CN101191180A

CN101191180A - 超高性能耐磨高锰钢及其生产方法

Info

Publication number: CN101191180A
Application number: CNA2006101343606A
Authority: CN
Inventors: 张东海
Original assignee: Angang Group Mining Co Ltd
Current assignee: Angang Group Mining Co Ltd
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2026-11-21
Also published as: CN100540711C

Abstract

本发明提供一种超高性能耐磨高锰钢及其生产方法。其化学成分为C：1.00％～1.50％、Mn：10.5％～20.0％、Si：0.30％～0.80％、Cr：1.3％～2.8％、S≤0.040％、P≤0.070％、Ti：0.06％～0.20％、V：0.10％～0.40％、B：0.002％～0.010、Mg：0.06％～0.3％、RE：0.08％～0.4％、N：0.05％～0.2％，余量为铁。生产方法：当钢水温度达到1500～1550℃，还原后5分钟加入氮和钙，出钢前10分钟插铝加入2～5kg/t钒和4～10kg/t钛，出钢1/3时罐中加入2～6kg/t稀土镁，出钢1/2时罐中加入1～4kg/t稀土硅，出钢2/3时罐中加入0.1～0.3kg/t硼，钢水的浇注温度控制在1430～1460℃。本发明采用新的合金化工艺过程，提高了高锰钢的耐磨性能和综合机械性能。

Description

超高性能耐磨高锰钢及其生产方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，尤其涉及铸造行业耐磨件用钢及其生产方法。

背景技术

目前，人们所公知的耐磨高锰钢，大多是在现有普通高锰钢的基础上加入一些常用的合金元素来提高其耐磨性能，以提高高锰钢耐磨件的使用寿命。但其结果往往是：有些耐磨件的硬度提高了，可韧性却很低，易裂，无法保证其使用寿命；有些耐磨件韧性提高了，可硬度却很低，易磨损，也无法保证其使用寿命。总之，其综合机械性能变化不大，耐磨性能和使用寿命并不高。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种能克服现有耐磨高锰钢耐磨性能低下，提高其综合机械性能的超高性能耐磨高锰钢及其生产方法。

本发明超高性能耐磨高锰钢的化学成分为(按重量百分比计)C：1.00％～1.50％(优选为1.2％～1.25％)、Mn：10.5％～20.0％(优选为11％～14％)、Si：0.30％～0.80％(优选为0.40％～0.60％)、Cr：1.3％～2.8％(优选为1.5％～2.0％)、S≤0.040％、P≤0.070％、Ti：0.06％～0.20％(优选为0.08％～0.12％)、V：0.10％～0.40％(优选为0.15％～0.25％)、B：0.002％～0.010(优选为0.003％～0.006％，最佳0.005％)、Mg：0.06％～0.3％(优选为0.08％～0.15％)、RE：0.08％～0.4％(优选为0.1％～0.15％)、N：0.05％～0.2％(优选为0.08％～0.1％)，余量为铁。

本发明所述超高性能耐磨高锰钢的生产方法包括冶炼过程，其特点是：当钢水温度达到1500～1550℃，还原后5分钟加入氮和钙，出钢前10分钟插铝0.6～1kg/t加入钒和钛，加入量分别为2～5kg/t和4～10kg/t，出钢1/3时在罐中加入2～6kg/t稀土镁，出钢1/2时在罐中加入稀土硅1～4kg/t，出钢2/3时在罐中加入0.1～0.3kg/t硼，钢水的浇注温度控制在1430～1460℃。

本发明采用了新的合金化工艺过程，大大提高了普通高锰钢的耐磨性能和综合机械性能，而且生产工艺简单、操作方便，生产成本低，经济效益高，便于推广应用。

本发明钢种的成分和工艺设计理由：

碳：用来获得超高强度及硬度。高锰钢中碳决定耐磨性高低，当碳1.5％时，试样在冲击摩擦550小时以后，磨损0.3％；当碳1.0％时，试样在冲击摩擦550小时以后，磨损0.7％；当碳1.2％～1.3％时，试样在冲击摩擦550小时以后，磨损0.4％～0.5％；壁厚≥100时，韧性下降严重，易产生裂纹，每增加0.1％的碳，要降低ak值：40J/cm²，所以耐磨件的碳控制在1.2％～1.25％最佳，即综合机械性能最高(碳1.3％时铸态ak值近乎于0)。碳化物析出温度960℃，但水韧处理后碳1.3％，ak值≥120J/cm²。碳量增高扩大结晶间隔，使结晶组织粗大，使奥氏体中析出的碳化物也粗大且集中。碳高时应提高水韧处理温度或延长保温时间来充分均匀地固溶碳化物溶解碳化物。

