【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種無碳化物貝氏體耐磨合金，尤指一種海洋工程用的無碳化物貝氏體耐磨合金。
背景技術(shù)：
海洋工程用耐磨材料是一個極具研究和開發(fā)價值的方向。在海水環(huán)境中工作的工程機械耐磨構(gòu)件，如長期在海水中工作的挖泥船用刀齒、泥漿輸送管道、離心泵葉輪、葉片等，由于受到高速海水流的帶動泥沙與工件表面形成的剪切力的沖蝕、泥沙磨損及海水侵蝕，腐蝕磨損相當嚴重，要求具有足夠的強韌性和良好的耐磨、耐蝕性能。
目前，常見的海洋工程用耐磨部件通常采用普通碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、高鉻鑄鐵以及系泊鏈鋼制成。普通碳鋼的硬度低，沒有添加合金元素，因而其服役周期很短，但具有成本低廉的優(yōu)勢；奧氏體不銹鋼由于添加了大量的合金元素，具有良好的耐點蝕和縫隙腐蝕性能，在與氯離子接觸的環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用。但其初始硬度很低，不能作為耐磨材料使用，特別是在低或者是無沖擊載荷的工況下使用；高鉻鑄鐵具有優(yōu)異的耐磨性能和良好的耐點蝕和縫隙腐蝕性能，但其韌性過低，在較大的沖擊載荷下回由于韌性不足而發(fā)生斷裂，且存在焊接修復(fù)困難等問題。而且由于加入了大量的合金元素，使用成本較高；系泊鏈鋼強度高、韌性好，兼具良好的冷彎性能和焊接性能，具有良好的耐海水腐蝕、抗疲勞、耐磨損等特性，但這種鋼的制備過程復(fù)雜，適合于大規(guī)模生產(chǎn)，且制備成本高；低合金鋼經(jīng)過合金元素添加和組織結(jié)構(gòu)控制，可大大改善強度、硬度和韌性，同時提高耐蝕性，但目前使用的低合金鋼存在硬度低和耐磨性差等不足。
因此，有必要設(shè)計一種好的無碳化物貝氏體耐磨合金，以克服上述問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對背景技術(shù)所面臨的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種藉由硅和硼元素的加入，從而達到強韌性和耐磨耐蝕效果的無碳化物貝氏體耐磨合金。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)手段：
一種無碳化物貝氏體耐磨合金，其包括以下成分：硅、硼、鋼、鐵以及合金元素，形成硼化物的復(fù)相組織。
進一步地，成分還包括細化凝固組織元素。
進一步地，細化凝固組織元素為ti或v。
進一步地，硼元素為變性硼化物元素。
一種無碳化物貝氏體耐磨合金的生產(chǎn)工藝，其包括以下步驟：步驟一：提供成比例的硅、硼、鋼、鐵以及合金元素；步驟二：對上述元素進行熱處理；步驟三：復(fù)合變質(zhì)技術(shù)控制硼化物的形態(tài)以及分布，同時鋼液凈化處理去除合金熔體中的夾雜物以及有害氣體；步驟四：攪拌混合后，再進行鎮(zhèn)靜，以形成合金成品。
進一步地，步驟三中的復(fù)合變質(zhì)技術(shù)手段為epma或sem或xrd。
進一步地，鋼液凈化處理為采用電弧爐熔煉加爐外精煉技術(shù)去除步驟三中的有害氣體和非金屬夾雜物。
進一步地，步驟四中合金成品的鑄態(tài)硬度為20～35hrc，熱處理后硬度為46～56hrc，抗拉強度為600～1200mpa，沖擊韌性(u型缺口)>15j/cm2，斷裂韌度為60～75mpam1/2。
進一步地，于步驟一中，加入細化凝固組織元素，使得步驟四中合金成品的凝固組織和相變組織細化。
進一步地，加入細化凝固組織元素后的殘余奧氏體為薄膜狀。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
