CN102888564A - 一种超高锰钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高锰钢，包括：1.0wt%~1.5wt%的C；6.5wt%~18.5wt%的Mn；0.4wt%~0.6wt%的Si；1.0wt%~2.5wt%的Cr；0.1wt%~0.5wt%的Mo；0.15wt%~0.3wt%的V；0wt%~0.005wt%的B；0.1wt%~0.3wt%的Ti；余量为Fe。本发明还提出了一种超高锰钢的制备方法。本发明提供的超高锰钢中，提高了合金元素Mn的含量，同时添加了Cr、Mo、V、B、Ti等合金元素，提高了超高锰钢的强度、硬度、冲击韧性和耐磨性。

Description

一种超高锰钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，尤其是涉及了一种超高锰钢及其制备方法。

背景技术

高锰钢是一种高强度的钢材，主要用于需要承受冲击、挤压、物料磨损等恶劣工况的应用场合。高锰钢在强烈的冲击、挤压条件下，表层迅速发生加工硬化现象而具有良好的耐磨性能，适用于冲击和高应力磨料磨损工况，例如，应用在破碎设备、挖掘设备等工程机械的抗冲击和抗磨损的场合。

随着高强耐磨材料的发展，在高锰钢的基础上通过提高锰的含量得到性能更加优越的超高锰钢。与高锰钢相比，超高锰钢的初始硬度比高锰钢高，两者钢的冲击韧性相差无几，但是超高锰钢不会出现早期断裂现象；另外，超高锰钢比高锰钢的性价比高，超高锰钢的使用寿命是高锰钢的2倍左右。因此，超高锰钢的发展和应用趋势越来越受关注。

因此，如何对超高锰钢的成本和含量进行设计，并研究相应的热处理工艺，以提高超高锰钢的强度、硬度、冲击韧性和耐磨性，更好地应用在工程机械中，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种超高锰钢及其制备方法，该方法制备的超高锰钢具有较高的强度、硬度、冲击韧性和耐磨性。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种超高锰钢，包括：

1.0wt%~1.5wt%的C；

16.5wt%~18.5wt%的Mn；

0.4wt%~0.6wt%的Si；

1.0wt%~2.5wt%的Cr；

0.1wt%~0.5wt%的Mo；

0.15wt%~0.3wt%的V；

0wt%~0.005wt%的B；

0.1wt%~0.3wt%的Ti；

余量为Fe。

优选地，所述C的含量为1.15wt%~1.34wt%。

优选地，所述Mn的含量为16.90wt%~18.41wt%。

优选地，所述Si的含量为0.44wt%~0.52wt%。

优选地，所述Cr的含量为1.45wt%~2.45wt%。

优选地，所述Mo的含量为0.15wt%~0.42wt%。

优选地，所述Ti的含量为0.15wt%~0.22wt%。

优选地，还包括0.03wt%~0.05wt%的稀土元素。

本发明实施例提供一种超高锰钢的制备方法，包括：

A、按照上述的超高锰钢的成分和含量进行铸造，得到超高锰钢铸锭，其中，铸造工序的浇注温度为1400℃~1500℃；

B、对所述超高锰钢铸锭进行热处理，具体为：

B1、将超高锰钢铸锭加热至810℃～870℃进行第一次保温处理，保温时间为1h~3h；

B2、将步骤B1中超高锰钢铸锭继续加热至1050℃～1100℃进行第二次保温处理，保温时间为1h~3h，然后在水中快速冷却至室温；

B3、将步骤B2中冷却后的超高锰钢铸锭加热至250℃～350℃进行时效处理，时效处理的保温时间为2h~4h，在空气中冷却，得到超高锰钢。

优选地，步骤B1中升温速率小于70℃/h，步骤B2中升温速率小于100℃/h。

本发明提出的超高锰钢，在传统的高锰钢基础上增加Mn的含量，Mn元素在钢的基体中形成（Fe、Mn）₃C、Mn₇C等多型碳化物，大幅度提高了超高锰钢的强度和冲击韧性，同时，添加了Cr、Mo、V和B等合金元素，能够细化晶粒，改善碳化物的尺寸和分布形态，提高超高锰钢的硬度和耐磨性。

