CN109943780B

CN109943780B - 一种高碳中锰耐磨钢及其制备方法

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Publication number: CN109943780B
Application number: CN201910353523.7A
Authority: CN
Inventors: 王建军; 陈捷; 刘春明; 秦高梧
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2019-04-29
Filing date: 2019-04-29
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2039-04-29
Also published as: CN109943780A

Abstract

本发明的一种高碳中锰耐磨钢及其制备方法，属于材料热发明及制备领域。包括组分及质量百分含量为Mn：8.00～8.90％，Cr：1.00～1.80％，V:0.10～0.30％，C：0.8～1.2％，Si：0.1～0.3％，Mo：0.10～0.30％，Nb：0.02～0.10％，余量为Fe。制备步骤如下：按配比进行冶炼并浇注成锭；经过锻造、轧制及轧后淬火，得到完全奥氏体组织的热轧板；并根据冲击载荷程序需要，选择性的将热轧板在450～600℃保温15～30min后空冷，获得高碳中锰耐磨钢。采取本发明方法制备的高碳中锰耐磨钢，在低、中等冲击载荷工况下，其耐磨性能达到传统高锰钢的3.6～10.7倍。

Description

一种高碳中锰耐磨钢及其制备方法

技术领域

本发明属于材料发明及制备领域，特别涉及一种高碳中锰耐磨钢及其制备方法。

背景技术

传统高锰钢(Mn13)具有优异的加工硬化能力与高冲击韧性等优点，高锰钢铸件受到冲击载荷时，金属表面发生塑性变形，表面变形层(硬化层)内发生明显的加工硬化，硬化层的硬度可以提高2-4倍。但高锰钢的表面加工硬化行为更多地发生于高冲击载荷条件下，在中低冲击载荷下仍然存在耐磨性较差的问题。

为了弥补该缺点，可以通过降低高锰钢中Mn的含量，即降低高锰钢中奥氏体组织的稳定性，使奥氏体组织在中等冲击载荷条件下即可发生形变诱导相变效应，从而增加钢的表层(磨损层)硬度和耐磨性能。然而，从现有的研究及其应用来看，通过降低Mn含量得到的高碳中锰耐磨钢其综合力学性能较低且耐磨性能未有大幅度提高。因此，针对高碳中锰耐磨钢的改性研究备受关注，最为广泛使用的手段是合金化及热处理，即Cr、V和Ti等强碳化物形成元素被加入到高碳中锰耐磨钢中，然后通过热处理，使高碳中锰钢中过饱和碳元素与这些强碳化物形成元素形成弥散分布的碳化物，以提高其性能。目前高碳中锰耐磨钢的常规热处理工艺主要为水韧处理，有时也会在500～800℃进行回火处理。然而，在500～600℃回火时，组织内部会出现一定量的珠光体或Fe₃C，在某种程度上能适当提高其耐磨性能，但会降低其综合力学性能；当回火温度为600～800℃时，组织内部会析出弥散分布的碳化物，可以较好地提高其综合力学性能与耐磨性能，但其工业成本显著增加。因此，研发合适的高碳中锰耐磨钢热处理工艺是实现高碳中锰耐磨钢耐磨性能大幅度提高的关键点之一。

发明内容

针对传统高锰耐磨钢的缺点，本发明提供一种高碳中锰耐磨钢及其制备办法。采用本发明所提供的高碳中锰耐磨钢热处理工艺，在中低冲击载荷工况下，高碳中锰耐磨钢的耐磨性能可达到传统高锰钢的3.6～10.7倍。

一种高碳中锰耐磨钢，包括组分及质量百分含量为Mn：8.00～8.90％，Cr：1.00～1.80％，V:0.10～0.30％，C：0.8～1.2％，Si：0.1～0.3％，Mo：0.10～0.30％，Nb：0.02～0.10％，余量为Fe，所述的高碳中锰耐磨钢的平均晶粒尺寸为10～20μm。在0.5J/cm²冲击载荷条件下，其耐磨性为：17.7～45g^-1。

