CN102242314A - 一种多元合金强韧化、耐磨中锰钢及制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多元合金强韧化、耐磨中锰钢及制备工艺，其组成质量百分比为：C 0.9～1.3Mn8～10 Si 0.2～0.6 Cr 1.0～2.5 W 0.5～2.0 V 0.1～0.5 Ti 0.1～0.3 Re≤0.15 B≤0.01 S≤0.04P≤0.07，其余为Fe，采用稀土硅铁合金、钛铁合金和钒铁合金的复合变质剂进行处理，通过对熔炼、消失模负压成型、水韧处理、回火等工艺过程和参数控制，制备的电铲斗齿、半自磨机衬板、输送机刮板等耐磨钢件，使用寿命比高锰钢提高2倍以上。

Description

一种多元合金强韧化、耐磨中锰钢及制备工艺

技术领域：

本发明涉及耐磨金属材料领域，尤其是一种多元合金强韧化、耐磨中锰钢及其制备工艺，适用于中高冲击载荷下，工程机械和矿山机械中的电铲斗齿、铲刃板、破碎机齿板、半自磨机衬板、输送机刮板等制造。

背景技术：

1882年英国人Hadfield发明了奥氏体高锰钢后，这种钢作为金属耐磨材料已广泛用于矿石破碎、选煤、水泥生产与电力等行业。在强烈冲击载荷及高挤压应力下(通常冲击功大于5J/cm²)，高锰钢工件表面可实现α马氏体相变而得到充分强化，显微硬度由HV250提高到约HV700，而工件内部仍保持优良韧性，其耐磨性与HRC50的马氏体相当。

高锰钢的加工硬化机理有位错堆积与形变诱发相变两种理论，近年来的研究更多支持了位错堆积理论，比较符合实际的解释是由冲击造成位错-堆垛层错-ε马氏体-α马氏体的强化作用或位错、形变马氏体、形变挛晶和弥散出的微碳化物等综合作用所致。矿山机械磨损件通常使用时的冲击功小于3.5J/cm²，其实际服役条件提供的冲击能量满足不了高锰钢的加工硬化要求，这时高锰钢的耐磨性不如其它类耐磨钢好。例如：球磨机衬板在磨损失效时，测定表面的硬度仅为HB300左右，与它未使用时的硬度(HB200)相比，其强化系数只有1.5。另外，即使在较高的冲击载荷下，如果破碎的矿石较软，其耐磨性也较差。如锤式破碎机的锤头，破碎含有泥沙的较软矿石时，锤头表层加工硬化只有240～300HB，锤头寿命较短。为了提高锰钢在中等冲击载荷下的加工硬化能力，研究通过微合金化以提高其强韧性和耐磨性能。如加入多元微量元素Cr、V、B、Cu、Ni、Al等，进一步提高奥氏体的固溶强化效果，以提高其强韧性。加入碳化物形成元素Mo、W、V、Nb、Ti等，使其在奥氏体基体上弥散析出类球状碳化物，以实现第二相硬质粒子。经应用考核，微合金化的高锰钢机械性能有较大幅度提高，但耐磨寿命却没有显著改善，原因在于微合金化虽然提高了高锰钢的常规力学性能，但并没有改变高锰钢的强化机制，致使其加工硬化力度没有显著提高。

发明主要内容：

针对现有高锰钢在应用领域存在的问题，本发明涉及一种多元合金强韧化、耐磨中锰钢及制备工艺，该材料在中高冲击载荷下实现应变诱发α马氏体相变和位错堆积的强化机制，其表层的强化系数高。以先进的消失模负压工艺进行生产，同时实现对熔炼温度、浇注温度、负压度、水韧温度、回火温度等工艺参数控制，获得强韧性、高耐磨的抗冲击疲劳钢件。

技术方案：多元合金强韧化、耐磨中锰钢及制备工艺，其化学成分和组成质量百分比为：C 0.9～1.3 Mn 8～10 Si 0.2～0.6 Cr 1.0～2.5 W 0.5～2.0 V 0.1～0.5 Ti 0.1～0.3 Re≤0.15 B≤0.01 S≤0.04 P≤0.07，其余为Fe。复合变质剂为稀土硅铁合金、钒铁合金、钛铁合金，其组成百分比为：Re 5～10 Si 10～15 Ti 10～20 V 10～20，其余为Fe。

