一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢及其制备方法与流程

1.本发明属于搅拌摩擦焊技术领域，具体地，本发明涉及一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢(nano-ht500)及其制备方法。


背景技术：

2.随着我国交通运输、轨道车辆和航空航天业的迅速发展，镁、铝合金等轻质材料因价格低廉、密度低、比强度高、耐蚀性好等特点备受行业青睐。搅拌摩擦焊接(friction stir welding，fsw)是一种新型的固相连接技术，具有优质、节能、无污染等优点，在镁、铝等低熔点合金的焊接方面具有独特的优势。搅拌头是实现搅拌摩擦焊技术的关键工具，其选材性能不仅关系到搅拌头的使用寿命，还决定着fsw技术对于厚板的焊接能力，同时也是决定焊缝质量的关键。在焊接过程中，搅拌头直接与焊接工件接触，将承受600～700℃的高温、较强的循环载荷以及剧烈的高温摩擦作用。在这种严酷工况条件下，材料高温强度、高温磨损性能以及热稳定性的不足易使搅拌头出现严重变形、磨损加剧以及微结构退化等问题，缩短搅拌头的使用寿命，降低板材焊缝质量。
3.目前，在国内外主流的耐磨钢中，低合金耐磨钢因具备良好的综合力学性能兼备价格、加工、成型等方面优势，在高应力、高磨损服务场景中具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。国外典型低合金耐磨钢hardox系列马氏体耐磨钢采用高温淬火加低温回火的方式获得c的过饱和固溶体马氏体组织与少量残余奥氏体组织，因此材料在具备较好韧性的基础上能够达到很高的硬度，使材料获得较高的耐磨性。我国的耐磨钢设计同样采用了低碳低合金钢高温淬火加低温回火的设计思路，研制出了如nm450、nm500系列的国产低合金耐磨钢，并取得了较好的成绩。然而，传统低碳低合金耐磨钢经高温淬火和低温回火处理后获得的过饱和固溶体马氏体组织与残余奥氏体组织均处于热力学亚稳态，对温度极其敏感，当工况温度高于回火温度时，性能将快速衰减，因此传统低合金耐磨钢的组织、性能无法满足搅拌摩擦焊搅拌头的高温磨损工况。
4.现有镁、铝等低熔点合金搅拌摩擦焊搅拌头多用热作模具钢h13钢材制备，h13钢是世界范围内使用非常广泛的热作模具钢。虽然该材料合金度较高，但高温强度及热稳定性仍然不足，当环境温度大于600℃时，材料表现出高温强度快速急剧降低，因此亦难以满足搅拌头严酷的工况要求。


