CN103789656A - 一种含钨-铬-钒高锰耐磨钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种含钨-铬-钒高锰耐磨钢及其制备方法，属于耐磨材料技术领域。先在电炉内以废钢、高锰钢废料、增碳剂、锰铁、氮化锰铁、钨铁、铬铁、钒铁和金属铝为原料，熔炼含钨-铬-钒高锰耐磨钢钢水，当钢水温度达到1520～1550℃时，出炉入钢包。将含稀土、钛、铌、硼、钾、镁等微合金元素的合金线插入钢包内的钢水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的1.8～2.5%，合金线直径

Description

一种含钨-铬-钒高锰耐磨钢及其制备方法

技术领域

本发明公开了一种高锰钢及其制备方法，特别涉及一种含钨-铬-钒高锰耐磨钢及其制备方法，属于耐磨材料技术领域。

背景技术

高锰钢经水韧处理后，获得单一奥氏体组织，在强烈冲击工况下，奥氏体发生加工硬化，转变成高硬度马氏体，使高锰钢表现出优异的耐磨性。但是，高锰钢用做破碎机颚板、球磨机衬板、破碎机锤头和挖掘机斗齿等产品，因加工硬化效果不明显，使高锰钢优异的耐磨性发挥不出来。为了提高高锰钢耐磨性，中国发明专利CN1068857公开了一种多元合金强韧化高锰钢，是向高锰钢中加入稀土、钼、钛、钨等多元合金材料，并经强化孕育处理，机械性能优异，屈服强度：430-600兆帕，抗张强度：720-1000兆帕，延伸率：20-51%，硬度180-229HB，冲击值≥150J/cm²，是用于重要设备的超级工程材料，也是军工和民用高科技工程部件的首选材料，可用于重型机械、军用车辆、低温、核能工程等部门。中国发明专利CN101182616还公开了一种采用超高锰钢制作石料分级用的筛板及其制造方法，首先制作超高锰钢筛板型砂成型模或消失模，将73.8～84.5％铁、14.01～25％锰、0.8～1.6％碳和0.4～3.2％硅熔化为温度为1350～1600℃的超高锰钢钢水，然后注入到超高锰钢筛板型砂成型模或消失模中，待自然冷却后，由型腔中取出铸件并打磨掉毛刺，再以每小时升温50℃～60℃的幅度连续升温到650℃～700℃后，保温1～2小时，然后再以每小时升温50℃～60℃的幅度升温至950～1200℃，保温1～2小时，出炉后的铸件立即用强吹风加喷水雾快速冷却，冷却后的铸件用滚压设备压平，即得石料分级用筛板。中国发明专利CN1644744还公开了一种稀土硼微合金化高锰钢，其化学成分(质量％)为：C0.9～1.6，Mn13～30，B0.0005～0.02，Re0.01～0.05，Si0.3～1.0，Cr＜3，Mo＜2，Ni＜1，Cu＜1，V+Ti+Nb+Zr+N+Al+Ca＜2，S＜0.04，P＜0.07，余量为Fe；其工艺过程包括配料、熔炼、出钢、加变质剂、浇注步骤，该发明的高锰钢，其耐磨性比普通高锰钢提高1倍以上。中国发明专利CN101250675还公开了一种含钨高锰钢，该高锰钢含有下列质量百分比的化学成分：C：1.05％～1.35％，Si：0.3％～0.9％，Mn：11％～19％，W：0.5％～1.5％，P≤0.070％，S≤0.045％，余量为Fe。此外，该高锰钢还可以含有稀土元素RE，其含量为0.01％～0.3％。还可以含有Cr，其含量为1.2％～2.5％。该发明的含钨高锰钢，特别是当Mn的含量为16％～19％时，钨元素、稀土元素RE和铬元素的加入，使得整个高锰钢比起现有的钢种具有韧性好，屈服强度高，加工硬化程度高，耐磨性能更好等优势，从而扩大了高锰钢的应用范围。