熱處理后，在1100±150℃進(jìn)行熱壓延或鍛造，制作60×255毫米的板材。
以往鋼R、S、T、U、V、W、X具有各自固有成分，用與實施例相同方法，用60噸電爐制得熔鋼后，制作6噸鋼錠，并熱壓延制作120×255毫米的板材。
表1(重量％)

發(fā)明鋼A、B、C、D、E、F在熱壓延的同時，在熱狀態(tài)下通過兩種方法制成產(chǎn)品。第一，與比較例的正火和低溫退火的方法相同的方法；第二，在本發(fā)明研究開發(fā)的實施例的很大特征的熱狀態(tài)下冷卻控制至指定溫度后，通過急劇冷卻和BOX緩慢冷卻，降低溫度，制成產(chǎn)品。這些都在產(chǎn)品化狀態(tài)下具有機(jī)械切斷和機(jī)械加工可行的硬度HB200-HB250。發(fā)明鋼G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q是通過第二種方法冷卻控制后，通過急劇冷卻和BOX緩慢冷卻，制成產(chǎn)品。
以往鋼R、S、T、V、W為合金鋼，通過通常已知的正火和低溫退火，而以往鋼U和X為合金加工鋼，通過退火，賦予機(jī)械加工性。
另外，實施例的調(diào)質(zhì)熱處理是指淬火及回火，淬火是在800-1050℃下每10毫米厚度進(jìn)行1分鐘奧氏體化及固熔化處理后，連續(xù)冷卻(鹽、油、水、水+冷卻劑)或180℃為止階段性冷卻的控制冷卻(鹽、油、水、水+冷卻劑)；回火是將常溫至80℃范圍內(nèi)的材料在80-700℃下每10毫米厚度保持3分鐘以上后，通過空冷或200℃以下的鹽、油、水、水+冷卻劑進(jìn)行一次以上回火處理。
圖1表示調(diào)質(zhì)熱處理中實施840℃和960℃淬火、以及180℃和390℃回火后的微細(xì)組織觀察結(jié)果，其中微細(xì)組織為代表實施例中發(fā)明鋼的碳量及其他合金元素量為中間程度的發(fā)明鋼B的微細(xì)組織。
淬火狀態(tài)的組織是含有約10％以下殘留奧氏體的馬氏體，根據(jù)不同淬火溫度，具有不同基質(zhì)組織。在840℃下，淬火組織具有10％的鐵素體，硬度為HRC46，在低溫和高溫回火后，鐵素體也不變化。在960℃下，淬火組織微細(xì)，完全變化為馬氏體，在180℃回火后，組織變化為微細(xì)回火馬氏體(tempered martensite)，在390℃回火后，組織變化為微細(xì)屈氏體(troostite)。
因此，本實施例中，將發(fā)揮組織和機(jī)械特性的鐵素體為10％以下的800℃為淬火溫度下限，本發(fā)明鋼的最適合淬火溫度為860-1040℃。
圖2比較了發(fā)明鋼B、F和以往鋼R、X淬火后在不同回火溫度保持2小時后的硬度分布。發(fā)明鋼B是溫度到400℃為止幾乎沒有硬度降低，到500℃為止硬度略微降低，500℃以上時硬度降低顯著。與作為合金加工鋼的以往鋼X相比，到400℃為止二者的情況相同，但沒有以往鋼X的二次硬化，在500℃以上時賦予熱特性的發(fā)明鋼F具有二次硬化，表示HRC54。與合金鋼的以往鋼R相比，回火溫度越高，以往鋼R硬度降低的幅度越大，而合金元素量與以往鋼R類似的發(fā)明鋼B通過本發(fā)明特征的高硅和合金元素的組合，硬度降低不會增大。
發(fā)明鋼P(yáng)具有本發(fā)明固有特性，特別是添加有提高高溫特性的W、Co、N，用于熱用途，表示充分高的回火(tempering)阻抗性，與熱加工鋼的以往鋼X相比，也在600℃高溫下具有高的回火阻抗性。
發(fā)明鋼G以含有0.46重量％的碳和0.14重量％的氮為基礎(chǔ)，具有本發(fā)明鋼的固有特性，同時確保淬火硬度為HRC62，具有高淬火硬度，與作為合金鋼的以往鋼X相比，具有良好回火阻抗性。