技术实现要素：

5.在焊接过程中，搅拌头直接与焊接工件接触，将承受600～700℃的高温、较强的循环载荷以及剧烈的高温摩擦作用。除此之外，随着工艺要求的不断提高，搅拌头的工况温度在不断提高，承受的载荷也在不断加重，在这种严酷工况条件下，如h13钢等的传统材料将因高温强度、高温磨损性能以及热稳定性的不足易使搅拌头出现严重变形、磨损加剧以及微结构退化等问题，缩短搅拌头的使用寿命，降低板材焊缝质量。
6.本发明的目的是克服上述现有技术存在的缺点，提供一种搅拌摩擦焊搅拌头用高
温耐磨钢及其制备方法。该方法制得的搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢热稳定性良好、高温强度相比h13钢提升1/3～1/2、高温耐磨损性能远优于h13钢。
7.传统提高钢铁材料高温强度、热稳定性与磨损性能的思路是提高合金度，认为材料基体中合金碳化物含量越高，材料越能获得出众的高温性能，然而盲目的合金化或提升合金度不仅会增加材料制备成本，还有可能加重合金元素偏析、促进第二相在高温条件下的沉淀与长大，破坏材料组织、性能的均匀性，降低材料的热稳定性。
8.本发明涉及一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢及其制备方法，是通过mo、v、nb等mc碳化物形成元素与c元素的合理配比，辅以材料制备工艺的合理搭配，针对性的大幅提升材料基体中热稳定性极高、分布呈弥散状态的纳米尺度mc型碳化物含量，利用mc型碳化物的热稳定性和对高温条件下位错的阻碍作用，提高材料的高温性能和高温使用寿命。
9.本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢，以解决上述背景技术中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢，其化学成分质量百分比为：c：0.25％～0.35％、mn：0.15％～0.8％、cr：0.5％～1.0％、mo：0.5％～1.5％、v：0.2％～0.75％、nb：0.01％～0.03％，s：≤0.03％，p：≤0.03％，余量为fe以及不可避免的杂质元素。
11.进一步，ω(mo)/ω(v)≥2且mo、v的质量百分比之和不小于1.5％。
12.进一步，经热处理后，其室温硬度≥44hrc；在室温下抗拉强度≥1350mpa，屈服强度≥1250mpa，延伸率≥13％，断面收缩率≥22％；在700℃下抗拉强度≥450mpa，屈服强度≥350mpa，延伸率≥18％，断面收缩率≥60％。
13.进一步，所述高温耐磨钢的显微组织包括平行的板条组织，板条宽度为0.2～1μm；板条结构边界上分布有球状纳米尺度mc型碳化物、条状纳米尺度m7c3型碳化物以及不规则形貌的m
23
c6型碳化物。
14.进一步，所述板条结构内部含有纳米尺度棒状碳化物，所述纳米尺度棒状碳化物为v、mo、nb的mc型纳米碳化物，具有nacl结构；所述纳米尺度棒状碳化物长度为10
±
5nm，横截面尺寸为2.5
±
1.25nm。
15.一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢的制备方法，用于制备上述搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢，包括以下步骤：
16.(1)真空熔炼：按照所需成分质量百分比配置原料，将原料放置电炉中经熔炼、精炼、真空脱气后浇铸成电极棒；
17.(2)电渣重熔：打磨电极棒表面，除去表面氧化后经电渣重熔获得电渣锭，电渣重熔期间采用硅铁粉脱氧；
18.(3)均质化处理工艺：电渣锭脱模后进行高温均质化处理，均质化处理温度为1200℃～1300℃，均质化时长2～20h；
19.(4)均质化处理后的钢锭以80-100℃/h的冷速随炉冷却至500℃以下出炉，或者均质化处理后的钢锭由均质化温度降温至相应轧制或锻造温度后进行锻造或轧制工艺；其中，所述锻造工艺或轧制工艺具体为
20.锻造工艺：锻造工艺为1100-1150℃保温1-6小时，始锻温度1050-1100℃，终锻温度≥880℃，可多次墩拔，锻比2-9，锻后转入450～650℃中温炉中保温1～6小时去应力，或埋砂处理；
21.轧制工艺：轧制工艺为1100～1150℃保温1-6小时，始轧温度1050-1100℃，终轧温度≥880℃，轧后转入450～650℃中温炉中保温1～6小时去应力，或埋砂处理；
22.(5)退火工艺：在炉温低于500℃温度入炉，以不大于150℃/h的加热速率加热到840～880℃后保温2～5小时，然后再以20-50℃/h的速率随炉冷却至500℃以下出炉空冷；
23.(6)探伤修正：上述步骤(5)所得退火工件需进行表面裂纹检查与探伤，并对检查、探伤出的裂纹进行修整打磨或截断去除；
24.(7)淬火工艺：将上述步骤(6)探伤修整后的工件装入高温淬火炉中加热到950～1050℃后保温1～5小时，保温完成后淬水，保温时长不小于15min+1min/mm
×
r mm或15min+1min/mm
×
1/2
×
h mm，r为材料半径，h为材料厚度；
25.(8)回火工艺：上述淬火材料在完成淬火工序后应立即回火，回火温度根据成品所需硬度不同，回火温度在500-650℃区间选取，可采用一次回火或二次回火，保温1.5-6小时。
26.进一步，若钢锭较小(小于等于50kg)或质量要求不高，真空熔炼钢锭可不进行电渣重熔工序，直接进行均质化处理工艺。
27.本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
