本發(fā)明涉及合金鋼材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種耐磨耐蝕合金鋼材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
濕態(tài)磨損腐蝕是消耗耐磨鋼鐵零部件最嚴(yán)酷的作用形式之一，廣泛存在于海洋開發(fā)、礦山冶金、石油化工、水利電力、能源交通、機(jī)械建材等國家關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域中的服役設(shè)備上，如管線、螺旋槳、泵、水輪機(jī)、襯板、鏟齒等。
現(xiàn)有技術(shù)中，鐵基合金材料存在耐磨、耐腐蝕性能不能同時兼顧的問題，如劉長華等公開了兩種含ni元素量較高的襯板用低碳合金鋼襯板材料(參見《兩種襯板用低碳合金鋼組織和性能研究》，劉長華等，熱加工工藝，2011,40(17):29-31)，不僅增大了成本，且洛氏硬度低，耐磨性能也有待提高；cn104532130a公開了一種濕式球磨機(jī)用高強(qiáng)韌性耐蝕襯板，該襯板材料能滿足大濕式球磨機(jī)襯板的抗沖擊性，但在濕式弱酸性介質(zhì)中其較高的碳含量及較低的鉻含量將不利于其耐腐蝕性能；cn1932066公開了一種低碳高合金球磨機(jī)襯板鋼，該襯板鋼在濕式磨礦機(jī)襯板的工作環(huán)境下具有很好的耐磨性，但沒有關(guān)于耐蝕性的相關(guān)記載。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種耐磨耐蝕合金鋼材料，兼具耐磨損性能及耐腐蝕性能的合金鋼材料及制備方法，以供弱酸性濕式磨損腐蝕環(huán)境用設(shè)備的選材。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：
一種耐磨耐蝕合金鋼材料，包括以下重量百分含量的組分：
c：0.23～0.28％，cr：7.5～10.0％，si：1.0～1.5％，mn：0.5～0.8％，zr：0.1～0.6％，mo：0.3～0.6％，ni：0.5～0.8％，ce：0.1～0.2％，p≤0.04％，s≤0.04％，余量的fe。
優(yōu)選地，所述耐磨耐蝕合金鋼材料包括以下重量百分含量的組分：
c：0.26％，cr：9.30％，si：1.37％，mn：0.68％，zr：0.24％，mo：0.40％，ni：0.69％，ce:0.2％，p≤0.04％，s≤0.04％，余量的fe。
本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述耐磨耐蝕合金鋼材料的制備方法，包含以下步驟：
(1)將鋼源、鉻源、脫氧劑、硅源、鉬源、鋯源、鎳源、錳源和稀土鈰進(jìn)行熔煉，得到鋼水；
(2)將所述步驟(1)得到的鋼水澆鑄成型，得到合金鋼鑄件；
(3)對所述步驟(2)得到的合金鋼鑄件依次進(jìn)行退火、淬火和回火得到耐磨耐蝕合金鋼材料。
優(yōu)選地，所述步驟(2)中脫氧劑的質(zhì)量為鋼水質(zhì)量的0.1～0.2％。
優(yōu)選地，所述步驟(2)中熔煉的溫度為1620～1670℃。
優(yōu)選地，所述熔煉包括3～5次熔煉造渣。
優(yōu)選地，所述步驟(3)中退火的溫度為1020～1050℃，所述退火的時間為4～6h。
優(yōu)選地，所述步驟(3)中淬火包括第一加熱、第一保溫、第二加熱和第二保溫；
所述第一加熱的溫度為650～680℃，所述第一保溫的時間為5～8h；
