CN103484777B

CN103484777B - 奥氏体锰钢及其制备方法

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Publication number: CN103484777B
Application number: CN201310385236.7A
Authority: CN
Inventors: 郑燕华; 张坤; 王铎; 傅明康; 宋贤发
Original assignee: RIYUE HEAVY INDUSTRY CO LTD
Current assignee: RIYUE HEAVY INDUSTRY CO LTD
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2033-08-29
Also published as: CN103484777A

Abstract

本发明公开一种奥氏体锰钢及其制备方法；组成为：碳0.9～1.5%，硅0.3～0.8%，锰16～19%，磷≤0.05%，硫≤0.04%，铬0.40～0.80%，铌0.05～0.10%，钛0.05～0.10%，钒0.05～0.10%，Re 0.04～0.10%，余量为铁和其它≤0.20%的不可避免的杂质。步骤：熔炼工艺、微合金化、脱氧处理、球化变质处理、浇注工艺、水韧处理工艺。本发明通过配方调整和熔炼工艺、脱氧处理、微合金化、球化变质处理、浇注工艺以及水韧处理的综合控制，得到的一种具有高强度、高韧性的奥氏体锰钢，应用于矿山机械等耐磨件上，显著提高耐磨件的使用寿命，减少生产成本，提高生产效率。

Description

奥氏体锰钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐磨奥氏体锰钢的铸造工艺技术领域，适用于生产在高冲击-磨料磨损条件下使用的耐磨铸件，具体涉及一种奥氏体锰钢及其制备方法。

背景技术

奥氏体锰钢的铸态组织为奥氏体+碳化物，水韧处理后为单一奥氏体组织，具有优良的力学性能。在高冲击-磨料磨损条件下，锰钢表面迅速生成10～20mm硬化层，表面硬度由HBS200急剧增加至HBS500～800，耐磨性能显著提高，而铸件内部未受到加工硬化，仍保持原有的高塑性和高韧性，在表层硬化层被磨耗的同时外部冲击载荷又使硬化层连续不断地向锰钢的内部发展，这种铸件具有高硬度和内部具有高韧性相结合的特性是其它耐磨钢铁材料无法比拟的，已广泛应用于在高冲击-磨料磨损条件下使用的耐磨件，如圆锥破碎机、大型锤式破碎机、大型球磨机、大型挖掘机、铁道转撤器和坦克等设备的耐磨件。

但是高锰钢材质具有以下特点：（1）高锰钢线收缩值为2.4%～3.5%,是碳钢线收缩值的2倍以上，铸件在凝固收缩过程中收缩受阻时就会产生很大的内应力；（2）高锰钢的导热系数小，为碳钢的1/4～1/6。铸件在冷却或加热过程中，不同部位温差很大，会在铸件内部产生热应力；(3)在结晶的过程中，高锰钢容易形成粗粒晶及柱状晶，在晶界上存在的脆性碳化物及非金属夹杂物使铸件变脆。以上特点致使高锰钢铸件在生产过程中经常出现裂纹缺陷，造成铸件报废。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种生产过程不易出现裂纹缺陷，铸件报废率低，可应用在高冲击-磨料磨损条件下的耐磨铸件上，具有高强度，同时又具有高韧性的奥氏体锰钢。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种奥氏体锰钢，该奥氏体锰钢化学成分及重量百分比为：碳0.9～1.5%，硅0.3～0.8%，锰16～19%，磷≤0.05%，硫≤0.04%，铬0.40～0.80%，铌0.05～0.10%，钛0.05～0.10%，钒0.05～0.10%，Re 0.04～0.10%，余量为铁和其它总和≤0.20%的不可避免的杂质。

作为优选，上述的奥氏体锰钢，该奥氏体锰钢化学成分及重量百分比为：碳1.05～1.35%，硅0.3～0.6%，锰16～19%，磷≤0.05%，硫≤0.03%，铬0.40～0.80%，铌0.05～0.10%，钛0.05～0.10%，钒0.05～0.10%，Re 0.04～0.10%，余量为铁和其它总和≤0.20%的不可避免的杂质。