一种高碳中锰耐磨钢，包括组分及质量百分含量为Mn：8.00～8.90％，Cr：1.00～1.80％，V:0.10～0.30％，C：0.8～1.2％，Si：0.1～0.3％，Mo：0.10～0.30％，Nb：0.02～0.10％，余量为Fe，所述的高碳中锰耐磨钢在1J/cm²冲击载荷条件下，其耐磨性为：15.58～23.9g^-1；在2J/cm²冲击载荷条件下，其耐磨性为：27.4～36.24g^-1。

所述的高碳中锰耐磨钢的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按高碳中锰耐磨钢成分，进行冶炼并浇注成锭，将铸锭在1050～1080℃锻造为20～30mm的锻坯；

步骤2：将锻坯在1100～1200℃保温1～2h后，进行热轧，终轧温度＞850℃，热轧压下量为50～80％，热轧后直接淬火，获得高碳中锰耐磨钢。

所述的高碳中锰耐磨钢的制备方法，包括以下步骤：

步骤2：将锻坯在1100～1200℃保温1～2h后，进行热轧，终轧温度＞850℃，热轧压下量为50～80％，热轧后直接淬火，获得热轧板。

所述的步骤2中，热轧板组织为完全奥氏体，且保证其内部含有一定量的形变孪晶；

步骤3：将热轧钢板在450～600℃保温15～30min后空冷至室温，获得高碳中锰耐磨钢。

所述的步骤3中，热轧板经保温处理，使热轧板组织内部形成一定量的碳化物。

所述的步骤1中，将铸锭在1050～10800℃锻造，可以有效地消除铸锭的缺陷，且保持锻坯组织为完全奥氏体。

所述的步骤1中，锻造形成的锻坯组织为完全奥氏体，且组织内部含有一定量的退火孪晶。

所述的步骤2中，锻坯经热轧处理，调节内部孪晶组态，为后续热处理提供基础。

所述的步骤2中，热轧板组织为完全奥氏体，且热轧板组织内部含有一定量的形变孪晶。

所述的步骤3中，经过热处理后，调控钢中碳化物的析出状态，实现碳化物弥散析出强化，达到提高高碳中锰耐磨钢耐磨性的目的。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

(1)本发明中所应用的高碳中锰耐磨钢，针对该耐磨钢所设计的特有TMCP处理制度。

(2)本发明中所应用的热处理工艺，是在充分调节组织内部形变孪晶组态后，对实验钢进行中温处理。

(3)本发明中制备的高碳中锰耐磨钢，在低冲击载荷条件下，高碳中锰耐磨钢的耐磨性能较传统高锰耐磨钢提高4.2～10.7倍。

(4)本发明中所应用的热处理工艺，使制备的高碳中锰耐磨钢在中等冲击载荷条件下的耐磨性较传统高锰耐磨钢提高了3.6～7.7倍。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的高碳中锰耐磨钢的SEM图；

图2为本发明实施例1～3制备的高碳中锰耐磨钢与传统高锰钢在低冲击载荷条件下的耐磨性能数据对比图；

图3为本发明实施例2制备的高碳中锰耐磨钢的SEM图；

图4为本发明实施例3制备的高碳中锰耐磨钢的SEM图；

图5为本发明实施例4制备的高碳中锰耐磨钢的SEM图；

图6为本发明实施例4制备的高碳中锰耐磨钢与传统高锰钢在不同冲击载荷条件下的耐磨性能数据对比图；

图7为本发明实施例5制备的高碳中锰耐磨钢的SEM图；

图8为本发明实施例5制备的高碳中锰耐磨钢与传统高锰钢在不同冲击载荷条件下的耐磨性能数据对比图；

图9为本发明实施例6制备的高碳中锰耐磨钢的SEM图；

图10为本发明实施例6制备的高碳中锰耐磨钢与传统高锰钢在不同冲击载荷条件下的耐磨性能数据对比图；

图11为本发明实施例7制备的高碳中锰耐磨钢的SEM图；

图12为本发明实施例7制备的高碳中锰耐磨钢与传统高锰钢在不同冲击载荷条件下的耐磨性能数据对比图。

具体实施方式

本发明实施例中选用的材料是高碳中锰耐磨钢，其化学成分(mass/％)为：Mn：8.00～8.90，Cr：1.00～1.80，V：0.10～0.30，C：0.8～1.2，Si：0.1～0.3，Mo：0.10～0.30，Nb：0.02～0.10，余量为Fe。