该发明的高锰钢适于制备磨损特别是冲击磨损工况用的零部件。中国发明专利CN101191173还公开了一种低硅高锰钢的冶炼方法，该方法包括转炉冶炼和精炼，其特点是在转炉出钢过程合金化及顶渣改质剂加入顺序依次为：锰系合金、铝合金、顶渣改质剂，出钢后钢包内氧含量最终控制在200～300ppm；氩站喂铝线控制钢中Als含量在0.005％～0.015％之间；精炼工序开始首先进行铝合金化处理，使Als在0.01％～0.02％之间，在搬出前最后一次合金化再进行Als成分的调整。该发明采用转炉工序弱沸腾出钢，在氩站喂铝线调整钢中Als含量，在精炼处理前期达到钢水完全镇静的生产工艺，使转炉内Si≤0.015％的合格率达到100％；经ANS-OB处理后，成品Si≤0.020％的合格率达到100％；或经LF处理后，成品Si≤0.030％的合格率达到100％。中国发明专利CN85103847还公开了高锰钢的爆炸硬化的工艺，已有的爆炸硬化工艺系采用以RDX或PETN为基的橡皮板片炸药，也有采用以RDX和水胶炸药混合的可塑性炸药的，这两种炸药的价格昂贵，并且工序烦琐或稳定性差。该发明的特征在于：采用专用炸药，对经过预处理的高锰钢铸件进行工艺处理，所使用的炸药和钢材表面的亲合性好，该工艺简便，炸药的价格仅约为常用的炸药的1/20。爆炸一次的表面硬度可达Rc44，Rc32以上深度约11毫米。中国发明专利CN1676651还公开了一种用于耐磨铸件的含钨高锰钢，其特征在于，该含钨高锰钢含有下列重量比的原料：C：0.95-1.35％，Mn：11.5-14％，Si：0.3-1.0％，Cr：0.2-1.0％，W：0.2-0.6％，Mo：0.2-0.4％，P：≤0.07％，余量为铁。或其中W的含量为3.5-4.2％或0.7-2.0％，且不含Mo。还可以在上述含钨合金钢加入稀土元素Re，其含量为0.02-0.15％。经模拟零件冲击弯曲试验、机械性能试验和现场使用试验结果表明，在高锰钢中加入W，能明显提高钢的强度和韧性。W和其它合金元素配合有良好的综合作用。含钨的高锰钢和普通高锰钢相比，性能要高出许多。在W，Mo含量相当(二份W代一份Mo)的两种高锰钢的对比中，机械性能和使用寿命都不相上下，而成本大大降低。中国发明专利CN1743489还公开了一种合金结构钢特别是高锰钢的熔炼工艺技术以及使用该技术浇注的高锰钢铸件。高锰钢的基本元素为Fe，主要元素为Mn(10％-14％)和C(1％-1.4％)，采用锰铁、碎电极碳和钢棒为原料，其特征在于在覆盖剂的保护下，首先将锰铁和碎电极一次性装入炉内，然后再将钢棒置于锰铁和和碎电极上，随即高功率送电熔化，整个熔化过程中金属液始终处于覆盖剂的保护之下，不允许搅拌液面。中国发明专利CN1851032还公开了一种基体为高度奥氏体化高锰钢、硬质相为碳化钛、具有高硬度和高冲击韧性的高锰钢基硬质合金，其组成为(30.5～32.5)wt％的钛、(9.0～10.0)wt％的锰、(2.40～2.80)wt％的镍、(1.0～2.0)wt％的钼、(7.8～8.10)wt％的碳和余量的铁；其制备方法包括按一定重量百分比将碳化钛粉、铁粉、锰铁粉、镍粉、钼粉、碳粉配制成原料粉末，控制混合料总碳含量为(7.80～8.10)wt％、锰含量为(9.0～10.0)wt％、镍含量为(2.40～2.80)wt％、钼含量为(1.0～2.0)wt％，烧结温度在1350℃～1365℃，真空度为≤10Pa，保温时间按压坯最大有效尺寸计算为每毫米1.5分钟；该发明的高锰钢基硬质合金适用于复杂地质结构的岩层的挖掘，焊接性能良好，电焊焊接裂纹率≤0.5％，使用寿命长。