锰：锰是稳定奥氏体的主要元素，也是增强淬透性元素，对F体有强化作用。高锰钢中锰含量11％增至14％时，钢的屈服强度并不受到影响，而能逐渐增强抗拉强度及延伸性。当锰增至15％时，已不在显著提高机械性能，反而会引起钢的收缩量增大，易产生缩孔和裂纹。(Mn/C)＞10可避免冷却时产生珠光体转变，保证奥氏体韧性。(Mn/C)＜10时可提高耐磨性。因此锰碳比＝10可提高得到较好的综合机械性能。防止开裂C％＝1.25～2.5(P)％降碳量。

硅：在低合金超高强度钢中显示出突出重要的做用，硅将回火温度提高后不仅得到共析ε-碳化物沉淀强化，而且由于应力消除，对韧性、抗H脆和应力腐蚀开裂、疲劳等性能非常有力。但硅对碳化物析出有促进做用，并有利于共析转变。硅＞0.8时将会使碳化物开始粗大，硅＞2.2碳化物急剧粗大并过量析出，固溶处理时晶粒粗大，导致韧性降低，硅0.5％最佳。

磷：磷的有害作用主要在于恶化高锰钢的力学性能、抗磨性能和铸造工艺性能。磷在奥氏体中溶解度很小，1005℃形成Fe+Fe₃P二元磷共晶；950℃形成Fe+Fe₃C+Fe₃P三元磷共晶。磷共晶使高锰钢性能(强度、朔性、韧性)下降。磷超过0.04％朔性抗拉强度急剧下降，越低越好。

硫：高温易脆，控制范围≤0.030，越低越好。

铬：主要提高淬透性，稍提高硬度、提高奥氏体屈服强度，提高耐磨性对抗腐蚀有益但降低韧性。但它易生成夹杂物，使钢液变绸，降低流动性，增加体收缩量，增大缩孔倾向，减小导热性，增大缩孔倾向。铬≥1.5％开始降低韧性，1.5％～2.0％综合机械性能最高。

Al：脱氧能力强，细化组织。但含量过高形成晶界脆化和热裂降低韧性，磷含量＜0.07％，铝加入量0.08％；钢中残留量0.035％～0.045％。铝加入量Al＞0.15％会使晶粒粗大耐磨性降低。但铝加入量Al＜0.15％脱氧良好，钢中利于提高抗裂能力和冲击韧性，应在罐中加入。

氮：在高锰钢中可形成氮化物，如TiN、VN等耐磨硬质点。其含量在0.08％～0.1％范围效果较好。

钒：提高淬透性，溶入F体中有强化作用，形成稳定的碳化物，细化晶粒，特别与钛结合可提高加工硬化性能和耐磨性。其含量控制在0.15％～0.25％效果较好。

钛：是强烈碳化物形成元素，细化晶粒，可消除柱状晶，形成硬质点(TiC、TiN)，提高耐磨性，钛加入量在0.08％～0.12％时比不含钛的钢可明显提高耐磨性，但在0.4％时可明显脆化降低耐磨性。稀土：主要作用是：1)净化钢液(与[S]、[O]、[H]、[N])，改善高锰钢的冶金质量(降低钢中[MO])；2)改善一次结晶(阻碍晶粒长大)，碳化物形成元素，优化高锰钢组织；3)改善高锰钢铸造性能(减少碳化物析出，提高朔性，降低铸造应力；4)提高高锰钢的力学性能(提高硬度、提高屈服强度及冲击韧性)；5)促进加工硬化，改善高锰钢耐磨性。其含量优选为0.3％～0.5％。

镁：镁是一种孕育剂，能降低钢液的过冷倾向，可细化晶粒，使碳化物团絮化，从而，提高钢的韧性及耐磨性。优选为0.8％～0.15％。

硼：是表面活性元素，主要存在晶体缺陷处，富集在奥氏体晶界处。硼可细化晶粒，钢中加入0.003％～0.006％可消除柱状晶，它能提高钢的密度，对晶界起强化作用，但用量过多会降低钢的强度和朔性。

钙：它是一种孕育剂，能降低钢液的过冷倾向，可细化晶粒，使碳化物团絮化，从而，提高钢的韧性及耐磨性。它又是一种强烈的脱氧剂，可脱硫，可净化钢水。其加入量在0.2％～0.6％为好。