严格按成分对高碳中锰耐磨钢进行冶炼并浇注成锭，将铸锭在1050～1080℃锻造为20～30mm的厚板，将高碳中锰耐磨钢锻坯在1200℃保温1～2h，进行热轧，终轧温度＞850℃，随后直接淬火。选择性的将淬火后的热轧钢板在450～550℃保温15～30min后空冷。

以下实施例1～7中所选用的实验材料均为热轧态高碳中锰耐磨钢，选择性的经过不同热处理后，其在低、中等冲击载荷条件下的磨损性能实例，将传统高锰耐磨钢的耐磨性能作为对比，所选取的传统高锰钢牌号为M13。

实施例1

一种高碳中锰耐磨钢，包括组分及质量百分含量为Mn：8.00，Cr：1.2，V：0.1，C：1.2，Si：0.2，Mo：0.1，Nb：0.02，余量为Fe。

该高碳中锰耐磨钢的制备方法，按照以下步骤进行：

步骤1：按成分Mn：8.00，Cr：1.2，V：0.1，C：1.2，Si：0.2，Mo：0.1，Nb：0.02，余量为Fe，进行冶炼并浇注成锭，将铸锭在1050℃锻造为20mm的厚板，将锻坯在1100℃保温1h，进行一道次热轧，终轧温度为900℃，热轧压下量为50％，热轧后直接淬火，制得高碳中锰耐磨钢；

步骤2：应用MLD-10冲击磨损实验机，磨损时间为30min，冲击次数为200次/min，沙子流速为40g/h，选取中等冲击载荷0.5J/cm²。

本实施例制备的高碳中锰耐磨钢的SEM图如图1所示，高碳中锰耐磨钢的显微组织为完全奥氏体组织，奥氏体内部包含一定量的形变孪晶，平均晶粒尺寸约为20μm；本实施例获得的高碳中锰耐磨钢与传统高锰钢在0.5J/cm²冲击载荷条件下耐磨性能数据对比图如图2所示，在0.5J/cm²冲击载荷条件下，其耐磨性能为17.7g^-1，提高至传统高锰钢的4.21倍。

实施例2

一种高碳中锰耐磨钢，包括组分及质量百分含量为Mn：8.60，Cr：1.00，V：0.30，C：0.8，Si：0.1，Mo：0.2，Nb：0.10，余量为Fe。

该高碳中锰耐磨钢的制备方法，按照以下步骤进行：

步骤1：按成分Mn：8.60，Cr：1.00，V：0.30，C：0.8，Si：0.1，Mo：0.2，Nb：0.10，余量为Fe，进行冶炼并浇注成锭，将铸锭在1050℃锻造为20mm的厚板，将锻坯在1100℃保温1h，进行热轧，终轧温度为900℃，热轧压下量为60％，分三道次(20→12→8mm)进行，热轧后直接淬火，制得高碳中锰耐磨钢；

本实施例制备的高碳中锰耐磨钢的SEM图如图3所示，高碳中锰耐磨钢的显微组织为完全奥氏体组织，奥氏体内部包含一定量的的形变孪晶，平均晶粒尺寸为16μm；本实施例获得的高碳中锰耐磨钢与传统高锰钢在0.5J/cm²冲击载荷条件下耐磨性能数据对比图如图2所示，其耐磨性能达到传统高锰钢的6.85倍，具体为：28.78g^-1。

实施例3

一种高碳中锰耐磨钢，包括组分及质量百分含量为Mn：8.90，Cr：1.6，V：0.2，C：1.0，Si：0.3，Mo：0.3，Nb：0.06，余量为Fe。

该高碳中锰耐磨钢的制备方法，按照以下步骤进行：

步骤1：按成分Mn：8.90，Cr：1.6，V：0.2，C：1.0，Si：0.3，Mo：0.3，Nb：0.06，余量为Fe，进行冶炼并浇注成锭，将铸锭在1050℃锻造为20mm的厚板，将锻坯在1100℃保温1h，进行热轧，终轧温度为900℃，热轧压下量为80％，分四道次(20→10→7→4mm)进行，热轧后直接淬火，制得高碳中锰耐磨钢；