所述第二加熱的溫度為1030～1050℃，所述第二保溫的時間為8～12h。
優(yōu)選地，所述步驟(3)中回火的溫度為180～220℃，所述回火的保溫時間為6～8h。
優(yōu)選地，所述步驟(3)中淬火為油淬。
本發(fā)明提供了一種耐磨耐蝕合金鋼材料，包括以下重量百分含量的組分：c：0.23～0.28％，cr：7.5～10.0％，si：1.0～1.5％，mn：0.5～0.8％，zr：0.1～0.6％，mo：0.3～0.6％，ni：0.5～0.8％，ce：0.1～0.2％，p≤0.04％，s≤0.04％，余量的fe。碳是鋼鐵材料中最基本的元素之一，能夠極大影響合金鋼的力學(xué)性能及耐蝕性；鉻元素是鐵素體形成元素，是提高合金鋼耐蝕性能的關(guān)鍵元素；鎳元素能提高淬透性，擴(kuò)大奧氏體區(qū)，有利于強(qiáng)度、韌性及耐蝕性的提高；鉬元素能夠提高鋼鐵淬透性及細(xì)化晶粒；鋯元素是強(qiáng)碳化物形成元素，有脫氣、凈化和細(xì)化晶粒等作用，而且鋯元素的加入有利于材料在腐蝕介質(zhì)中表面自發(fā)形成一層具有保護(hù)性的鈍化膜，對于提高耐腐蝕性能有關(guān)鍵作用；硅元素能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點和抗拉強(qiáng)度，且在改善鋼中雜質(zhì)分布方面有重要作用；鈰元素是一種稀土變質(zhì)劑，起到細(xì)化晶粒等作用，進(jìn)而提高合金鋼材料的耐腐蝕性能。本發(fā)明精確控制合金鋼材料中各元素的含量，提高了合金鋼材料的強(qiáng)度、韌性、耐磨性及耐腐蝕性能，以供濕式磨損腐蝕環(huán)境設(shè)備選材。實施例的數(shù)據(jù)表明，本申請?zhí)峁┑哪湍ツ臀g鐵基合金材料洛氏硬度為53.5hrc，抗拉強(qiáng)度為1833mpa，沖擊韌性91j/cm2，在模擬弱酸性銅礦礦漿中的年腐蝕速率為0.025mm/a，且呈現(xiàn)出自鈍化特征，耐蝕性相比于濕磨工況用材高錳鋼提高6倍，動態(tài)抗腐蝕磨損速率比高錳鋼提高1.1倍，服役壽命明顯提升。
并且，本發(fā)明提供的耐磨耐蝕合金鋼材料的制備方法中，通過對合金鋼鑄件依次進(jìn)行退火、淬火和回火形成馬氏體組織，退火有助于使大型合金鋼鑄錠組織成分均勻化；淬火采用分級加熱保證鑄錠溫度均勻；淬火后進(jìn)行回火處理，有助于去除淬火過程中合金鋼內(nèi)部產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
具體實施方式
本發(fā)明提供了一種耐磨耐蝕合金鋼材料，包括以下重量百分含量的組分：
c：0.23～0.28％，cr：7.5～10.0％，si：1.0～1.5％，mn：0.5～0.8％，zr：0.1～0.6％，mo：0.3～0.6％，ni：0.5～0.8％，ce：0.1～0.2％，p≤0.04％，s≤0.04％，余量的fe。
本發(fā)明提供的耐磨耐蝕合金鋼材料，包括重量百分含量為0.23～0.28％的c，優(yōu)選為0.26％。本發(fā)明中，所述碳是鋼鐵材料中最基本的元素之一，能夠極大影響合金鋼的力學(xué)性能及耐蝕性，隨著含碳量的增加，合金鋼的強(qiáng)度、硬度一般增大，韌性、耐蝕性降低，因此濕式環(huán)境下的服役合金鋼碳含量需要適中，保證強(qiáng)度、硬度的同時，韌性及耐蝕性不能惡化明顯，故本發(fā)明碳的質(zhì)量百分比為0.23～0.28％。