在多元合金强韧化、耐磨中锰钢中：碳和锰固溶于γ-Fe中，是影响耐磨钢奥氏体稳定性并获得所需力学性能最显著元素。通过碳和锰的匹配关系，降低奥氏体的稳定性，提高中等冲击载荷作用下的加工硬化速率和比例。加入Cr、W、B等合金元素，在晶体结构中形成弥散分布的第二相粒子，减少碳化物的析出，改变碳化物的形态和分布，提高了加工硬化效果和屈服强度。以V、Ti、稀土同时对锰钢变质处理，可细化晶粒，消除柱状晶，在不降低塑性条件下提高其屈服强度。同时能有效地减少夹杂物，净化奥氏体晶界，并能使夹杂物分散均匀和球化。

具体实施方式：

1半自磨机衬板等对冲击韧性要求较高，衬板使用中主要以疲劳磨损、疲劳断裂、磨粒磨损失效为主，对材料表面硬度及材料强化速率要求较高，材料组成质量百分比为：C 1.05Mn 9.5 Si 0.3 Cr 1.5 W 1.2V 0.15 Ti 0.15 Re≤0.10 B≤0.005 S≤0.04 P≤0.05，其余为Fe。熔炼在500Kg中频感应电炉中进行，碱性炉衬，分步加入铬铁、钨铁、锰铁、硅铁及各种合金元素，熔炼温度为1560～1600℃。复合变质剂分断成10×10mm左右的小块并需烘烤至300℃，置入浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理。

出炉温度约为1450～1530℃。熔化金属出完炉后立即搅拌，快速扒净熔渣，然后用珍珠岩覆盖表面。镇静3～5分钟后，以1400℃～1430℃将熔化金属浇注到抽真空状态下EPS模具中，并充满EPS模具热解消失后的空间而获得钢件，浇注后维持负压真空度为0.03MPa，并保持5～10min。

浇铸的基尔试样空冷至室温开箱，钢件经清理和打磨后将进入水韧处理工序。用高温电炉加热到1130±10℃，在40秒以内，进入50～70℃循环水槽内进行水韧处理。随后加热到290℃保温2小时，出炉空冷。

加工成拉伸试样、不带缺口的冲击试样、冲击磨粒磨损试样各5块。其性能测试结果为：σ_b＝615MPa，δ＝8.5％，ψ＝19.0％，Ak＝130J/cm²，HB＝295。耐磨钢在1.0～4.0J/cm²冲击疲劳磨料磨损4000次的条件下，产生应变诱发马氏体相变比例大于32％，同时还形成高密度位错，得到较高程度的强化性能。在半自磨机衬板上使用寿命比铸钢锰13提高约2.6倍。

Claims (4)

1.多元合金强韧化、耐磨中锰钢，其特征在于该合金钢组成质量百分比为：C 0.9～1.3Mn8～11 Si 0.2～0.6 Cr 1.0～2.5 W 0.5～2.0V 0.1～0.5 Ti 0.1～0.3 Re≤0.15 B≤0.01 S≤0.04P≤0.07，其余为Fe。

2.多元合金强韧化、耐磨中锰钢，其特征在于采用复合变质剂处理，复合变质剂为稀土硅铁、钛铁合金、钒铁合金，其组成百分比为：Re 5～10 Si 10～15 Ti 10～20 V 10～20，其余为Fe。

3.根据权利1、2的要求，分步加入铬铁、钨铁、锰铁、硅铁及各种合金元素，熔炼温度为1560～1600℃，出炉温度为1450～1530℃，将复合变质剂采用包底冲入法加入，以1400～1430温度浇注成型。

4.根据权利1、2的要求，其热处理工艺包括用高温电炉加热到1130±10℃，在40秒以内，进入50～70℃循环水槽内进行水韧处理，随后加热至250～300℃，保温2小时，出炉空冷。