CN104087851A

CN104087851A - 一种高强度高锰钢及其制备方法

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Publication number: CN104087851A
Application number: CN201410345023.6A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: WUZHOU GUANGCHUAN SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: WUZHOU GUANGCHUAN SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2014-07-19
Filing date: 2014-07-19
Publication date: 2014-10-08

Abstract

本发明提供了一种高强度高锰钢，包括：1.0wt%~1.8wt%的C，10wt%~18wt%的Mn，0.4wt%~1.5wt%的Si，1.0wt%~2.5wt%的Cr，0.2wt%~1.0wt%的Mo，0.4wt%~0.8wt%的Ti，0~0.004wt%的S，0~0.004wt%的P和余量的Fe。本发明还提供了所述高强度高锰钢的制备方法。本发明提供的高锰钢提高了合金元素Mn的含量，同时添加了Cr、Mo和Ti等合金元素，有效地提高了基体的强度、硬度和冲击韧性，并且本发明通过对热处理工艺进行调整，提高了高锰钢的强度、硬度、冲击韧性和耐磨性。

Description

一种高强度高锰钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种高强度高锰钢及其制备方法。

背景技术

随着现代工业的发展，大型设备如采矿设备、破碎设备和挖掘设备等在冶金和矿山等行业应用愈加广泛，其抗磨配件重达几吨到几十吨，有效厚度均在100mm以上。高锰钢广泛应用于大型设备的抗磨配件，但是随着工业的发展，传统高锰钢已经难以满足工业需求。

目前，破碎齿主要采用改性高锰钢，该钢种由于韧性高和耐磨性好被广泛应用于破碎齿等煤炭机械关键耐磨零部件，但是此种改性高锰钢的使用寿命仍然较短。

随着高强耐磨材料的发展，研究者在对高锰钢中增加锰含量，加入微量元素等方面做了大量工作，以寻求进一步提高高锰钢的力学性能、加工硬化性能及耐磨性。

公开号为101250675A的中国专利公开了一种含钨超高锰钢的化学配方和热处理工艺，其化学配方是在高锰钢的基础上提高锰含量，添加了W、Cr和Re三种合金元素，此种高锰钢经过热处理后，在应用过程中强度、冲击韧性和耐磨性仍然偏低。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种高强度高锰钢及其制备方法，本发明提供的高锰钢具有较高的强度、冲击韧性和耐磨性。

有鉴于此，本发明公开了一种高强度高锰钢，包括：

1.0wt％～1.8wt％的C；

10wt％～18wt％的Mn；

0.4wt％～1.5wt％的Si；

1.0wt％～2.5wt％的Cr；

0.2wt％～1.0wt％的Mo；

0.4wt％～0.8wt％的Ti；

0～0.004wt％的S；

0～0.004wt％的P；

余量的Fe。

优选的，所述C的含量为1.2wt％～1.6wt％。

优选的，所述Mn的含量为12wt％～15wt％。

优选的，所述Si的含量为0.5wt％～1.0wt％。

优选的，所述Mo的含量为0.5wt％～0.8wt％。

优选的，所述Ti的含量为0.5wt％～0.6wt％。

本申请还提供了一种高强度高锰钢的制备方法，包括以下步骤：

a)、将如下成分的原料铸造，得到高锰钢铸锭：

1.0wt％～1.8wt％的C，10wt％～18wt％的Mn，0.4wt％～1.5wt％的Si，1.0wt％～2.5wt％的Cr，0.2wt％～1.0wt％的Mo，0.4wt％～0.8wt％的Ti，0～0.004wt％的S，0～0.004wt％的P和余量的Fe；

b)、将所述高锰钢铸锭进行热处理，具体为：

b01)、将所述高锰钢铸锭加热至500℃～700℃进行第一次保温处理和第一次冷却；

b02)、将步骤b01)得到的高锰钢铸锭加热至1000℃～1100℃进行第二次保温处理后水淬，得到高强度高锰钢。

优选的，所述第一次保温处理的时间为1h～3h，所述第一次冷却为空冷。

优选的，所述第二次保温处理的时间为30min～60min。

本发明提供的高锰钢在传统高锰钢的基础上提高锰的含量，锰元素在钢的基体中形成(Fe、Mn)₃C、Mn₇C等碳化物，极大地提高了钢的强度和冲击韧性，同时添加了Cr、Mo和Ti等合金元素，能够有效地细化晶粒，改善碳化物的大小和形态，提高基体的强度和硬度。