本发明提出的超高锰钢的制备方法中，采用铸造工序和热处理工序制备超高锰钢，铸造工序中浇注温度为1400～1500℃，得到组织较均匀、初始晶粒较细的等轴晶组织；在热处理工序中，将超高锰钢铸锭加热至810℃～870℃进行第一次保温处理，然后继续加热至1050℃～1100℃进行第二次保温处理后进行水淬处理，然后在250～350℃进行时效处理，得到具有强度、冲击韧性和耐磨性的超高锰钢。

综上所述，本发明提出的超高锰钢及其制备方法中，通过合理地设计超高锰钢的成分和含量以及热处理工艺，提高了超高锰钢的强度和冲击韧性，并且具有优越的耐磨性，可应用在具有高强度、高低冲击的磨损工况的应用场合，适合于新型现代工程机械的应用需求。

附图说明

图1是本发明提出的一种超高锰钢的热处理工艺图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的超高锰钢及其制备方法进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种超高锰钢，包括：

1.0wt%~1.5wt%的C；

16.5wt%~18.5wt%的Mn；

0.4wt%~0.6wt%的Si；

1.0wt%~2.5wt%的Cr；

0.1wt%~0.5wt%的Mo；

0.15wt%~0.3wt%的V；

0wt%~0.005wt%的B；

0.1wt%~0.3wt%的Ti；

余量为Fe。

在上述的超高锰钢中，C能够使得超高锰钢兼具较高的硬度和韧性；对于高锰钢来说，C含量过高时，组织中会产生网状碳化物，导致高锰钢的脆性增加，碳含量过低时，高锰钢的硬度会大幅下降，从而降低钢的耐磨性。本发明中，控制C含量为1.0wt%~1.5wt%，优选为1.15wt%~1.34wt%。

Mn是奥氏体锰合金钢的主要成分，Mn一部分溶于奥氏体，增加过冷奥氏体的稳定性，提高其淬透性，另一方面存在与（Fe、Mn）₃C、Mn₇C等多型碳化物中，可以大幅度提高高锰钢的强度和冲击韧性；锰钢经水韧处理后能够得到比较稳定的单一奥氏体组织，其工作表面受到冲击和磨损后会迅速诱变形成高硬度的马氏体组织，从而大大提高高锰钢的硬度和耐磨性。本发明中，控制Mn含量为16.5wt%～18.5wt%，优选为16.90wt%~18.41wt%。

Si是改善碳化物结构和形态的主要元素，Si含量高时有助于共晶碳化物呈高度的MC型结构，有助于改善碳化物形态，提高高锰钢的强度和耐磨性，但是，Si含量过高时会降低高锰钢的韧性，同时与Si结合又能提高抗腐蚀性和抗氧化性。本发明中，控制Si含量为0.4~0.6wt%，优选为0.44wt%~0.52wt%。

Cr能够与钢中C结合形成（Fe、Cr）₃C等多型碳化物，这种碳化物以分散的硬质点存在与高锰钢的基体中，可以提高高锰钢的初始硬度。本发明中，控制Cr含量为1.0wt%~2.5wt%，优选为1.45wt%~2.45wt%。

Mo能够细化钢的晶粒，改善钢的组织性能，Mo以碳化物的形式析出以提高钢的强度、硬度和耐磨性。本发明中，控制Mo含量为0.1wt%~0.5wt%，优选为0.15wt%~0.42wt%。

V能够固溶于奥氏体中，加入V后可以起到沉淀强化和细晶强化的作用，提高钢的耐磨性。本发明中，控制V含量为0.15wt%~0.3wt%。

B主要富集在奥氏体晶界处，添加少量的B可细化晶粒，消除柱状晶界，对晶界起强化作用。本发明中，控制B含量为0wt%~0.005wt%。

Ti在钢中形成碳钛化合物，碳钛化合物在钢液凝固时成为固体晶核，细化钢的铸态组织，提高钢的强度和韧性。本发明中，控制V含量为0.1wt%~0.3wt%，优选为0.15wt%~0.22wt%。