本發(fā)明提供的耐磨耐蝕合金鋼材料，包括重量百分含量為1.0～1.5％的si，優(yōu)選為1.37％。本發(fā)明中，所述硅元素能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點和抗拉強(qiáng)度，且在改善鋼中雜質(zhì)分布方面有重要作用，故本發(fā)明硅的質(zhì)量百分比為1.0～1.5％。
本發(fā)明提供的耐磨耐蝕合金鋼材料，包括重量百分含量為0.1～0.6％的zr，優(yōu)選為0.24％。本發(fā)明中，所述鋯元素是強(qiáng)碳化物形成元素，有脫氣、凈化和細(xì)化晶粒等作用，而且zr元素的加入有利于合金材料在腐蝕介質(zhì)中表面自發(fā)形成一層具有保護(hù)性的鈍化膜，對于提高合金材料的耐腐蝕性能有關(guān)鍵作用，故本發(fā)明鋯的質(zhì)量百分比為0.1～0.6％。
本發(fā)明提供的耐磨耐蝕合金鋼材料，包括重量百分含量為7.5～10.0％的cr，優(yōu)選為9.30％。本發(fā)明中，所述鉻元素是鐵素體形成元素，一般而言，當(dāng)其百分含量達(dá)到約13％時，面心立方相區(qū)縮小至消失，此時將無法通過熱處理得到力學(xué)耐磨性能較好的馬氏體組織，然而鉻含量的增加是提高合金鋼耐蝕性能的關(guān)鍵元素，故本發(fā)明鉻的質(zhì)量百分比為7.5～10.0％。
本發(fā)明提供的耐磨耐蝕合金鋼材料，包括重量百分含量為0.5～0.8％的ni，優(yōu)選為0.69％。本發(fā)明中，所述鎳元素能提高淬透性，擴(kuò)大奧氏體區(qū)，有利于強(qiáng)度、韌性及耐蝕性的提高，但是由于資源較為稀缺，其成本較高，故從性價比考慮其成分范圍為0.5～0.8％。
本發(fā)明提供的耐磨耐蝕合金鋼材料，包括重量百分含量為0.3～0.6％的mo，優(yōu)選為0.40％。本發(fā)明中，所述鉬元素主要是為了提高鋼鐵淬透性及細(xì)化晶粒而加入的，含量控制在0.3～0.6％。
本發(fā)明提供的耐磨耐蝕合金鋼材料，包括重量百分含量為0.1～0.2％的ce，優(yōu)選為0.2％。本發(fā)明中，所述鈰元素是一種稀土變質(zhì)劑，起到細(xì)化晶粒等作用，進(jìn)而提高合金鋼材料的耐腐蝕性能，鈰元素的質(zhì)量百分含量控制在0.1～0.2％。
本發(fā)明提供的耐磨耐蝕合金鋼材料，包括重量百分含量為0.5～0.8％的mn，優(yōu)選為0.68％。本發(fā)明中，所述錳元素用以提高合金鋼的淬透性，所以本發(fā)明中，錳元素的質(zhì)量百分含量控制在0.5～0.8％。
本發(fā)明中，所述p和s為雜質(zhì)元素，所述p重量百分含量≤0.04％；所述s重量百分含量≤0.04％。
本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述耐磨耐蝕合金鋼材料的制備方法，包含以下步驟：
(1)將鋼源、鉻源、脫氧劑、硅源、鋯源、鉬源、鎳源、錳源和稀土鈰進(jìn)行熔煉，得到鋼水；
(2)將所述步驟(1)得到的鋼水澆鑄成型，得到合金鋼鑄件；
(3)對所述步驟(2)得到的合金鋼鑄件依次進(jìn)行退火、淬火和回火得到耐磨耐蝕合金鋼材料。
本發(fā)明將鋼源、鉻源、脫氧劑、硅源、鋯源、鉬源、鎳源、錳源和稀土鈰進(jìn)行熔煉，得到鋼水。在本發(fā)明中，所述鋼源優(yōu)選為廢鋼，所述鉻源優(yōu)選為鉻鐵，所述硅源優(yōu)選為硅鐵，所述鉬源優(yōu)選為鉬鐵，所述鎳源優(yōu)選為鎳鐵，所述錳源優(yōu)選為錳鐵，所述鋯源優(yōu)選為鋯鐵，本發(fā)明對所述鋼源、鉻源、硅源、鋯源、鉬源、鎳源、錳源和稀土鈰的來源沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的市售商品即可。