上述無碳化物貝氏體耐磨合金中，成分為硅、硼、鋼、鐵以及合金元素，形成硼化物的復(fù)相組織，對上述元素進行熱處理之后，復(fù)合變質(zhì)技術(shù)控制硼化物的形態(tài)以及分布，同時鋼液凈化處理去除合金熔體中的夾雜物以及有害氣體，最后攪拌混合后，再進行鎮(zhèn)靜，以形成合金成品，如此無碳化物貝氏體耐磨合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，開發(fā)生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)成本低廉、強度和韌性高、淬透性和淬硬性好、適合于海洋工程機械用的新一代鋼鐵耐磨材料。
【具體實施方式】
為便于更好的理解本發(fā)明的目的、結(jié)構(gòu)、特征以及功效等，現(xiàn)具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。
鋼的內(nèi)在質(zhì)量與鋼液的純凈度有很大的關(guān)系，鋼水中的非金屬夾雜物可導(dǎo)致產(chǎn)品性能的惡化、內(nèi)在品質(zhì)的下降，同時非金屬夾雜物有助于氣孔的形成，降低鑄件的致密度。對于海洋工程用鋼，其抗腐蝕性能也在很大程度上取決于鋼中夾雜物。夾雜物的存在，加快了鋼的腐蝕。
從技術(shù)上看，對鋼材質(zhì)量日益苛刻的要求主要表現(xiàn)在純潔度高、各向異性小、合金成分范圍窄等方面。由于傳統(tǒng)煉鋼方法合金的收得率波動很大，因而鋼產(chǎn)品的成分范圍較寬，同鋼種的不同爐號性能差別較大，不利于使鋼材達到最佳性能的配合；雜質(zhì)含量高，加之在鋼中存在形式無法控制，必然導(dǎo)致鋼材的機械性能在不同方向上存在較大的差異。只有將未進行脫氧的鋼液從爐中倒出，在具有澆注功能的容器(通常為鋼包)中有針對地進行精煉，再將鋼液直接澆注，盡量避免已精煉的鋼液再與大氣接觸，才能有效地控制鋼材的質(zhì)量。
近年來，國內(nèi)外在生產(chǎn)高強度鋼和超高強度鋼方面，日益強調(diào)對鋼中氣體和非金屬夾雜物的控制，提出并發(fā)展了“潔凈鋼”(cleansteel)技術(shù)。采用爐外精煉方法，以真空和惰性氣體來代替一氧化碳氣體來實現(xiàn)精煉過程，從根本上改革了煉鋼工藝，使所煉得的鋼液在純凈度方面大幅度提高，從而使鋼的力學(xué)性能，特別是韌性有很大的改善。
一種無碳化物貝氏體耐磨合金，其包括以下成分：硅、硼、鋼、鐵以及合金元素，形成硼化物的復(fù)相組織。成分還包括細化凝固組織元素。細化凝固組織元素為ti或v，本實施例中細化凝固組織元素為異質(zhì)細化劑。
硼元素為變性硼化物元素，加入微量細化凝固組織元素和變性硼化物元素，結(jié)合采用鋼水純凈化處理及后續(xù)熱處理，使復(fù)相組織凈化和細化，硼化物形態(tài)得到合理控制，力學(xué)性能大幅度提高。顯微組織由無碳化物貝氏體鐵素體和其間分布殘余奧氏體組成
無碳化物貝氏體耐磨合金的生產(chǎn)工藝，其包括以下步驟：
步驟一：提供成比例的硅、硼、鋼、鐵以及合金元素、加入細化凝固組織元素，使得步驟四中合金成品的凝固組織和相變組織細化，使得殘余奧氏體為薄膜狀，呈薄膜狀分布的殘余奧氏體尺寸細小且分散分布，在高應(yīng)力沖擊過程中，可能發(fā)生塑性變形使裂紋尖端的應(yīng)力松弛，還能有效阻止沖擊過程中疲勞裂紋的形成和擴展，對疲勞磨損時效起到推遲作用。所以薄膜狀的殘余奧氏體對材料的強度和韌性以及耐磨性都很有利；但當殘余奧氏體呈塊狀存在時，由于其熱力學(xué)和機械穩(wěn)定性差，在高應(yīng)力作用下，容易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，增加材料的脆性，會造成嚴重的剝落失效。同時，過多的塊狀殘余奧氏體還會降低鋼的硬度。因而塊狀的殘余奧氏體對材料的強度和韌性以及耐磨性都很不利。