28.本发明提供的一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢，包括以下质量百分比：c：(0.25～0.35)％、mn：(0.15～0.8)％、cr：(0.5～1.0)％、mo：(0.5～1.5)％、v：(0.2～0.75)％、nb：(0.01～0.03)％、s：(≤0.03)％、p：(≤0.03)％，余量为fe以及不可避免的杂质元素。在本发明钢中，ω(mo)/ω(v)≥2，同时，mo、v的质量百分比之和不小于1.7％。本发明通过添加适当配比与含量的mo、v、nb元素(mc型纳米碳化物形成元素)，促进发明钢基体中形成大量热稳定性极好、尺寸极小、分布弥散的mc型纳米碳化物，从而使本发明钢在高温条件下获得极高的高温强度、极好的抗摩擦磨损性能以及非常稳定的组织与性能。
29.本发明提供的一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢，其淬火温度不低于950℃其目的是保证钢基体中固溶合金元素的含量，提升基体热稳定性的同时提高回火阶段纳米尺度碳化物析出量；同时材料的淬火温度不高于1050℃，其目的是保证材料最终的晶粒保持在较小的尺寸。
附图说明
30.图1为本发明中一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢的制备工艺流程图；
31.图2为本发明中一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢与对比材料nm500、h13钢室温拉伸曲线对比图；
32.图3为本发明中一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢与对比材料nm500、h13钢700℃高温拉伸曲线对比图；
33.图4为本发明中一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢经980℃淬火625℃回火后基体中细小弥散分布的纳米相；
34.图5为本发明中一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢经700℃高温拉伸后基体中纳米相形态与分布；
35.图6为本发明中一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢经700℃高温保温20小时后基体中纳米相形态与分布；
36.图7为h13钢700℃拉伸前后显微组织对比。
具体实施方式
37.实施例对比材料选取传统耐磨材料nm500钢以及传统热作模具钢h13钢，对比材料典型成分如下表所示。
38.表1对比钢典型化学成分(重量百分比，wt％)
39.牌号ccrnimovsimnbnm5000.401.000.50.5
‑‑
0.251.20.005h130.405.00
‑‑
1.501.001.000.30
‑‑
40.实施例1
41.(1)真空熔炼：本实施例中采用的化学成分及其含量如下表所示，按如下合金元素配比进行熔炼200kg，并浇注成φ90(单位为mm，以下同)的电极棒；
42.表2本实施例1中发明钢化学成分
43.合金元素cmncrmovnb质量分数(wt.％)0.250.150.51.20.30.015
44.(2)电渣重熔：浇铸所得的电极棒经打磨表面除去表面氧化后经电渣重熔获得电渣锭，电渣重熔期间采用硅铁粉脱氧，获得φ220钢锭；
45.(3)均质化处理：电渣锭脱模后进行高温均质化处理，均质化处理温度为1200℃，均质化时长6h；
46.(4)均质化处理后的钢锭可以80℃/h的冷速随炉冷却至1150℃；
47.(5)锻造及锻后去应力：钢锭经1150℃保温1小时后进行锻造，第一次开坯至φ100～120，1150℃回炉保温15分钟后第二次锻至φ50～55，锻后转入500℃中温炉中保温4小时去应力；
48.(6)退火：去应力后，将锻坯在炉温低于500℃温度入炉，以不大于150℃/h的加热速率加热到850℃后保温2小时，然后再以30℃/h的速率随炉冷却至500℃以下出炉空冷；
49.(6)探伤及表面缺陷修整：锻后去应力锻坯经检查与探伤仅发现少量锻打折皮，角磨机打磨去除即可；
50.(7)淬火：将探伤修整后的锻坯装入高温淬火炉中加热到980℃保温1小时后淬水；
51.(8)回火：完成淬火工序后棒材立即回火，回火温度为200-625℃之间的若干温度，回火保温时长2小时。
52.实施例2
53.(1)真空熔炼：本实施例中采用的化学成分及其含量如下表所示，按如下合金元素配比进行熔炼，最终浇注获得小头φ80、大头φ155的45kg炮弹型钢锭；
54.表3本实施例2中发明钢化学成分
55.合金元素cmncrmovnb质量分数(wt.％)0.320.31.01.50.60.03
56.(2)均质化处理：将熔炼浇注所得的钢锭进行高温均质化处理，均质化处理温度为1280℃，均质化时长2h；
57.(3)均质化处理后的钢锭以80℃/h的冷速随炉冷却至1150℃；
58.(4)锻造及锻后去应力：经1150℃保温1小时后进行锻造，一火将炮弹锭型锻至φ30～35钢棒，锻后转入500℃中温炉中保温4小时去应力；
59.(5)退火：去应力后，将锻坯在炉温低于500℃温度入炉，以不大于150℃/h的加热速率加热到850℃后保温2小时，然后再以30℃/h的速率随炉冷却至500℃以下出炉空冷；
60.(6)锻后去应力锻坯经检查与探伤后未出现裂纹与折皮，无需处理可直接进行淬火；
61.(7)将锻坯装入高温淬火炉中加热到980℃保温1小时后淬水；
62.(8)完成淬火工序后棒材立即回火，回火温度为200-625℃之间的若干温度，回火保温时长2.5小时。
63.表4发明钢与对比钢在980℃淬火不同温度回火2.5小时后的硬度
[0064][0065][0066]
表5对比钢与发明钢的室温强度与高温强度对比
[0067][0068]
注：表5中本发明钢最终热处理制度：980℃淬火625℃回火；
[0069]
nm500钢最终热处理制度：980℃淬火200℃回火；
[0070]