此外，控制Al、P、S等不可避免的杂质元素在较低的范围内，在本发明中，控制Al的含量为0.03~0.12wt%，P<0.05wt%，S<0.01wt%，

稀土元素能够控制夹杂物的形态、大小和分布，又能细化钢的晶粒，改善碳化物的形态和分布，促使碳化物孤立状均匀分布，显著减小夹杂物，提高钢的综合性能。本发明中，控制稀土元素的含量为0.03wt%~0.05wt%的稀土元素，稀土元素优选为钇基稀土元素。

本发明还提出了一种超高锰钢的制备方法，包括：

A、按照上述的超高锰钢的成分和含量进行铸造，得到超高锰钢铸锭，其中，铸造工序的浇注温度为1400℃~1500℃，得到组织较均匀、初始晶粒较细的等轴晶组织；

B、对所述超高锰钢铸锭进行热处理，如图1所述的热处理工艺图，具体为：

B1、将步骤A中超高锰钢铸锭加热至810℃～870℃进行第一次保温处理，保温时间为1h~3h，

B2、将步骤B1中超高锰钢铸锭继续加热至1050℃～1100℃进行第二次保温处理，保温时间为1h~3h，然后在水中快速冷却至室温，

B3、将步骤B2中水淬冷却后的超高锰钢铸锭加热至250℃～350℃进行时效处理，时效处理的保温时间为2h～4h，在空气中冷却，得到超高锰钢。

优选技术方案中，步骤B1中升温速率小于70℃/h，步骤B2中升温速率小于100℃/h。

首先，将超高锰钢铸锭加热至810℃～870℃进行第一次保温处理，超高锰钢铸锭在810-870℃固溶，基本上消除铸态组织，使碳化物均匀化分布，保证部分碳化物逐渐溶解在奥氏体中，该热处理过程可理解为预先奥氏体化；

将上述超高锰钢铸锭继续加热至1050℃～1100℃进行第二次保温处理后进行水淬处理，由于含有合金元素，其溶解温度高，碳化物在第二次升温保温阶段进行粒状化，并经水淬将晶粒细化后的组织固定下来，最终形成了细化的奥氏体和其中有弥散分布碳化物第二相组织；

然后在250～350℃进行时效处理，提高第二相质点的数量，提高材料的硬度，使奥氏体析出更多第二相质点，最终得到具有强度、冲击韧性和耐磨性的超高锰钢。

本发明提出的超高锰钢，在传统的高锰钢基础上增加锰的含量，锰元素在钢的基体中形成（Fe、Mn）₃C、Mn₇C等多型碳化物，大幅度提高了超高锰钢的强度和冲击韧性，同时，添加了Cr、Mo、V和B等合金元素，能够细化晶粒，改善碳化物的尺寸和分布形态，提高超高锰钢的硬度和耐磨性。

本发明提出的超高锰钢的制备方法中，采用铸造工序和热处理工序制备超高锰钢，铸造工序中浇注温度为1400～1500℃，得到组织较均匀、初始晶粒较细的等轴晶组织；在热处理工序中，将超高锰钢铸锭加热至810℃～870℃进行第一次保温处理，然后继续加热至1050℃～1100℃进行第二次保温处理后进行水淬处理，得到单一的奥氏体组织，然后在250～350℃进行时效处理，得到具有强度、冲击韧性和耐磨性的超高锰钢。

为了进一步理解本发明，下面结合具体的实施例对本发明提供的超高锰钢及其制备方法进行详细描述，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

以下结合具体的实施方式对本发明实施例进行详细说明。

实施例1

根据表1中的成分制备超高锰钢铸锭。

将上述超高锰钢铸锭加热至810℃，保温2.5小时；将上述保温的超高锰钢铸锭继续加热至1100℃，保温2小时，然后在水中快速冷却至室温；将上述水淬冷却后的铸锭加热至250℃，保温4小时，在空气中冷却后得到超高锰钢。