中国发明专利CN101003876还公开了一种利用异步轧制提高耐磨高锰钢耐磨性的方法，包括铸造高锰钢，还包括下述步骤：铸造高锰钢的化学成分为C：1.1～1.3、Mn：11～14、Si：0.3～0.8、S：＜0.013、P：＜0.027；铸件经水韧处理后，其力学性能为σ_b＞700MPa，ε＞15％，a_k＞180J/cm²，HB＜250；在异步轧机上，对板状铸件进行异步轧制，其力学性能为σ_b＞900MPa，ε＞12％，a_k＞120J/cm²，HB＜350；用焊接和机加工的方式，得到合格产品。该发明不但提高了高锰钢的初始使用硬度，初期磨损降低，而且使高锰钢可以在较小的轧制力下加工，使塑性加工比常规轧制变得容易，并且保留高锰钢具有高冲击韧性值的特点。中国发明专利CN101020989还公开了一种稀土合金化耐磨高锰钢。特点是：采用高碳、高锰、Cr2、稀土的成份配方，其组成重量的百分比是：C：0.90-1.30，Si：0.30-0.80，Mn：11.00-14.00，Cr：2.00-2.50，RE：0.30-0.35，S≤0.03，P≤0.06，其余为铁；该发明经水韧处理使奥氏体的组织均匀化，韧性好，使用中锤头承受交变应力不易断裂，保安全稳定运行。锤头细碎煤矸石的同时，由于冷作硬化的结果，使锤头表层不断的产生高硬度的马氏体组织，耐磨性能好。稀土的加入使钢的纯净度提高，晶粒细化、球化、均匀化，使用寿命是引进件的6倍以上。中国发明专利CN101275175还公开了对高锰钢进行钇基重稀土变质处理的方法。首先熔炼废钢、加入锰铁，待炉料全部熔化后，加入萤石和生石灰进行除渣，再插入纯铝除氧，然后在1410℃～1460℃时出炉充入含有重稀土的钢包内，镇静后浇注，最后对铸件进行水韧处理。由于钇基稀土的加入增加了形核核心和抑制奥氏体晶粒长大，奥氏体晶粒得到细化，抗拉强度和冲击韧性提高。该发明方法有效解决了高锰钢初始磨损严重的问题，使用寿命大大提高，提高了其性价比。中国发明专利CN101284305还公开了一种高锰钢铸件细晶化铸造工艺方法，包括：1)钢水高温出炉，出炉温度为1580±20℃，出炉后进行炉外吹氩气、喂丝精炼，严格控制磷、硫含量，P≤0.025％，S≤0.018％，浇注温度为1480±20℃；2)高锰钢铸件浇注过程中，随金属液添加重量比为0.5～10％、尺寸为φ0.5～10mm的金属颗粒；3)金属颗粒从铸件的浇注系统加入，金属颗粒预热温度150℃～350℃；4)铸件快速浇注，采用底漏包避免夹杂卷入。该发明在浇注过程中添加金属颗粒，降低金属液的温度，增加形核质点细化晶粒。从而，解决了高锰钢铸件晶粒粗大、疏松、微裂纹等问题，生产出了晶粒细化、强度高的高锰钢铸件。中国发明专利CN103343290A还公开了一种高锰钢及其制造方法，所述的高锰钢含有下列质量百分比的化学成分：：碳：1.0%～1.5%，锰：15%～20%，硅：0.3%～0.6%，铬：1%～3%，钼：0.2%～0.5%，铜：0～0.1%，硼：0.001%～0.005%，稀土：0～0.03%，磷≤0.03%，硫≤0.03%，其余为铁。该发明的一种高锰钢制造方法，包括以下步骤：a)准备工作：选择废钢和废旧锰钢作为原材料，配制合适的合金原材料；b)造型；c)冶炼；d)浇注：浇注温度控制在1500℃～1550℃，保温时间为3小时；e)清砂：根据铸件大小及厚度来控制清砂时间；f)打磨、检验铸件尺寸；g)热处理：升温到1050℃～1110℃，保温4小时；快速出炉进行空冷。有益效果是提高其抗冲击性及韧性；生产工艺简单、成本低，市场前景好。