表2所示，代表本發(fā)明鋼的發(fā)明鋼D的不同淬火及回火溫度、以及實施正火處理和沒有實施正火處理時的沖擊韌性。
在調(diào)質(zhì)熱處理條件下，將發(fā)明鋼的微細(xì)組織變化確認(rèn)為沖擊韌性變化，其結(jié)果，發(fā)明鋼在調(diào)質(zhì)熱處理條件下的機(jī)械特性在840-980℃范圍內(nèi)，淬火溫度越高越優(yōu)良，在1000℃時沖擊韌性值沒有很大變化，在1050℃時沖擊韌性值急劇降低。
發(fā)明鋼淬火溫度為840-1000℃，回火溫度分別為180℃和400℃，沖擊韌性值在實施正火處理的狀態(tài)和沒有實施正火處理的狀態(tài)時為4.5-7.5千克力·米/平方厘米，實施正火處理時稍高一些，但是差別不大，在180℃低溫回火時具有高的沖擊韌性。因此，本發(fā)明鋼即使不進(jìn)行低溫回火和正火處理，也具有良好的沖擊韌性，而且制造成本低，所以具有良好特性。
表2

表3所示發(fā)明鋼A、B、C、D、E、F和發(fā)明鋼G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q以及以往鋼R、S、T、U、V、W、X在調(diào)質(zhì)處理后的硬度、沖擊特性以及拉伸特性。(發(fā)明鋼A-發(fā)明鋼Q→淬火960-1020℃，回火180-600℃；以往鋼R、S→淬火850℃，回火180℃；以往鋼T、V、W→淬火960℃，回火180℃；以往鋼U、X→淬火1050℃，回火530℃)表3中，是，與以往鋼相比，所有發(fā)明鋼在近似硬度(HRC50-53)時都具有6千克力·米/平方厘米以上的沖擊韌性值，確保非常良好的沖擊吸收能量，因此可用作耐沖擊部件的優(yōu)良材料，而且也可確保160-200千克力/平方毫米的拉伸強(qiáng)度。本發(fā)明鋼與以往鋼相比，其特征是，不僅具有高的拉伸強(qiáng)度，而且具有非常高的沖擊韌性及延伸率，且拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度之間的差與以往鋼相比更小，確保高屈服強(qiáng)度，由此受很大外應(yīng)力也不會破損。
表3

圖3是將發(fā)明鋼B和發(fā)明鋼P(yáng)以及以往鋼R和以往鋼X的常溫磨損量測定后比較磨損特性。發(fā)明鋼和以往鋼的最初硬度都是HRC53。在表3所示的結(jié)果中，隨著磨損距離增大，發(fā)明鋼和以往鋼的磨損量都逐漸增大，以往鋼R從15米開始磨損量增大，到30米時急劇磨損，而以往鋼X從25米開始磨損量急劇增大，發(fā)明鋼都在30米附近磨損量增大。發(fā)明鋼的磨損量與以往鋼相比，變化極小。
因此，在幾乎相同硬度下，發(fā)明鋼與以往鋼相比，隨距離的磨損量顯著減少。所以，發(fā)明鋼通過Si的強(qiáng)基質(zhì)強(qiáng)化效果，在具有與以往鋼幾乎類似合金元素量的條件下，仍然具有非常優(yōu)良的耐磨損性。
圖4是表示對發(fā)明鋼D和發(fā)明鋼Q以及以往鋼R、V、X的直徑180毫米的材料進(jìn)行淬火處理后從表面到中心部的硬度分布。圖中，發(fā)明鋼的硬度從表面到中心部緩慢降低，所以與以往鋼R、V相比，可確保良好硬化能，在大直徑的調(diào)質(zhì)熱處理中也能保證良好機(jī)械特性。
圖5a，b表示本材料發(fā)明后作為一種目前本發(fā)明鋼最廣泛使用的廢鐵切斷刀片(Scrap Shear Blade)，圖6表示本發(fā)明鋼的又一個用途的不銹鋼板材剪切刀。
表4是安裝在實際切斷機(jī)廢鐵切斷設(shè)備上時，發(fā)明鋼B、D、F、G、I、J、K、L、N、P、Q和以往鋼R、X的廢鐵切斷量，以目前最廣泛使用的熱加工鋼的以往鋼X為基準(zhǔn)值100％，進(jìn)行比較得出的結(jié)果。
