CN102534404B - 超高锰钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高锰钢，由以下组分按重量百分比组成：碳（C）：0.8～1.0%；锰(Mn)：16～19%；硅(Si):0.3～0.6%；铬（Cr）:1.5～2.5%；磷（P）:小于等于0.04；硫（S）：小于等于0.04；其余为铁。其制备方法包括：首先选择原料；冶炼，保证成份合格后才出水，出水温度控制在1650oC进行浇注；造型，型造好后进行上涂料，再进行合箱、浇注；清砂：清理铸件毛刺，打磨检验；热处理，把清好砂的铸件堆放到高温热处理炉内放好，封好炉门，进行升温，温度升到1100oC后进行保温，保温6小时快速出炉入水淬火；再次清理表面以及产品进行验收、进库、堆放、分类入库。本发明的优点是：保证了超高锰钢的抗击性及耐磨性好，生产工艺更简单、生产成本低，具有良好的市场前景。
Description
【技术领域】
本发明涉及锰钢及其制备方法，具体地说是涉及一种超高锰钢及其制备方法。
【背景技术】
锰钢是一种高强度的抗锰钢，主要用于需要承受冲击、挤压、物料磨损等恶劣工况条件，破坏形式以磨损消耗为主，部分断裂、变形。磨损分为三种：金属构件表面间相互接触并运动的摩擦磨损；其它金属或非金属物料打击金属表面的磨料磨损和流动气体或液体与金属接触导致的冲蚀磨损。耐磨钢的耐磨性能取决于材料本身，而抗磨钢则在不同的工况条件下表现出不同的耐磨性，材料本身和工况条件两者才能决定其耐磨性能。铸造耐磨钢和抗磨钢以奥氏体锰钢为主，在一定的条件下经适当热处理的低合金钢也有很好的效果，石墨钢则用于润滑摩擦的工况条件。
耐磨高锰钢特别适用于冲击磨料磨损和高应力碾碎磨料磨损工况，常用于制造球磨机衬板，锤式破碎机锤头，颚式破碎机颚板，圆锥破碎机轧臼壁、破碎壁，挖掘机斗齿、斗壁，铁道道岔，拖拉机和坦克的履带板等抗冲击、抗磨损的铸件。高锰钢还用于：防弹钢板，保险箱钢板等。高锰钢是典型的抗磨钢，铸态组织为奥氏体加碳化物。经1000℃左右水淬处理后组织转变为单一的奥氏体或奥氏体加少量碳化物，韧性反而提高，因此称水韧处理。
水韧处理是一项技术性高、工艺及参数要求非常精确的工艺，水韧处理中的最高加热温度与高锰钢中的合金元素之间的比例息息相关。
由于现有高锰钢及合金钢抗冲击及耐磨性能不理想，导致其在使用过程中损耗较高，为了进一步提高高锰钢抗冲击及耐磨性，寻求适用于不同工矿下的新钢种，近年来各国的研究人员在高锰钢的合金元素的组成及配比上做出了一系列的研究。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题之一在于提供一种抗冲击及耐磨性好的超高锰钢。
本发明所要解决的技术问题之二在于上述超高锰钢的制备方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题之一的：一种超高锰钢，由以下组分按重量百分比组成：碳(C)：0.8～1.0％；锰(Mn)：16～19％；硅(Si)：0.3～0.6％；铬(Cr)：1.5～2.5％；磷(P)：小于等于0.04；硫(S)：小于等于0.04；其余为铁。
优选：碳(C)：0.85～0.98％；锰(Mn)：17～18％；硅(Si)：0.4～0.5％；铬(Cr)：1.8～2.2％；磷(P)：小于等于0.01；硫(S)：小于等于0.01；其余为铁。
最佳配比为：碳(C)：0.88％；锰(Mn)：17.5％；硅(Si)：0.45％；铬(Cr)：2％；磷(P)：0.005；硫(S)：0.005；其余为铁。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题之二的：一种超高锰钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：首先选择较好的废旧锰钢和废钢作为原料；
步骤2：冶炼，将上述废旧锰钢和废钢通过电炉镕成锰钢水，并加入合金元素进行成份调整，保证成份合格后才出水，出水温度控制在1650℃进行浇注，其成份控制在：
碳(C)：0.8～1.0％；锰(Mn)：16～19％；硅(Si)：0.3～0.6％；铬(Cr)：1.5～2.5％；磷(P)：小于等于0.04；硫(S)：小于等于0.04；其余为铁；
