[发明专利]一种搅拌摩擦焊搅拌头用高温耐磨钢及其制备方法

说明书

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。

技术领域

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

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(FrictionStir 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。

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。