本实施例制备的热轧态高碳中锰耐磨钢的SEM图如图4所示，高碳中锰耐磨钢的显微组织为完全奥氏体素质，奥氏体内部包含一定量的的形变孪晶，平均晶粒尺寸约为10μm；本实施例获得的高碳中锰耐磨钢与传统高锰钢在0.5J/cm²冲击载荷条件下耐磨性能数据对比图如图2所示，在低冲击载荷条件下(0.5J/cm²)，其耐磨性能提高至传统高锰钢的10.71倍(如图2所示)0.5J/cm²：45g^-1。

实施例4

该高碳中锰耐磨钢的制备方法，按照以下步骤进行：

步骤1：按成分Mn：8.00，Cr：1.2，V：0.1，C：1.2，Si：0.2，Mo：0.1，Nb：0.02，余量为Fe，进行冶炼并浇注成锭，将铸锭在1050℃锻造为20mm的厚板，将锻坯在1100℃保温1h，进行热轧，终轧温度为900℃，热轧压下量为80％，分四道次(20→10→7→4mm)进行，热轧后直接淬火；

步骤2：将热轧板在500℃保温15min，空冷至室温，获得高碳中锰耐磨钢；

步骤3：应用MLD-10冲击磨损实验机，磨损时间为30min，冲击次数为200次/min，沙子流速为40g/h，选取中等冲击载荷1～2J/cm²。

本实施例制备的高碳中锰耐磨钢SEM图如图5所示，高碳中锰耐磨钢的基体组织为奥氏体，奥氏体内部包含一定量的形变孪晶，少量碳化物沿晶界或孪晶界析出。本实施例获得的高碳中锰耐磨钢与传统高锰钢在1～2J/cm²冲击载荷条件下耐磨性能数据对比图如图6所示，其耐磨性能可提高至传统高锰钢的3.67～5.88倍，具体的1J/cm²：15.58g^-1；2J/cm²：27.62g^-1。

实施例5

一种高碳中锰耐磨钢，包括组分及质量百分含量为Mn：8.30，Cr：1.2，V：0.2，C：0.9，Si：0.2，Mo：0.1，Nb：0.05，余量为Fe。

该高碳中锰耐磨钢的制备方法，按照以下步骤进行：

步骤1：按成分Mn：8.30，Cr：1.2，V：0.2，C：0.9，Si：0.2，Mo：0.1，Nb：0.05，余量为Fe，进行冶炼并浇注成锭，将铸锭在1050℃锻造为20mm的厚板，将锻坯在1100℃保温1h，进行热轧，终轧温度为900℃，热轧压下量为80％，分四道次(20→10→7→4mm)进行，热轧后直接淬火；

步骤2：将热轧板在500℃保温30min，空冷至室温，获得高碳中锰耐磨钢；

本实施例制备的高碳中锰耐磨钢SEM图如图7所示，高碳中锰耐磨钢的基体组织为奥氏体，奥氏体内部包含一定量的形变孪晶，少量碳化物沿晶界或孪晶界析出。本实施例获得的高碳中锰耐磨钢与传统高锰钢在1～2J/cm²冲击载荷条件下耐磨性能数据对比图如图8所示，，其耐磨性能可提高至传统高锰钢的3.67～5.88倍，具体的1J/cm²：19.92g^-1；2J/cm²：27.4g^-1。

实施例6

该高碳中锰耐磨钢的制备方法，按照以下步骤进行：

步骤1：按成分Mn：8.60，Cr：1.00，V：0.30，C：0.8，Si：0.1，Mo：0.2，Nb：0.10，余量为Fe，进行冶炼并浇注成锭，将铸锭在1050℃锻造为20mm的厚板，将锻坯在1100℃保温1h，进行热轧，终轧温度为900℃，热轧压下量为80％，分四道次(20→10→7→4mm)进行，热轧后直接淬火；