本发明还提供一种上述奥氏体锰钢的制备方法，制备步骤包括：

（1）采用碱性中频感应电炉熔炼，按照如下成分：碳1.05～1.35%，硅0.3～0.8%，锰16～19%，磷≤0.05%，硫≤0.04%，铬0.40～0.80%，铌0.05～0.10%，钛0.05～0.10%，钒0.05～0.10%，Re 0.04～0.10%，余量为铁和其它总和≤0.20%的不可避免的杂质，将作为原料的废钢和其他合金配料成分称量好；先将废钢进行熔化、增碳；

（2）将步骤（1）废钢熔化后所得的废钢钢液采用在钢水中加入纯铝进行初脱氧，纯铝加入量为钢液总重量的（所谓钢液总重量是指所要炼制的所有原料得到的钢液的总重量）0.04-0.05%；然后再加入其它合金配料与废钢钢液进行混合熔炼，在出钢前加入纯铝进行终脱氧，终脱氧的纯铝加入量为钢液总重量的0.10%；此外在废钢熔化后直至浇注结束的整个过程中，采用除渣剂和硅钙粉混合的形式对钢水进行扩散脱氧，以提高钢水的精炼程度；

（3）采用冲入法对步骤（2）熔炼所得的钢水进行球化变质处理，变质剂为0.2～0.4%的稀土硅钙球化变质剂和0.2～0.5%的硅钙粉；

（4）钢水出钢温度为1540～1560℃，浇注温度控制在1380～1450℃，待铸件在砂型中自然冷却到200℃以下后从砂型清出；

（5）将步骤（4）从砂型清出的铸件进行水韧处理，具体处理过程为：（1）铸件以75-80℃/h的升温速率从室温升到600-650℃并保温1.5-2小时；（2）铸件以90-100℃/h的升温速率升到1000-1050℃并保温1.5-2小时；（3）铸件5-10分钟升到950-1080℃并保温1.5-2小时；（4）然后将铸件置于有水的水槽中进行淬火处理，保证淬火过程中所用水槽中的水温≤40℃；即得到奥氏体锰钢。

本发明步骤（1）所述的增碳是指加入石墨增碳剂进行增碳，为行业常规操作，大致为先将废钢重量的1/3放入碱性中频感应电炉炉底，然后将所需石墨增碳剂（如无锡市环江炉料有限公司生产的石墨增碳剂）放在废钢上，再将剩余废钢盖在石墨增碳剂上进行熔化和增碳操作。

本发明步骤（2）所述的除渣剂如无锡市环江炉料有限公司生产的石川除渣剂；其中石川除渣剂与硅钙粉的重量之比为15:1；除渣剂的加入均根据行业常规技术和经验进行，在此不再赘述。

本发明上述步骤（2）中的其它合金配料包括铬0.40～0.80%，铌0.05～0.10%，钛0.05～0.10%，钒0.05～0.10%%。

本发明上述步骤（3）中的稀土硅钙球化变质剂为组成为Re 30.75%，Si38.87%，Ca1.9%，Fe28.48%的稀土硅钙球化变质剂；硅钙粉为组成为Si 60%，Ca 30%，Fe 10%的硅钙粉。

作为优选，步骤（5）所述的具体处理过程为：（1）铸件以80℃/h的升温速率从室温升到650℃并保温2小时；（2）铸件以100℃/h的升温速率升到1050℃并保温2小时；（3）铸件10分钟升到1080℃并保温2小时；（4）然后将铸件置于有水的水槽中进行淬火处理，保证淬火过程中所用水槽中的水温≤40℃；即得到奥氏体锰钢。

本发明上述奥氏体锰钢的各组分及其作用：

碳：在奥氏体锰钢中有两个作用，一是促使形成单相奥氏体组织，二是固溶强化，以保证高的力学性能。随着钢中碳含量的增加，奥氏体锰钢的耐磨性提高，强度在一定范围内是增加的，硬度不断增高，而塑性和韧性则明显降低，这是由于碳含量越高，碳化物越多，越粗大，严重影响了晶间结合力，铸件易产生裂纹。奥氏体锰钢的碳含量应在0.9%～1.5%范围内。