具体实施方式

实施例1

本发明实施例1以生产超高性能耐磨高锰钢球磨机衬板用钢(10吨钢水)为例，该钢种的化学成分为(重量百分比)C：1.23％、Mn：12.65％、Si：0.56％、Cr：1.58％、S：0.018％、P：0.043％、Ti：0.11％、V：0.14％、B：0.005％、Mg：0.09％、RE：0.15％、N：0.09％，余量为铁。

该钢种的生产方法包括，采用常规钢种的元素配比和本发明特有的合金化工艺。当钢水温度达到1500～1550℃，还原后5分钟加入200kg氮化锰铁和40kg硅钙；在出钢前10分钟插铝0.6～1kg/t加入钒铁30kg(含钒50％，收得率95％)，加入钛铁70kg(含钛30％收得率50％)；出钢至1/3时在罐中加入稀土镁30kg(含稀土32％，收得率90％～95％，含镁30％，收得率90％～95％)，加入稀土硅20kg(含稀土36％，收得率90％～95％)；出钢至2/3时在罐中加入2kg硼铁(含硼20％，收得率90％)；浇注温度控制在1430～1460℃。

该实施例钢种的力学性能如下：

硬度HB：铸态：205 淬火水韧态：241 回火态：229；

冲击韧性Ak/J：回火态：205J；

晶粒度：5～6级(原球磨机衬板晶粒度1级)；

碳化物：X3级。

经试验，采用本发明钢种生产的球磨机衬板的使用寿命由原来历史最高水平的2000小时左右提高到了5000小时，其使用寿命提高了150％。

实施例2

本发明实施例2以生产超高性能耐磨高锰钢圆锥破碎机衬板用钢(10吨钢水)为例，该钢种的化学成分为(重量百分比)C：1.20％、Mn：12.95％、Si：0.51％、Cr：1.68％、S：0.019％、P：0.045％、Ti：0.12％、V：0.17％、B：0.0045％、Mg：0.085％、RE：0.14％、N：0.08％，余量为铁。

该钢种的生产方法包括，采用常规钢种的元素配比和本发明特有的合金化工艺。当钢水温度达到1500～1550℃，还原后5分钟加入200kg氮化锰铁和40kg硅钙；在出钢前10分钟插铝0.6～1kg/t加入钒铁30kg(含钒50％，收得率95％)，加入钛铁75kg(含钛30％收得率50％)；出钢至1/3时在罐中加入稀土镁30kg(含稀土32％，收得率90％～95％，含镁30％，收得率90％～95％)，加入稀土硅20kg(含稀土36％，收得率90％～95％)；出钢至2/3时在罐中加入2kg硼铁(含硼20％，收得率90％)；浇注温度控制在1430～1460℃。

该实施例钢种的力学性能如下：

硬度HB：铸态：195 淬火水韧态：231 回火态：225；

冲击韧性Ak/J：回火态：201J；

晶粒度：7～8级(原破碎机衬板晶粒度1级)；

碳化物：X2级。

经试验，采用本发明钢种生产的破碎机衬板的使用寿命超过了原来国外原装破碎机衬板530小时左右的最高记录，达到590小时。

Claims

1.一种超高性能耐磨高锰钢，其特征在于钢水的化学成分为(按重量百分比计)C：1.00％～1.50％、Mn：10.5％～20.0％、Si：0.30％～0.80％、Cr：1.3％～2.8％、S≤0.040％、P≤0.070％、Ti：0.06％～0.20％、V：0.10％～0.40％、B：0.002％～0.010、Mg：0.06％～0.3％、RE：0.08％～0.4％、N：0.05％～0.2％，余量为铁。

2.根据权利要求1所述的超高性能耐磨高锰钢的化学成分优选为(重量百分比)C：1.2％～1.25％、Mn：11％～14％、Si：0.40％～0.60％，最佳0.5％、Cr：1.5％～2.0％、Ti：0.08％～0.12％、V：0.15％～0.25％、B：0.003％～0.006％，最佳0.005％、Mg：0.08％～0.15％、RE：0.1％～0.15％、N：0.08％～0.1％。

3.一种权利要求1所述超高性能耐磨高锰钢的生产方法，包括冶炼过程，其特征在于当钢水温度达到1500～1550℃，还原后5分钟加入氮和钙，出钢前10分钟插铝0.6～1kg/加入钒和钛，加入量分别为2～5kg/t和4～10kg/t，出钢1/3时在罐中加入2～6kg/t稀土镁，出钢1/2时在罐中加入稀土硅1～4kg/t，出钢2/3时在罐中加入0.1～0.3kg/t硼，钢水的浇注温度为1430～1460℃。