但是，上述高锰钢仍存在加工硬化效果差，耐磨性低等不足。

发明内容

本发明的目的是在普通高速钢基础上，进一步提高锰含量，同时加入适量钨、铬、钒等合金元素，进一步改善高锰钢耐磨性，在此基础上，加入稀土、钛、铌、硼、钾、镁等微合金元素，进一步提高高锰钢强韧性和耐磨性。

本发明目的可以通过以下措施来实现。

一种含钨-铬-钒高锰耐磨钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①先在电炉内以废钢、高锰钢废料、增碳剂、锰铁、氮化锰铁、钨铁、铬铁、钒铁和金属铝为原料，熔炼含钨-铬-钒高锰耐磨钢钢水，钢水中元素的质量分数控制在：1.10～1.40%C,16.5～18.5%Mn,0.35～0.48%W,1.80～2.10%Cr,0.42～55%V,0.03～0.07%N,0.06～0.12%Al,<0.65%Si,<0.04%S,<0.06%P,余量为Fe及不可避免的杂质元素；当钢水温度达到1520～1550℃时，出炉入钢包；

②当钢水全部进入钢包后，将含稀土、钛、铌、硼、钾、镁等微合金元素的合金线插入钢包内的钢水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的1.8～2.5%，合金线直径合金线化学组成及质量分数为：<0.25%C,2.5～3.5%Ce,1.2～1.8%Y,2.0～3.5%Nb,4.0～5.2%Ti,3.5～4.0%Ca,2.0～2.8%Ba,6.0～7.5%Si,2.2～3.2%Al,1.0～1.2%B,1.3～1.5%K,2.5～3.0%Mg,10.0～11.5%Mn,<0.04%S,<0.06%P,余量为Fe及不可避免的杂质元素；

③当钢水温度降至1360～1390℃时，将钢水浇入铸型，浇注完1～3小时后，开箱空冷铸件，清理浇冒口；

④最后将上述铸件随炉加热至1060～1080℃，保温2～4小时后进行水韧处理，即可得到含钨-铬-钒高锰耐磨钢。

本发明与现有技术相比具有以下特点：

1）本发明含钨-铬-钒高锰耐磨钢具有良好的加工硬化效果，加工硬化后的硬度可从水韧处理后的180～220HB提高至770～820HV；

2）本发明含钨-铬-钒高锰耐磨钢具有优异的耐磨性，相同使用条件下，其耐磨性比普通含铬高锰钢（Mn13Cr2）提高120～150%。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

在1000公斤中频感应电炉内熔炼本发明材料，具体生产工艺步骤是：

①先在电炉内以废钢、高锰钢废料、增碳剂、锰铁、氮化锰铁、钨铁、铬铁、钒铁和金属铝为原料，熔炼含钨-铬-钒高锰耐磨钢钢水，钢水质量分数控制在：1.11%C,16.56%Mn,0.47%W,1.85%Cr,0.42%V,0.04%N,0.08%Al,0.48%Si,0.031%S,0.055%P,余量为Fe及不可避免的杂质元素。当钢水温度达到1548℃时，出炉入钢包。

②当钢水全部进入钢包后，将含稀土、钛、铌、硼、钾、镁等微合金元素的合金线插入钢包内的钢水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的2.5%，合金线直径φ6.0mm，合金线化学组成及质量分数为：0.18%C,2.54%Ce,1.77%Y,3.49%Nb,4.01%Ti,3.52%Ca,2.76%Ba,6.08%Si,3.01%Al,1.19%B,1.33%K,2.98%Mg,10.17%Mn,0.026%S,0.053%P,余量为Fe及不可避免的杂质元素。

③当钢水温度降至1387℃时，将钢水浇入铸型，浇注完3小时后，开箱空冷铸件，清理浇冒口。

④最后将上述铸件随炉加热至1060℃，保温4小时后进行水韧处理，即可得到含钨-铬-钒高锰耐磨钢。

本发明含钨-铬-钒高锰耐磨钢具有良好的加工硬化效果，加工硬化后的硬度可从水韧处理后的189HB提高至786HV；本发明含钨-铬-钒高锰耐磨钢具有优异的耐磨性，相同使用条件下，其耐磨性比普通含铬高锰钢（Mn13Cr2）提高127%。推广应用本发明材料具有良好的经济和社会效益。

实施例2：

在1000公斤中频感应电炉内熔炼本发明材料，具体生产工艺步骤是：

①先在电炉内以废钢、高锰钢废料、增碳剂、锰铁、氮化锰铁、钨铁、铬铁、钒铁和金属铝为原料，熔炼含钨-铬-钒高锰耐磨钢钢水，钢水质量分数控制在：1.38%C,18.47%Mn,0.35%W,2.08%Cr,0.54%V,0.07%N,0.11%Al,0.50%Si,0.035%S,0.051%P,余量为Fe及不可避免的杂质元素。当钢水温度达到1523℃时，出炉入钢包。

②当钢水全部进入钢包后，将含稀土、钛、铌、硼、钾、镁等微合金元素的合金线插入钢包内的钢水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的1.8%，合金线直径

合金线化学组成及质量分数为：0.23%C,3.45%Ce,1.20%Y,2.09%Nb,5.11%Ti,3.90%Ca,2.05%Ba,7.48%Si,2.24%Al,1.15%B,1.45%K,2.52%Mg,11.47%Mn,0.029%S,0.057%P,余量为Fe及不可避免的杂质元素。