硅：在奥氏体锰钢中是一辅助脱氧元素，硅在奥氏体锰钢结晶时促使形成粗大枝晶，使钢晶粒粗化。同时由于硅降低碳在奥氏体中的溶解度，故随着硅含量的增加而促使碳化物析出，碳化物粗大并连成网状，使奥氏体锰钢的力学性能严重下降。一般要严格控制硅的含量在0.6%以下。

锰：是稳定奥氏体的主要元素，在钢中起到扩大γ相区的作用。随着锰含量的增加，强度性能提高，冲击性能提高，这主要是由于锰能够增加晶间结合力。

磷：在奥氏体锰钢中是有害元素，在奥氏体中的溶解度很低，易形成低熔点的磷共晶，由于磷共晶沿晶界分布，显著地降低了高锰钢的力学性能和耐磨性，而且随磷量的增加，奥氏体锰钢的热裂和冷裂倾向增加，应尽可能地降低钢中磷的含量。

硫：含量增加会降低高锰钢的力学性能，但因锰有较强的脱硫能力，实际上一般奥氏体锰钢的硫含量可控制到0.03%以下。

铬：可以提高钢的淬透性，使钢整个截面上的硬度分布更加均匀，铬在奥氏体中可以降低其层错能，使奥氏体稳定性降低，有利于形变硬化。铬的加入有利于耐磨性的提高，但会使冲击韧性有所降低。

铌元素、钛元素和钒元素均是奥氏体锰钢微合金化常用的合金元素，这些化学元素的加入可形成高熔点和弥散分布的碳化物，可作为非自发结晶核心显著细化铸态组织，消除柱状晶，提高奥氏体锰钢的力学性能和耐磨性。

本发明优点和有益效果：

1.本发明严格控制化学成分，主要成分如下：碳1.05～1.35%，硅0.3～0.8%，锰16～19%，磷≤0.05%，硫≤0.04%，铬0.40～0.80%，铌0.05～0.10%，钛0.05～0.10%，钒0.05～0.10%，Re 0.04～0.10%，余量为铁和其它含量总和≤0.2%的不可避免的杂质。从而实现奥氏体锰钢具有高强度，同时又具有高韧性的优点，本发明奥氏体锰钢具有如下优异的力学性能：抗拉强度904MPa，屈服强度520MPa，断面伸长率36.8%，冲击韧性179J，硬度217HBW；因此在生产过程不易出现裂纹、报废率低。

2.本发明通过化学成分、脱氧处理、微合金化、球化变质处理、浇注工艺以及水韧处理的综合控制，得到的一种不易产生裂纹、具有高强度，同时又具有高韧性的Mn18型奥氏体锰钢，应用于矿山机械等耐磨件上，可以显著提高耐磨件的使用寿命，减少生产成本，提高生产效率。

附图说明

图1Mn18型超高锰钢100×金相照片。

图2Mn18型超高锰钢500×金相照片。

具体实施方式

下面通过实施例进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。

本实施例采用本发明方法制备符合奥氏体锰钢铸件GB/T5680-2010标准的梅花试棒，通过对化学成分、脱氧处理、微合金化、球化变质处理、浇注工艺以及水韧处理的综合控制获得合格的梅花试棒。具体实施办法如下：

1.采用碱性中频感应电炉熔炼，在废钢熔化增碳后，采用插纯铝的方法进行初脱氧，纯铝加入量为钢液总重量的（所谓钢液总重量是指所要炼制的所有原料得到的钢液的总重量）0.05%，然后按所需比例将其他合金配料和废钢进行混合熔炼，另外在废钢熔化后直至浇注结束的整个过程中，采用除渣剂+硅钙粉混合的形式进行扩散脱氧（除渣剂和硅钙粉的重量之比为15：1，如无锡市环江炉料有限公司生产的石川除渣剂，硅钙粉为组成为Si 60%，Ca 30%，Fe 10%的硅钙粉），提高钢水的精炼程度。制备的铸件成分如下：碳1.21%，硅0.431%，锰18.2%，磷0.0336%，硫0.0145%，铬0.621%，铌0.062%，钛0.055%，钒0.0617%，余量为铁和其它不可避免的杂质。