符合高硅的最適當(dāng)合金組成的耐沖擊、耐磨損高彈性高強(qiáng)度鋼-上述發(fā)明鋼與以往鋼R、X相比，具有更長的使用壽命，特別是，與作為廢鐵切斷刀片和剪切刀部件國內(nèi)外大部分使用的以往鋼X相比，最低增多25％、最多增多125％的壽命。
在本發(fā)明鋼中，添加有耐熱性強(qiáng)的合金元素的發(fā)明鋼F、I、K、P與沒有添加上述合金元素的發(fā)明鋼D、G、J、L、N、Q相比，制造成本略為高一些，但是與制造成本相比的壽命延長非常大。因此，與在嚴(yán)格條件下進(jìn)行廢鐵切斷時目前最常用的熱加工鋼-以往鋼X相比，制造成本降低50％的實施例中，得到非常高的收益，且模型壽命也非常長。
圖7表示代表本發(fā)明鋼的發(fā)明鋼K的熱力學(xué)/熱處理數(shù)值分析圖。圖7a是本發(fā)明代表發(fā)明鋼K煅燒時縱截面的Fe-C相圖(Vertical SectionThermo-Calc.Phase Diagram)，本發(fā)明鋼的各目標(biāo)合金元素中碳含量為0.48重量％以下時，可得到本發(fā)明希望的組織及析出相。圖7b是上述發(fā)明鋼K的連續(xù)冷卻變化曲線(CCT)，鐵素體前端(Nose)移動到靠左側(cè)，變化為沒有產(chǎn)生貝氏體和馬氏體(空冷時引起裂縫)的鐵素體組織。將本發(fā)明鋼進(jìn)行熱塑性加工后，不需要進(jìn)行正火熱處理及退火熱處理，可切斷且加工，進(jìn)行吹氧切斷時，也不會引起裂縫，得到良好產(chǎn)品。
表4

如上所述，本發(fā)明的耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼，雖然合金元素含量低，但是通過高含量硅和各合金元素的最適當(dāng)混合，與以往鋼相比，焊接性、低溫回火阻抗性及高溫回火阻抗性、硬化能、耐磨損性(利用Si來強(qiáng)化基質(zhì))、以及沖擊韌性和拉伸強(qiáng)度等機(jī)械特性非常好，具有高硬度、高強(qiáng)度、高韌性及高彈性，所以用于嚴(yán)格條件下時模型壽命及部件壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于以往鋼。
特別是，本發(fā)明鋼以高硅為基礎(chǔ)，適當(dāng)混合低含量的合金元素，并且通過采用適用于本發(fā)明鋼的固有合金組成的熱處理方法，得到高彈性、高強(qiáng)度鋼。但是，以往鋼依靠高合金來提高特性，制造成本高，不能吹氧來直接切斷(因為發(fā)生裂縫)。本發(fā)明鋼以高硅為基礎(chǔ)，適當(dāng)混合低含量的合金元素，所以制造成本降低50％，而且可吹氧來切斷復(fù)雜形狀(不發(fā)生裂縫)，降低加工費，因此低材料價格和低加工費能充分滿足實際需要者的成本降低要求。
權(quán)利要求
1.一種耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼，其中，所述鋼含有0.26-0.48重量％的C、1.4-2.5重量％的Si、0.5-1.0重量％的Mn、1.4-2.4重量％的Cr、0.01-0.1重量％的Ni、0.01-0.5重量％的Mo、0.005-0.04重量％的Al、0.05-0.1重量％的V、0.0025-0.02重量％的N，剩余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼，其中，所述鋼還滿足如下關(guān)系，[Si重量％]/[Mn重量％]＝2.6-3.2，以及[Al重量％]/[N重量％]＝2∶1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼，其中，為了控制凝固組織，所述鋼還含有0.001-0.5重量％的REM(Y、Ce、La、Nd、Pr)和0.0005-0.01重量％的Ca，并滿足如下關(guān)系式[REM重量％(Y、Ce、La、Nd、Pr)+Al重量％]/[S重量％]＝2-90，[Ca重量％]/[S重量％]＝1，以及[REM(Y、Ce、La、Nd、Pr)+Al]/[O+S]/＝0.001×10-5-30000×10-5[重量％]。