实施例2

根据表1中的成分制备超高锰钢铸锭。

将上述超高锰钢铸锭加热至830℃，保温3小时；将上述保温的超高锰钢铸锭继续加热至1090℃，保温2.5小时，然后在水中快速冷却至室温；将上述水淬冷却后的铸锭加热至280℃，保温3小时，在空气中冷却后得到超高锰钢。

实施例3

根据表1中的成分制备超高锰钢铸锭。

将上述超高锰钢铸锭加热至860℃，保温1.5小时；将上述保温的超高锰钢铸锭继续加热至1070℃，保温2小时，然后在水中快速冷却至室温；将上述水淬冷却后的铸锭加热至300℃，保温2.5小时，在空气中冷却后得到超高锰钢。

实施例4

根据表1中的成分制备超高锰钢铸锭。

将上述超高锰钢铸锭加热至870℃，保温1小时；将上述保温的超高锰钢铸锭继续加热至1050℃，保温3小时，然后在水中快速冷却至室温；将上述水淬冷却后的铸锭加热至350℃，保温2小时，在空气中冷却后得到超高锰钢。

将上述实施例1～4制备的超高锰钢与比较例1～2的高锰钢进行性能测试，结果如下：

表1本发明实施例中超高锰钢与比较例中高锰钢的成分（单位：wt%）

表2本发明实施例中的超高锰钢与比较例中高锰钢的性能测试结果

由上述测试结果可知，与普通的高锰钢相比，本发明提供的超高锰钢具有较高的强度、硬度、冲击韧性和耐磨性，其冲击功达到AKv=130~150J。

本发明提出的超高锰钢及其制备方法中，通过合理地设计超高锰钢的成分和含量以及热处理工艺，提高了超高锰钢的强度和冲击韧性，并且具有优越的耐磨性，可应用在具有高强度、高低冲击的磨损工况的应用场合，适合于新型现代工程机械的应用需求。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超高锰钢，其特征在于，包括：

1.0wt%~1.5wt%的C；

16.5wt%~18.5wt%的Mn；

0.4wt%~0.6wt%的Si；

1.0wt%~2.5wt%的Cr；

0.1wt%~0.5wt%的Mo；

0.15wt%~0.3wt%的V；

0wt%~0.005wt%的B；

0.1wt%~0.3wt%的Ti；

余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的超高锰钢，其特征在于，

所述C的含量为1.15wt%~1.34wt%。

3.根据权利要求1所述的超高锰钢，其特征在于，

所述Mn的含量为16.90wt%~18.41wt%。

4.根据权利要求1所述的超高锰钢，其特征在于，

所述Si的含量为0.44wt%~0.52wt%。

5.根据权利要求1所述的超高锰钢，其特征在于，

所述Cr的含量为1.45wt%~2.45wt%。

6.根据权利要求1所述的超高锰钢，其特征在于，

所述Mo的含量为0.15wt%~0.42wt%。

7.根据权利要求1所述的超高锰钢，其特征在于，

所述Ti的含量为0.15wt%~0.22wt%。

8.根据权利要求1-7任一项所述的超高锰钢，其特征在于，

还包括0.03wt%~0.05wt%的稀土元素。

9.一种超高锰钢的制备方法，其特征在于，包括：

A、按照权利要求1-8任一项所述的超高锰钢的成分和含量进行铸造，得到超高锰钢铸锭，其中，铸造工序的浇注温度为1400℃~1500℃；

B、对所述超高锰钢铸锭进行热处理，具体为：

B1、将超高锰钢铸锭加热至810℃～870℃进行第一次保温处理，保温时间为1h~3h；

B2、将步骤B1中超高锰钢铸锭继续加热至1050℃～1100℃进行第二次保温处理，保温时间为1h~3h，然后在水中快速冷却至室温；

B3、将步骤B2中冷却后的超高锰钢铸锭加热至250℃～350℃进行时效处理，时效处理的保温时间为2h~4h，在空气中冷却，得到超高锰钢。

10.根据权利要求9所述的超高锰钢的制备方法，其特征在于，步骤B1中升温速率小于70℃/h，步骤B2中升温速率小于100℃/h。

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