h13钢最终热处理制度：1020℃淬火580℃回火。
[0071]
本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
[0072]
以上所述是本发明的部分实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范
围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢，其特征在于，其化学成分质量百分比为：c：0.25％～0.35％、mn：0.15％～0.8％、cr：0.5％～1.0％、mo：0.5％～1.5％、v：0.2％～0.75％、nb：0.01％～0.03％，s：≤0.03％，p：≤0.03％，余量为fe以及不可避免的杂质元素。2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢，其特征在于，ω(mo)/ω(v)≥2且mo、v的质量百分比之和不小于1.5％。3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢，其特征在于，经热处理后，其室温硬度≥44hrc；在室温下抗拉强度≥1350mpa，屈服强度≥1250mpa，延伸率≥13％，断面收缩率≥22％；在700℃下抗拉强度≥450mpa，屈服强度≥350mpa，延伸率≥18％，断面收缩率≥60％。4.根据权利要求3所述的搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢，其特征在于，所述高温耐磨钢的显微组织包括平行的板条组织，板条宽度为0.2～1μm；板条结构边界上分布有球状纳米尺度mc型碳化物、条状纳米尺度m7c3型碳化物以及不规则形貌的m
23
c6型碳化物。5.根据权利要求4所述的搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢，其特征在于，所述板条结构内部含有纳米尺度棒状碳化物，所述纳米尺度棒状碳化物为v、mo、nb的mc型纳米碳化物，具有nacl结构；所述纳米尺度棒状碳化物长度为10
±
5nm，横截面尺寸为2.5
±
1.25nm。6.一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-5任一项所述的搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢，包括以下步骤：(1)真空熔炼：按照所需成分质量百分比配置原料，将原料放置电炉中经熔炼、精炼、真空脱气后浇铸成电极棒；(2)电渣重熔：打磨电极棒表面，除去表面氧化后经电渣重熔获得电渣锭，电渣重熔期间采用硅铁粉脱氧；(3)均质化处理工艺：电渣锭脱模后进行高温均质化处理，均质化处理温度为1200℃～1300℃，均质化时长2～20h；(4)均质化处理后的钢锭以80-100℃/h的冷速随炉冷却至500℃以下出炉，或者均质化处理后的钢锭由均质化温度降温至相应轧制或锻造温度后进行锻造或轧制工艺；其中，所述锻造工艺或轧制工艺具体为锻造工艺：锻造工艺为1100-1150℃保温1-6小时，始锻温度1050-1100℃，终锻温度≥880℃，可多次墩拔，锻比2-9，锻后转入450～650℃中温炉中保温1～6小时去应力，或埋砂处理；轧制工艺：轧制工艺为1100～1150℃保温1-6小时，始轧温度1050-1100℃，终轧温度≥880℃，轧后转入450～650℃中温炉中保温1～6小时去应力，或埋砂处理；(5)退火工艺：在炉温低于500℃温度入炉，以不大于150℃/h的加热速率加热到840～880℃后保温2～5小时，然后再以20-50℃/h的速率随炉冷却至500℃以下出炉空冷；(6)探伤修正：上述步骤(5)所得退火工件需进行表面裂纹检查与探伤，并对检查、探伤出的裂纹进行修整打磨或截断去除；(7)淬火工艺：将上述步骤(6)探伤修整后的工件装入高温淬火炉中加热到950～1050℃后保温1～5小时，保温完成后淬水，保温时长不小于15min+1min/mm
×
r mm或15min+1min/mm
×
1/2
×
h mm，r为材料半径，h为材料厚度；
(8)回火工艺：上述淬火材料在完成淬火工序后应立即回火，回火温度根据成品所需硬度不同，回火温度在500-650℃区间选取，可采用一次回火或二次回火，保温1.5-6小时。7.根据权利要求6所述的搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢的制备方法，其特征在于，若钢锭较小(小于等于50kg)或质量要求不高，真空熔炼钢锭可不进行电渣重熔工序，直接进行均质化处理工艺。

技术总结
本发明公开了一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢及其制备方法，其化学成分质量百分比为：C：0.25％～0.35％、Mn：0.15％～0.8％、Cr：0.5％～1.0％、Mo：0.5％～1.5％、V：0.2％～0.75％、Nb：0.01％～0.03％，S：≤0.03％，P：≤0.03％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。本发明通过添加适当配比与含量的Mo、V、Nb元素(MC型纳米碳化物形成元素)，促进钢基体中形成大量热稳定性极好、尺寸极小、分布弥散的MC型纳米碳化物，从而使制备的高温耐磨钢在高温条件下获得极高的高温强度、极好的抗摩擦磨损性能以及非常稳定的组织与性能。能以及非常稳定的组织与性能。能以及非常稳定的组织与性能。


技术研发人员：张尊君 余贵珍 郑淼
受保护的技术使用者：北京壹零方舟科技合伙企业(有限合伙)
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/18