步骤3：造型，选择优质碱性材料砂作为造型砂，型造好后进行上涂料，再进行合箱、浇注，浇注温度控制在1500℃，保温时间为4小时；
步骤4：清砂，浇注完成后，根据铸件大小来控制清砂时间；
步骤5：清理铸件毛刺，打磨检验；
步骤6：热处理，把清好砂的铸件堆放到高温热处理炉内放好，封好炉门，进行升温，温度升到1100℃后进行保温，保温6小时；
步骤7：淬火，快速将铸件出炉，出炉温度控制在1000℃，浸入处于常温状态的水玻璃介质中对铸件局部要求高的部分进行间隙式淬火，间隙式淬火时间每次控制在50秒至1分钟之间，总时间控制在3～5分钟，然后对铸件进行整体淬火10～15分钟，淬火过程中铸件温度控制在900℃～980℃；
步骤8：再次清理表面以及产品进行验收、进库、堆放、分类入库。
所述步骤2中，优选：碳(C)：0.85～0.98％；锰(Mn)：17～18％；硅(Si)：0.4～0.5％；铬(Cr)：1.8～2.2％；磷(P)：小于等于0.01；硫(S)：小于等于0.01；其余为铁。
所述步骤2中，最佳成份配比为：碳(C)：0.88％；锰(Mn)：17.5％；硅(Si)：0.45％；铬(Cr)：2％；磷(P)：0.005；硫(S)：0.005；其余为铁。
所述步骤4中，40-60mm厚度在6小时开箱，80mm厚度以上8小时再开箱清砂。
所述步骤7中，淬火期间小铸件温度偏高控制在925℃～950℃，大铸件温度偏低控制在900℃～925℃。
本发明的优点是：
1、该超高锰钢中的各合金元素比例合理，特别是关键合金元素锰、碳的比例合理，保证了超高锰钢的抗冲击性及耐磨性；该锰钢屈服强度能达到418～435MPa，抗拉强度能达到793～823MPa，延伸率能达到38～46％，收缩率能达到37～40％，冲击韧度能达到213～245J，铸态硬度能达到236～260HB，加工强度能达到575～621HB。
2、该锰钢的各项性能能够用于用于结构较为复杂、要求以硬度为主的高冲击铸件，如破碎壁，挖掘机斗齿、斗壁，铁道道岔等，具有高硬度、高强度的特点。
3、完善了水韧处理工艺，特别是经过反复试验，给出了最佳的最高加热温度，该最高加热温度与各合金元素的比例之间的关系息息相关。
4、调整成份时的出水温度也是反复论证，得出的临界点温度。
5、本超高锰钢的合金元素中，不含贵重金属合金，并且在得到与现有的高锰钢相同或相近的抗冲击及耐磨性的前提下，该生产工艺更简单、生产成本低，因此具有良好的市场前景。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明超高锰钢是由以下组分按重量百分比组成：碳(C)：0.8～1.0％；锰(Mn)：16～19％；硅(Si)：0.3～0.6％；铬(Cr)：1.5～2.5％；磷(P)：小于等于0.04；硫(S)：小于等于0.04；其余为铁。
优选：碳(C)：0.85～0.98％；锰(Mn)：17～18％；硅(Si)：0.4～0.5％；铬(Cr)：1.8～2.2％；磷(P)：小于等于0.01；硫(S)：小于等于0.01；其余为铁。
最佳配比为：碳(C)：0.88％；锰(Mn)：17.5％；硅(Si)：0.45％；铬(Cr)：2％；磷(P)：0.005；硫(S)：0.005；其余为铁。
上述的超高锰钢的制备方法包括以下步骤：
步骤1：首先选择较好的废旧锰钢和废钢作为原料；
步骤2：冶炼，将上述废旧锰钢和废钢通过电炉镕成锰钢水，并加入合金元素进行成份调整，保证成份合格后才出水，出水温度控制在1650℃进行浇注，其成份控制在：
碳(C)：0.8～1.0％；锰(Mn)：16～19％；硅(Si)：0.3～0.6％；铬(Cr)：1.5～2.5％；磷(P)：小于等于0.04；硫(S)：小于等于0.04；其余为铁；
优选：碳(C)：0.85～0.98％；锰(Mn)：17～18％；硅(Si)：0.4～0.5％；铬(Cr)：1.8～2.2％；磷(P)：小于等于0.01；硫(S)：小于等于0.01；其余为铁；
最佳配比为：碳(C)：0.88％；锰(Mn)：17.5％；硅(Si)：0.45％；铬(Cr)：2％；磷(P)：0.005；硫(S)：0.005；其余为铁；
步骤3：造型，选择优质碱性材料砂作为造型砂，型造好后进行上涂料，再进行合箱、浇注，浇注温度控制在1500℃，保温时间为4小时；