③当钢水温度降至1365℃时，将钢水浇入铸型，浇注完1小时后，开箱空冷铸件，清理浇冒口。

④最后将上述铸件随炉加热至1080℃，保温2小时后进行水韧处理，即可得到含钨-铬-钒高锰耐磨钢。

本发明含钨-铬-钒高锰耐磨钢具有良好的加工硬化效果，加工硬化后的硬度可从水韧处理后的214HB提高至815HV；本发明含钨-铬-钒高锰耐磨钢具有优异的耐磨性，相同使用条件下，其耐磨性比普通含铬高锰钢（Mn13Cr2）提高142%。推广应用本发明材料具有良好的经济和社会效益。

实施例3：

在1000公斤中频感应电炉内熔炼本发明材料，具体生产工艺步骤是：

①先在电炉内以废钢、高锰钢废料、增碳剂、锰铁、氮化锰铁、钨铁、铬铁、钒铁和金属铝为原料，熔炼含钨-铬-钒高锰耐磨钢钢水，钢水质量分数控制在：1.29%C,17.80%Mn,0.41%W,1.93%Cr,0.49%V,0.05%N,0.09%Al,0.40%Si,0.035%S,0.048%P,余量为Fe及不可避免的杂质元素。当钢水温度达到1539℃时，出炉入钢包。

②当钢水全部进入钢包后，将含稀土、钛、铌、硼、钾、镁等微合金元素的合金线插入钢包内的钢水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的2.1%，合金线直径

合金线化学组成及质量分数为：0.19%C,2.90%Ce,1.61%Y,2.88%Nb,4.65%Ti,3.87%Ca,2.61%Ba,6.80%Si,2.84%Al,1.03%B,1.41%K,2.68%Mg,10.71%Mn,0.037%S,0.054%P,余量为Fe及不可避免的杂质元素。

③当钢水温度降至1376℃时，将钢水浇入铸型，浇注完2小时后，开箱空冷铸件，清理浇冒口。

④最后将上述铸件随炉加热至1070℃，保温3小时后进行水韧处理，即可得到含钨-铬-钒高锰耐磨钢。

本发明含钨-铬-钒高锰耐磨钢具有良好的加工硬化效果，加工硬化后的硬度可从水韧处理后的204HB提高至797HV；本发明含钨-铬-钒高锰耐磨钢具有优异的耐磨性，相同使用条件下，其耐磨性比普通含铬高锰钢（Mn13Cr2）提高138%。推广应用本发明材料具有良好的经济和社会效益。

Claims (2)

1.一种含钨-铬-钒高锰耐磨钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①先在电炉内以废钢、高锰钢废料、增碳剂、锰铁、氮化锰铁、钨铁、铬铁、钒铁和金属铝为原料，熔炼含钨-铬-钒高锰耐磨钢钢水，钢水中元素的质量分数控制在：1.10～1.40%C,16.5～18.5%Mn,0.35～0.48%W,1.80～2.10%Cr,0.42～55%V,0.03～0.07%N,0.06～0.12%Al,<0.65%Si,<0.04%S,<0.06%P,余量为Fe及不可避免的杂质元素；当钢水温度达到1520～1550℃时，出炉入钢包；

②当钢水全部进入钢包后，将含稀土、钛、铌、硼、钾、镁等微合金元素的合金线插入钢包内的钢水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的1.8～2.5%，合金线直径

合金线化学组成及质量分数为：<0.25%C,2.5～3.5%Ce,1.2～1.8%Y,2.0～3.5%Nb,4.0～5.2%Ti,3.5～4.0%Ca,2.0～2.8%Ba,6.0～7.5%Si,2.2～3.2%Al,1.0～1.2%B,1.3～1.5%K,2.5～3.0%Mg,10.0～11.5%Mn,<0.04%S,<0.06%P,余量为Fe及不可避免的杂质元素；

③当钢水温度降至1360～1390℃时，将钢水浇入铸型，浇注完1～3小时后，开箱空冷铸件，清理浇冒口；

④最后将上述铸件随炉加热至1060～1080℃，保温2～4小时后进行水韧处理，即可得到含钨-铬-钒高锰耐磨钢。

2.按照权利要求1的方法制备得到的一种含钨-铬-钒高锰耐磨钢。