本发明在制备高锰钢的过程中，经过铸造工序和热处理工序后得到了高强度高锰钢。在热处理过程中，将经过铸造的高锰钢铸锭加热至500℃～700℃进行第一次保温处理和第一次冷却，使高锰钢铸锭奥氏体化，并析出碳化物，形成共析组织，同时细化晶粒为下一步水韧处理做准备；然后将第一次冷却处理后的高锰钢铸锭加热至1000℃～1100℃进行第二次保温处理和水淬冷却，此阶段的水韧处理使基体中的碳化物溶于奥氏体中，形成单一的奥氏体组织，能够有效地提高高锰钢的强度和冲击韧性。

综上所述，本发明通过设计合理的高锰钢的配方和热处理工艺，不仅提高了高锰钢的强度和冲击韧性，并且还提高了高锰钢的耐磨性，从而获得了强度、冲击韧性和耐磨性能都较高的综合机械性能良好的新材料。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例公开了一种高锰钢，包括：

1.0wt％～1.8wt％的C；

10wt％～18wt％的Mn；

0.4wt％～1.5wt％的Si；

1.0wt％～2.5wt％的Cr；

0.2wt％～1.0wt％的Mo；

0.4wt％～0.8wt％的Ti；

0～0.004wt％的S；

0～0.004wt％的P；

余量的Fe。

本发明提供的高锰钢中含有C，C使得高锰钢兼具较高的强度和韧性。本发明中所述C的含量为1.0wt％～1.8wt％，优选为1.2wt％～1.6wt％。

Mn是奥氏体锰合金钢的主要成分，锰一部分固溶于奥氏体，增加过冷奥氏体的稳定性，提高淬透性，另一部分存在于(Fe、Mn)₃C、Mn₇C等碳化物中，极大地提高了钢的强度和冲击韧性，提高锰的含量会显著提高合金的强度和硬度。在本发明中，Mn的含量为10wt％～18wt％，优选为12wt％～15wt％。

Cr与钢中的碳结合，生成(Fe、Cr)₃C等多型化合物，这种碳化物以分散的硬质点存在于钢的基体中，提高了钢的初始硬度。本发明中Cr的含量为1.0wt％～2.5wt％，优选为1.5wt％～2.0wt％。

Si是改善碳化物结构和形态的主要元素，有助于改善碳化物形态，但是硅的含量过高，将降低钢的韧性，因此，本发明中Si的含量为0.4wt％～1.5wt％，优选为0.5wt％～1.0wt％。

Mo的主要作用是增加钢的淬透性，在钢中添加一定量的Mo可改善碳化物在钢中的形态和分布，同时也形成MoC和Mo₂C，适量的Mo可改善钢的组织性能，降低回火脆性，细化组织，提高基体的强度和韧性，因此，本发明中Mo的含量为0.2wt％～1.0wt％，优选为0.5wt％～0.8wt％。

Ti在钢中形成碳氮化合物，碳氮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。因此，本发明中Ti的含量为0.4wt％～0.8wt％，优选为0.5wt％～0.6wt％。

P是高锰钢中不可避免的杂质成分，会恶化超高锰钢的力学性能、耐磨性能和铸造性能。因此，本发明中P的含量低于0.004wt％，越低越好。

S是高锰钢中不可避免的杂质成分，S使得钢的脆性增加。在本发明中，S的含量低于0.004wt％，越低越好。

本发明还公开了一种高强度高锰钢的制备方法，包括以下步骤：

a)、将如下成分的原料铸造，得到高锰钢铸锭：

b)、将所述高锰钢铸锭进行热处理，具体为：

步骤a)为铸造工序，本发明对步骤a)所述的铸造方法没有特殊限制，可以为砂型铸造或金属铸造等本领域技术人员熟知的方法。

步骤b)为热处理工序，在得到高锰钢铸锭后，将上述高锰钢铸锭进行热处理。首先将上述高锰钢铸锭加热至500℃～700℃进行第一次保温处理和第一次冷却，此过程使高锰钢铸锭的组织奥氏体化，并使钢中的碳化物析出，获得共析组织，同时能够细化晶粒为下一步水韧处理做准备。为了确保充分奥氏体化，作为优选方案，上述第一次保温的保温时间为1h～3h，上述第一次冷却的冷却方式为空冷。

最后将第一次冷却后的高锰钢加热至1000℃～1100℃进行第二次保温处理后水淬，此阶段为水韧处理，在此阶段基体中的碳化物溶于奥氏体中，在室温下获得单一的奥氏体组织，上述第二次保温处理的保温时间优选为30min～60min。上述加热的温度优选为1050℃～1100℃。