步骤2：将热轧板在450℃保温30min，空冷至室温，获得高碳中锰耐磨钢；

本实施例制备的高碳中锰耐磨钢SEM图如图9所示，高碳中锰耐磨钢的基体组织为奥氏体，奥氏体内部包含一定量的形变孪晶，沿晶界与孪晶界析出一定含量的碳化物。本实施例获得的高碳中锰耐磨钢与传统高锰钢在1～2J/cm²冲击载荷条件下耐磨性能数据对比图如图10所示，其耐磨性能达到传统高锰钢的4.48～7.43倍，具体的1J/cm²：19.06g^-1；2J/cm²：34.93g^-1。

实施例7

该高碳中锰耐磨钢的制备方法，按照以下步骤进行：

步骤1：按成分Mn：8.90，Cr：1.6，V：0.2，C：1.0，Si：0.3，Mo：0.3，Nb：0.06，余量为Fe，进行冶炼并浇注成锭，将铸锭在1050℃锻造为20mm的厚板，将锻坯在1100℃保温1h，进行热轧，终轧温度为900℃，热轧压下量为80％，分四道次(20→10→7→4mm)进行，热轧后直接淬火；

步骤2：将热轧板在450℃保温15min，空冷至室温，获得高碳中锰耐磨钢；

本实施例制备的高碳中锰耐磨钢SEM图如图11所示，高碳中锰耐磨钢的基体组织为奥氏体，奥氏体内部包含一定量的形变孪晶，沿晶界析出一定量的碳化物。本实施例获得的高碳中锰耐磨钢与传统高锰钢在1～2J/cm²冲击载荷条件下耐磨性能数据对比图如图12所示，其耐磨性提高至传统高锰钢的5.62～7.7倍，具体的1J/cm²：23.9g^-1；2J/cm²：36.24g^-1。

Claims

1. 一种高碳中锰耐磨钢的制备方法，其特征在于，所述的高碳中锰耐磨钢包括组分及质量百分含量为 Mn：8.00~8.90%，Cr：1.00~1.80%，V:0.10~0.30%，C：0.8~1.2%，Si：0.1~0.3%，Mo：0.10~0.30%，Nb：0.02~0.10%，余量为Fe，所述的高碳中锰耐磨钢在0.5J/cm²冲击载荷条件下，其耐磨性为：17.7~45 g^-1；所述的高碳中锰耐磨钢平均晶粒尺寸为10~20μm；

所述的方法具体包括以下步骤：

步骤1：按高碳中锰耐磨钢成分，进行冶炼并浇注成锭，将铸锭在1050~1080℃ 锻造为20~30mm的锻坯；

步骤2：将锻坯在1100~1200℃保温1~2h后，进行热轧，终轧温度＞850℃，热轧压下量为50~80%，热轧后直接淬火，获得高碳中锰耐磨钢。

2.一种高碳中锰耐磨钢的制备方法，其特征在于，所述的高碳中锰耐磨钢包括组分及质量百分含量为 Mn：8.00~8.90%，Cr：1.00~1.80%，V:0.10~0.30%，C：0.8~1.2%，Si：0.1~0.3%，Mo：0.10~0.30%，Nb：0.02~0.10%，余量为Fe，所述的高碳中锰耐磨钢在1J/cm²冲击载荷条件下，其耐磨性为：15.58~23.9 g^-1；在2J/cm²冲击载荷条件下，其耐磨性为：27.4~36.24 g^-1；

所述的方法包括以下步骤：

步骤1：按高碳中锰耐磨钢成分，进行冶炼并浇注成锭，将铸锭在1050~1080℃锻造为20~30mm的锻坯；

步骤2：将锻坯在1100~1200℃保温1~2h后，进行热轧，终轧温度＞850℃，热轧压下量为50~80%，热轧后直接淬火，获得热轧板；

步骤3：将热轧钢板在450~600℃保温15~30min后空冷至室温，获得高碳中锰耐磨钢。

3.根据权利要求1或2所述的高碳中锰耐磨钢的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，将铸锭在1050~1080℃锻造，保持锻坯组织为完全奥氏体。

4.根据权利要求1或2所述的高碳中锰耐磨钢的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，热轧板组织为完全奥氏体。

5.根据权利要求2所述的高碳中锰耐磨钢的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，热轧板经保温处理，热轧板组织内部形成碳化物。