本發(fā)明對所述鋼源、鉻源、脫氧劑、硅源、鋯源、鉬源、鎳源、錳源和稀土鈰的加料順序沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的加料順序即可，在本發(fā)明中，優(yōu)選先將鋼源和鉻源熔煉，再加入脫氧劑、硅源、鋯源、鉬源、鎳源和錳源進(jìn)行熔煉，最后加入稀土鈰；所述稀土鈰更優(yōu)選為通過鋼包加入，所述鋼包的底部放置稀土鈰。在本發(fā)明中，所述熔煉產(chǎn)物加入鋼包時的溫度優(yōu)選為1620～1670℃，更優(yōu)選為1640～1660℃，最優(yōu)選為1650℃。本發(fā)明優(yōu)選對所述鋼包進(jìn)行預(yù)熱，所述預(yù)熱的溫度優(yōu)選為大于等于800℃，更優(yōu)選為850～900℃。
在本發(fā)明中，所述熔煉的溫度優(yōu)選為1620～1670℃，更優(yōu)選為1640～1660℃，最優(yōu)選為1650℃；所述熔煉優(yōu)選包括3～5次熔煉造渣，更優(yōu)選為4次熔煉造渣。本發(fā)明對所述熔煉的時間沒有特殊的限定，能夠使各原料完全熔化、得到混合均勻的液體即可。本發(fā)明中所述熔煉能夠降低合金鋼材料中夾雜物的含量，如o、p、s元素。
在本發(fā)明中，所述脫氧劑的質(zhì)量優(yōu)選為鋼水質(zhì)量的0.1～0.2％，更優(yōu)選為0.12～0.14％，所述脫氧劑能夠除去鋼水中的o元素，與所述熔煉起到相輔相成的作用，降低鋼水中夾雜物的含量。在本發(fā)明中，所述脫氧劑在進(jìn)行熔煉時會形成固體物質(zhì)，通過固液分離能夠除去，不會對合金鋼材料的元素組成產(chǎn)生影響。本發(fā)明對所述固液分離的方式?jīng)]有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的固液分離方式即可。本發(fā)明對所述脫氧劑的來源沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的市售商品即可；在本發(fā)明實施例中優(yōu)選為鋁脫氧劑。
本發(fā)明對所述熔煉的裝置沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的熔煉裝置即可，在本發(fā)明實施例中，所述熔煉優(yōu)選在中頻感應(yīng)爐中進(jìn)行。
得到鋼水后，本發(fā)明將所述鋼水澆鑄成型，得到合金鋼鑄件。在本發(fā)明中，所述澆注成型的溫度優(yōu)選為1580～1600℃，更優(yōu)選為1585～1595℃。本發(fā)明對所述澆鑄成型用的模具形狀沒有特殊的限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要選擇任意形狀的模具。
得到合金鋼鑄件后，本發(fā)明對所述合金鋼鑄件依次進(jìn)行退火、淬火和回火得到耐磨耐蝕鐵基合金材料。
本發(fā)明對所述合金鋼鑄件進(jìn)行退火。在本發(fā)明中，所述退火的溫度優(yōu)選為1020～1050℃，更優(yōu)選為1030～1040℃；所述退火的時間優(yōu)選為4～6h，更優(yōu)選為4.5～5.5h。在本發(fā)明中，所述合金鋼鑄件升溫至退火溫度的升溫速率優(yōu)選為50～200℃/h，更優(yōu)選為100～150℃/h。本發(fā)明中，所述退火有助于使大型合金鋼鑄件組織成分均勻化。