在一般情況下，凝固組織中的塊狀殘余奧氏體是難以完全避免的。由于鑄鋼的凝固特點，鑄態(tài)結(jié)晶時的樹枝晶結(jié)構(gòu)造成的枝晶間和枝晶內(nèi)成分的不均勻，在枝晶間碳和合金元素含量較高，即使在熱處理過程中也不可能從根本上消除粗大的樹枝晶結(jié)構(gòu)以及晶間的偏析，因而在熱處理后的組織中常存在塊狀殘余奧氏體。通過在冶煉或和鑄造過程中加入合適的細化劑，在鑄鋼凝固前沿形成大量的、尺寸細小的高熔點化合物作為凝固的非自發(fā)核心以細化鑄鋼的晶粒是解決鑄鋼組織粗大、枝晶發(fā)達以及成分偏析的有效方法。
步驟二：對上述元素進行熱處理。
步驟三：復(fù)合變質(zhì)技術(shù)控制硼化物的形態(tài)以及分布，同時鋼液凈化處理去除合金熔體中的夾雜物以及有害氣體，其中復(fù)合變質(zhì)技術(shù)手段為epma或sem或xrd，鋼液凈化處理為采用電弧爐熔煉加爐外精煉技術(shù)去除步驟三中的有害氣體和非金屬夾雜物。
步驟四：攪拌混合后，再進行鎮(zhèn)靜，以形成合金成品，其鑄態(tài)硬度為20～35hrc，熱處理后硬度為46～56hrc，抗拉強度為600～1200mpa，沖擊韌性(u型缺口)>15j/cm2，斷裂韌度為60～75mpam1/2。其中，攪拌方法是采用吹氬攪拌法，取得高潔凈化，促進夾雜物的上浮分離和鋼包內(nèi)鋼水組成、溫度均勻化等冶金效果。由于改進了往鋼水中添加脫氧劑，即脫氧元素的方法，減輕了脫氧劑在空氣和熔渣中的損失，減少了氧化物系夾雜物的生成量。
上述無碳化物貝氏體耐磨合金中，成分為硅、硼、鋼、鐵以及合金元素，形成硼化物的復(fù)相組織，對上述元素進行熱處理之后，復(fù)合變質(zhì)技術(shù)控制硼化物的形態(tài)以及分布，同時鋼液凈化處理去除合金熔體中的夾雜物以及有害氣體，最后攪拌混合后，再進行鎮(zhèn)靜，以形成合金成品，如此無碳化物貝氏體耐磨合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，開發(fā)生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)成本低廉、強度和韌性高、淬透性和淬硬性好、適合于海洋工程機械用的新一代鋼鐵耐磨材料。
上述無碳化物貝氏體耐磨合金的生產(chǎn)工藝，需要用到的設(shè)備為：中頻感應(yīng)電爐，其可以熔化各種金屬材料，還配備了可以對鋼水進行凈化處理的吹氬凈化裝置；直讀光譜儀，其可以進行幾乎所有鋼種的化學(xué)成分的快速檢測，配備有23個檢測通道；萬能材料試驗機，其可以進行材料的拉伸、壓縮、彎曲性能的試驗；常溫沖擊韌性試驗機，其用于檢測材料的常溫沖擊韌性；低溫沖擊韌性試驗機，其用于檢測材料的低溫沖擊韌性，可以在-60℃的測試溫度下進行試驗；各種硬度計，其可以測量產(chǎn)品、試樣的宏觀硬度和顯維硬度；超聲波探傷儀、自動磁粉探傷儀，其用于對產(chǎn)品內(nèi)部和外在缺陷的檢驗，避免不合格產(chǎn)品出廠；光學(xué)金相顯微鏡以及鑄造金相圖像分析系統(tǒng)，其可以對材料的顯微組織及夾雜物進行定量分析。
無碳化物貝氏體耐磨合金替代普通耐磨材料，還可以明顯節(jié)省合金資源，減少礦產(chǎn)資源的開采，減輕環(huán)境污染，保護自然環(huán)境。
采用新型無碳化物貝氏體耐磨合金材料，用戶使用后可以明顯提高產(chǎn)品的使用壽命，延長備件更換周期，減輕工人勞動強度，提高設(shè)備作業(yè)率，減少產(chǎn)品的使用數(shù)量，減少耐磨材料消耗量，節(jié)省礦產(chǎn)資源，減少能源消耗，具有較好的社會和環(huán)境效益。
以上詳細說明僅為本發(fā)明之較佳實施例的說明，非因此局限本發(fā)明的專利范圍，所以，凡運用本創(chuàng)作說明書內(nèi)容所為的等效技術(shù)變化，均包含于本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。