2.变质处理采用冲入法，变质剂为0.3%的稀土硅钙变质剂（Re30.75%,Si38.87%,Ca1.9%）和0.2%的硅钙粉(Si60%Ca30%Fe 10%)组成的复合变质剂；

3.出钢温度为1552℃，出钢前加入0.1%的纯铝进行终脱氧处理，最终浇注温度为1402℃。

4.将所得的梅花试棒进行水韧处理，水韧处理工艺为：（1）以80℃/h的升温速率从室温升到650℃并保温2小时；（2）以100℃/h的升温速率升到1050℃并保温2小时；（3）10分钟升到1080℃并保温2小时；（4）将铸件置于水槽中进行快速淬火处理，淬火过程中水槽水温≤34℃，淬火后即得到奥氏体锰钢铸件（Mn18型超高锰钢）——梅花试棒。

5.对热处理后的梅花试棒打磨后，按照GB/T9443标准进行渗透检测，未发现有裂纹、缩松等铸造缺陷；再利用线切割将其加工成冲击试样、抗拉试样和金相试样，进行性能检测，力学性能结果如表1所示。

表1 Mn18型奥氏体锰钢力学性能

本发明上述试样的具体金相照片如附图1与图2所示，可见晶界间碳化物较少,根据GB/T6394-2002标准检测其晶粒度等级为4级，晶粒细化较好。

Claims

1.一种奥氏体锰钢的制备方法，其特征在于：制备步骤包括：

（1）采用碱性中频感应电炉熔炼，按照如下成分：碳1.05~1.35%，硅0.3~0.8%，锰16~19%，磷≤0.05%，硫≤0.04%，铬0.40~0.80%，铌0.05~0.10%，钛 0.05~0.10%，钒0.05~0.10%，RE 0.04~0.10%，余量为铁和其它总和≤0.20%的不可避免的杂质，将作为原料的废钢和其他合金配料成分称量好；先将废钢进行熔化、增碳；

（2）将步骤（1）废钢熔化后所得的废钢钢液采用在钢水中加入纯铝进行初脱氧，纯铝加入量为钢液总重量的0.04-0.05%；然后再加入其它合金配料与废钢钢液进行混合熔炼，在出钢前加入纯铝进行终脱氧，终脱氧的纯铝加入量为钢液总重量的0.08-0.10%；此外在废钢熔化后直至浇注结束的整个过程中，采用除渣剂和硅钙粉混合的形式对钢液进行扩散脱氧，以提高钢水的精炼程度；

（3）采用冲入法对步骤（2）熔炼所得的钢水进行球化变质处理，变质剂为0.2~0.4%的稀土硅钙球化变质剂和0.2~0.5%的硅钙粉；

（4）钢水出钢温度为1540~1560℃，浇注温度控制在1380~1450℃，待铸件在砂型中自然冷却到200℃以下后从砂型清出；

2. 根据权利要求1所述的奥氏体锰钢的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的成分为：碳1.05~1.35%，硅0.3~0.6%，锰16~19%，磷≤0.05%，硫≤0.03%，铬0.40~0.80%，铌0.05~0.10%，钛 0.05~0.10%，钒0.05~0.10%，RE 0.04~0.10%，余量为铁和其它总和≤0.20%的不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的奥氏体锰钢的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的除渣剂与硅钙粉的重量之比为15：1。

4. 根据权利要求1所述的奥氏体锰钢的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的稀土硅钙球化变质剂为组成为RE 30.75%，Si38.87%，Ca1.9%，Fe28.48%的稀土硅钙球化变质剂；硅钙粉为组成为Si 60%， Ca 30%，Fe 10%的硅钙粉。

5.根据权利要求1所述的奥氏体锰钢的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的具体处理过程为：（1）铸件以80℃/h的升温速率从室温升到650℃并保温2小时；（2）铸件以100℃/h的升温速率升到1050℃并保温2小时；（3）铸件10分钟升到1080℃并保温2小时；（4）然后将铸件置于有水的水槽中进行淬火处理，保证淬火过程中所用水槽中的水温≤40℃；即得到奥氏体锰钢。