步骤4：清砂，浇注完成后，根据铸件大小来控制清砂时间；
步骤5：清理铸件毛刺，打磨检验；
步骤6：热处理，把清好砂的铸件堆放到高温热处理炉内放好，封好炉门，进行升温，温度升到1100℃后进行保温，保温6小时；
步骤7：淬火，快速将铸件出炉，出炉温度控制在1000℃，浸入处于常温状态的水玻璃介质中对铸件局部要求高的部分进行间隙式淬火，间隙式淬火时间每次控制在50秒至1分钟之间，总时间控制在3～5分钟，然后对铸件进行整体淬火10～15分钟，淬火过程中铸件温度控制在900℃～980℃；其中，淬火期间小铸件温度偏高控制在925℃～950℃，大铸件温度偏低控制在900℃～925℃；
步骤8：再次清理表面以及产品进行验收、进库、堆放、分类入库。
上述步骤中，冶炼、造型、清砂、清理、热处理等生产过程与现有高锰钢生产类似，关键点是控制工艺的时间和温度。
本发明的超高锰钢与目前传统配方及生产工艺生产的高锰钢相比，具有优异的综合力学性能和使用性能，具体情况见下表所示：
| 指标(平均值) | 磨后硬度 | 冲击韧性(J/cm2) | 抗拉强度(N/mm2) | 使用寿命 |
| 传统高锰钢 | HV≤450 | ≥90 | ＞800 | ～6个月 |
| 传统中碳合金钢 | HV560～610 | ≥15 | ＞900 | ～9个月 |
| 本发明超高锰钢 | HV≥680 | ≥70 | ≥1000 | ～12个月 |
从上表中可以看出，本发明超高锰钢既具有一定的冲击韧性，又具有优良的磨后硬度，经实际使用表明，本发明超高锰钢的使用寿命较传统的高锰钢及中碳合金钢提高了50％～100％以上。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (5)
1.一种超高锰钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：首先选择较好的废旧锰钢和废钢作为原料；
步骤2：冶炼，将上述废旧锰钢和废钢通过电炉熔成锰钢水，并加入合金元素进行成份调整，保证成份合格后才出水，出水温度控制在1650℃进行浇注，其成份控制在：
碳（C）：0.8～1.0%；锰(Mn)：16～19%；硅(Si):0.3～0.6%；铬（Cr）:1.5～2.5%；磷（P）:小于等于0.04；硫（S）：小于等于0.04；其余为铁；
步骤3：造型，选择优质碱性材料砂作为造型砂，型造好后进行上涂料，再进行合箱、浇注，浇注温度控制在1500℃，保温时间为4小时；
步骤4：清砂，浇注完成后，根据铸件大小来控制清砂时间；
步骤5：清理铸件毛刺，打磨检验；
步骤6：热处理，把清好砂的铸件堆放到高温热处理炉内放好，封好炉门，进行升温，温度升到1100℃后进行保温，保温6小时；
步骤7：淬火，快速将铸件出炉，出炉温度控制在1000℃，浸入处于常温状态的水玻璃介质中对铸件局部要求高的部分进行间隙式淬火，间隙式淬火时间每次控制在50秒至1分钟之间，总时间控制在3～5分钟，然后对铸件进行整体淬火10～15分钟，淬火过程中铸件温度控制在900℃～980℃；
步骤8：再次清理表面以及产品进行验收、进库、堆放、分类入库。
2.如权利要求1所述的超高锰钢的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，优选：碳（C）：0.85～0.98%；锰(Mn)：17～18%；硅(Si):0.4～0.5%；铬（Cr）:1.8～2.2%；磷（P）:小于等于0.01；硫（S）：小于等于0.01；其余为铁。
3.如权利要求1所述的超高锰钢的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，最佳成份配比为：碳（C）：0.88%；锰(Mn)：17.5%；硅(Si):0.45%；铬（Cr）:2%；磷（P）:0.005；硫（S）：0.005；其余为铁。
4.如权利要求1所述的超高锰钢的制备方法，其特征在于：所述步骤4中，40-60mm厚度在6小时开箱，80mm厚度以上8小时再开箱清砂。
5.如权利要求1所述的超高锰钢的制备方法，其特征在于：淬火期间小铸件温度偏高控制在925℃～950℃，大铸件温度偏低控制在900℃～925℃。
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