在本發(fā)明中，所述退火的冷卻優(yōu)選為隨爐冷卻，不需要額外的加熱或降溫。
退火完成后，本發(fā)明對所述退火后的產(chǎn)物進(jìn)行淬火。在本發(fā)明中，所述淬火優(yōu)選依次包括第一加熱、第一保溫、第二加熱和第二保溫。在本發(fā)明中，所述第一保溫的溫度優(yōu)選為650～680℃，更優(yōu)選為660～670℃，所述第一保溫的時間優(yōu)選為5～8h，更優(yōu)選為6～7h，所述第一加熱的升溫速率優(yōu)選為50～200℃/h，更優(yōu)選為100～150℃/h；所述第二保溫的溫度優(yōu)選為1020～1050℃，更優(yōu)選為1030～1040℃，所述第二保溫的時間優(yōu)選為8～12h，更優(yōu)選為9～11h，所述第二加熱的升溫速率優(yōu)選為50～200℃/h，更優(yōu)選為100～150℃/h。本發(fā)明中，所述淬火采用分級加熱保證合金鋼鑄件溫度均勻。
本發(fā)明對所述淬火使用的介質(zhì)沒有特殊的限定，在本發(fā)明實施例中，所述淬火優(yōu)選為油淬，所述油淬的油溫優(yōu)選為不超過120℃，更優(yōu)選為100～110℃。
所述第二保溫完成后，本發(fā)明將所述第二保溫后的產(chǎn)物冷卻至室溫。在本發(fā)明中，所述冷卻優(yōu)選為油淬冷卻，不需要額外的加熱或降溫。
淬火完成后，本發(fā)明對所述淬火后的產(chǎn)物進(jìn)行回火。在本發(fā)明中，所述回火的溫度優(yōu)選為180～220℃，更優(yōu)選為190～210℃，最優(yōu)選為195～205℃；所述回火的保溫時間優(yōu)選為6～8h，更優(yōu)選為7h。在本發(fā)明中，升溫至所述回火溫度的升溫速率優(yōu)選為50～100℃/h，更優(yōu)選為60～90℃/h，最優(yōu)選為70～80℃/h。
在本發(fā)明中，所述回火的冷卻優(yōu)選為空冷，不需要額外的加熱或降溫。
回火完成后，本發(fā)明優(yōu)選還包括對所述回火的產(chǎn)物進(jìn)行打磨。本發(fā)明對所述打磨的具體方式?jīng)]有特殊的限定，采用本領(lǐng)域常用的、能夠使合金鋼鑄件達(dá)到表面光滑的方式即可。
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明提供的耐磨耐蝕合金鋼材料及其制備方法進(jìn)行詳細(xì)的說明，但是不能把它們理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。
實施例1
一種耐磨耐蝕合金鋼材料，包括以下重量百分含量的組分：c：0.26％，cr：9.48％，si：1.37％，mn：0.68％，zr：0.13％，mo：0.41％，ni：0.69％，ce:0.2％，p≤0.04％，s≤0.04％，余量為fe。
其制備方法步驟如下：
①以廢鋼、鉻鐵、硅鐵、鋯鐵、鉬鐵、鎳板及錳鐵為原料在中頻感應(yīng)爐中于1650℃熔煉3次得到鋼水，其中鋁脫氧劑的質(zhì)量為鋼水質(zhì)量的0.1％，當(dāng)鋼水的熔煉溫度達(dá)1650℃后倒入至烘烤溫度為800℃的鋼包中，鋼包底部加入所要求的質(zhì)量百分比的稀土鈰，繼續(xù)熔煉至混合均勻，然后將鋼水澆入鑄型中，得到合金鋼鑄件；