本发明的高锰钢在传统高锰钢的基础上提高锰的含量，Mn元素在钢的基体中形成(Fe、Mn)₃C、Mn₇C等碳化物，极大地提高了钢的强度和冲击韧性，同时添加了Cr、Mo和Ti等合金元素，能够有效地细化晶粒，改善碳化物的大小和形态，提高基体的强度、硬度和韧性。

本发明在制备高锰钢的过程中，经过铸造工序和热处理工序后得到了高强度高锰钢。在热处理过程中，将经过铸造的高锰钢铸锭加热至500℃～700℃进行第一次保温处理和第一次冷却，使高锰钢铸锭奥氏体化；并析出碳化物，形成共析组织，同时细化晶粒为下一步水韧处理做准备；然后将第一次冷却处理后的高锰钢铸锭加热至1000℃～1100℃进行第二次保温处理和水淬冷却，此阶段的水韧处理使基体中的碳化物溶于奥氏体中，形成单一的奥氏体组织，能够有效地提高高锰钢的强度和冲击韧性。

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

实施例1

制备高锰钢铸锭，铸锭成分列于表1；

将上述高锰钢铸锭加热至600℃保温2h，空冷至室温；将空冷后的高锰钢铸锭重新加热至1020℃保温40min，水冷后得到高锰钢。

实施例2

制备高锰钢铸锭，铸锭成分列于表1；

将上述高锰钢铸锭加热至650℃保温1.5h，空冷至室温；将空冷后的高锰钢铸锭重新加热至1070℃保温60min，水冷后得到高锰钢。

实施例3

制备高锰钢铸锭，铸锭成分列于表1；

将上述高锰钢铸锭加热至610℃保温2.5h，空冷至室温；将空冷后的高锰钢铸锭重新加热至1000℃保温45min，水冷后得到高锰钢。

实施例4

制备高锰钢铸锭，铸锭成分列于表1；

将上述高锰钢铸锭升温至500℃保温1h，空冷至室温；将空冷后的高锰钢铸锭重新加热至1050℃保温50min，水冷后得到高锰钢。

实施例5

制备高锰钢铸锭，铸锭成分列于表1；

将上述高锰钢铸锭升温至620℃保温2h，空冷至室温；将空冷后的高锰钢铸锭重新加热至1080℃保温55min，水冷后得到高锰钢。

将实施例1～5制备的高锰钢进行性能测试，编号依次为A、B、C、D和E，测试结果列于表2。

表1 实施例1～5中高锰钢的成分含量表(wt％)

表2 本发明实施例1～5制备的高锰钢的性能测试结果

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高强度高锰钢，其特征在于，包括：

1.0wt%~1.8wt%的C；

10wt%~18wt%的Mn；

0.4wt%~1.5wt%的Si；

1.0wt%~2.5wt%的Cr；

0.2wt%~1.0wt%的Mo；

0.4wt%~0.8wt%的Ti；

0~0.004wt%的S；

0~0.004wt%的P；

余量的Fe。

2.根据权利要求1所述的高锰钢，其特征在于，所述C的含量为1.2wt%~1.6wt%。

3.根据权利要求1所述的高锰钢，其特征在于，所述Mn的含量为12wt%~15wt%。

4.根据权利要求1所述的高锰钢，其特征在于，所述Si的含量为0.5wt%~1.0wt%。

5.根据权利要求1所述的高锰钢，其特征在于，所述Mo的含量为0.5wt%~0.8wt%。

6.根据权利要求1所述的高锰钢，其特征在于，所述Ti的含量为0.5wt%~0.6wt%。

7.一种高强度高锰钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a）、将如下成分的原料铸造，得到高锰钢铸锭：

1.0wt%~1.8wt%的C，10wt%~18wt%的Mn，0.4wt%~1.5wt%的Si，1.0wt%~2.5wt%的Cr，0.2wt%~1.0wt%的Mo，0.4wt%~0.8wt%的Ti， 0~0.004wt%的S，0~0.004wt%的P和余量的Fe；

b）、将所述高锰钢铸锭进行热处理，具体为：

b01）、将所述高锰钢铸锭加热至500℃~700℃进行第一次保温处理和第一次冷却；

b02）、将步骤b01）得到的高锰钢铸锭加热至1000℃~1100℃进行第二次保温处理后水淬，得到高强度高锰钢。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述第一次保温处理的时间为1h~3h，所述第一次冷却为空冷。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述第二次保温处理的时间为30min~60min。