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼，其中，所述鋼在權(quán)利要求1所述的N、Mn、Cr、Ni、Mo各成分范圍的上限值，還含有最大量分別為0.28重量％的N、0.5重量％的Mn、1.0重量％的Cr、0.95重量％的Ni、0.6重量％的Mo。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼，其中，所述鋼還選擇性地含有0.0001-0.005重量％的B、0.001-0.1重量％的Ti、0.01-0.5重量％的W+Co、0.01-0.1重量％的Nb。
6.一種耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼的制造方法，其中，該方法包括如下步驟制得權(quán)利要求1-5所述組成的熔鋼的階段；將所述熔鋼在1550±80℃下凝固的階段；將所述凝固材料在1100±150℃下實施熱加工的階段；在650-1000℃下實施正火處理及退火的階段；在800-1050℃下實施淬火處理的階段；在80-700℃下實施回火的階段。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼的制造方法，其中，所述淬火處理階段中，每10毫米厚度進(jìn)行1分鐘以上的奧氏體化以及固溶化處理后，進(jìn)行快速冷卻至常溫的連續(xù)冷卻或進(jìn)行180℃為止階段性冷卻的控制冷卻后冷卻至常溫，冷卻用劑是鹽、油、水或水+冷卻劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼的制造方法，其中，所述回火處理階段中，將常溫至80℃范圍內(nèi)的材料每10毫米厚度保持3分鐘以上后，通過空冷或用200℃以下的冷卻用劑進(jìn)行一次以上回火處理，冷卻用劑是鹽、油、水或水+冷卻劑。
全文摘要
一種耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼，其中，所述鋼含有0.26－0.48重量％的C、1.4－2.5重量％的Si、0.5－1.0重量％的Mn、1.4－2.4重量％的Cr、0.01－0.1重量％的Ni、0.01－0.5重量％的Mo、0.005－0.04重量％的Al、0.05－0.1重量％的V、0.0025－0.02重量％的N，剩余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的耐沖擊、耐磨損的高彈性、高強(qiáng)度鋼具有高硬度、高強(qiáng)度、高韌性及高彈性，而且鋼的焊接性、低溫回火阻抗性及高溫回火阻抗性、硬化性、耐磨損性、以及沖擊韌性和拉伸強(qiáng)度等機(jī)械特性非常好，所以用于嚴(yán)格條件下時模型壽命及部件壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于以往鋼。
文檔編號C22C38/50GK1782117SQ20051012402
公開日2006年6月7日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月24日
發(fā)明者崔仁圭, 宋致福 申請人:株式會社Cf, 崔仁圭, 宋致福