②得到的合金鋼鑄件以90℃/h的速率升溫至1050℃保溫4h進(jìn)行退火，然后爐冷至室溫，再以90℃/h的速率升溫至650℃保溫6h，繼續(xù)以90℃/h的速率升溫加熱至1050℃保溫10h，油冷至室溫，最后以90℃/h的速率升溫至220℃，保溫5h進(jìn)行回火，出爐空冷至室溫。
由此得到的耐磨蝕合金鋼材料洛氏硬度為55hrc，抗拉強(qiáng)度為1580mpa，沖擊韌性30j/cm2，在模擬弱酸性銅礦礦漿中的年腐蝕速率為0.034mm/a，且呈現(xiàn)出自鈍化特征，耐蝕性相比于濕磨工況用材高錳鋼提高4.2倍，動態(tài)抗腐蝕磨損速率比高錳鋼提高55％，服役壽命明顯提升。
實施例2
一種耐磨耐蝕合金鋼材料，包括以下重量百分含量的組分：c：0.26％，cr：9.30％，si：1.37％，mn：0.68％，zr：0.24％，mo：0.40％，ni：0.69％，ce:0.2％，p≤0.04％，s≤0.04％，余量為fe。
其制備方法步驟如下：
①以廢鋼、鉻鐵、硅鐵、鋯鐵、鉬鐵、鎳板及錳鐵為原料在中頻感應(yīng)爐中于1600℃熔煉4次得到鋼水，其中鋁脫氧劑的質(zhì)量為鋼水質(zhì)量的0.2％，當(dāng)鋼水的熔煉溫度達(dá)1600℃后倒入至烘烤溫度為900℃的鋼包中，鋼包底部加入所要求的質(zhì)量百分比的稀土鈰，繼續(xù)熔煉至混合均勻，然后將鋼水澆入鑄型中，得到合金鋼鑄件；
②得到的合金鋼鑄件以100℃/h的速率升溫至1020℃保溫6h進(jìn)行退火，然后爐冷至室溫，再以100℃/h的速率升溫至660℃保溫5h，繼續(xù)以100℃/h的速率升溫加熱至1030℃保溫8h，油冷至室溫，最后以50℃/h的速率升溫至205℃，保溫7h進(jìn)行回火，出爐空冷至室溫。
由此得到的耐磨蝕合金鋼材料洛氏硬度為53.5hrc，抗拉強(qiáng)度為1833mpa，沖擊韌性91j/cm2，在模擬弱酸性銅礦礦漿中的年腐蝕速率為0.025mm/a，且呈現(xiàn)出自鈍化特征，耐蝕性相比于濕磨工況用材高錳鋼提高6倍，動態(tài)抗腐蝕磨損速率比高錳鋼提高1.1倍，服役壽命明顯提升。
實施例3
一種耐磨耐蝕合金鋼材料，包括以下重量百分含量的組分：c：0.27％，cr：9.71％，si：1.39％，mn：0.68％，zr：0.48％，mo：0.40％，ni：0.71％，ce:0.2％，p≤0.04％，s≤0.04％，余量為fe。
其制備方法步驟如下：
①以廢鋼、鉻鐵、硅鐵、鋯鐵、鉬鐵、鎳板及錳鐵為原料在中頻感應(yīng)爐中于1670℃熔煉5次得到鋼水，其中鋁脫氧劑的質(zhì)量為鋼水質(zhì)量的0.2％，當(dāng)鋼水的熔煉溫度達(dá)1640℃后倒入至烘烤溫度為850℃的鋼包中，鋼包底部加入所要求的質(zhì)量百分比的稀土鈰，繼續(xù)熔煉至混合均勻，然后將鋼水澆入鑄型中，得到合金鋼鑄件；
②得到的合金鋼鑄件以150℃/h的速率升溫至1020℃保溫6h進(jìn)行退火，然后爐冷至室溫，再以150℃/h的速率升溫至680℃保溫5h，后繼續(xù)以150℃/h的速率升溫加熱至1020℃保溫12h，油冷至室溫，最后以80℃/h的速率升溫至180℃，保溫12h進(jìn)行回火，出爐空冷至室溫。
由此得到的耐磨耐蝕合金鋼材料洛氏硬度為51hrc，抗拉強(qiáng)度為979.37mpa，沖擊韌性37j/cm2，在模擬弱酸性銅礦礦漿中的年腐蝕速率為0.016mm/a，且呈現(xiàn)出自鈍化特征，耐蝕性相比于濕磨工況用材高錳鋼提高10倍，動態(tài)抗腐蝕磨損速率比高錳鋼提高1.2倍，服役壽命明顯提升。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。