CN111154951A

CN111154951A - 一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法

Info

Publication number: CN111154951A
Application number: CN202010062274.9A
Authority: CN
Inventors: 葛茹
Original assignee: 葛茹
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2020-01-19
Filing date: 2020-01-19
Publication date: 2020-05-15

Abstract

本发明涉及高锰钢材料制备技术领域，具体公开了一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法，包括合金成分设计、真空熔炼和热处理工艺，所述热处理工艺包括以下步骤：将合金化高锰钢首先加热至450±20℃，进行保温，然后加热至650±20℃，进行保温，随后升温至850±20℃，进行保温；将合金化高锰钢加热至1100±50℃保温后，水冷；将高锰钢重新加热至450℃±50℃保温后，空冷至室温。本专利中通过合金化成分设计及对后续的热处理工艺的调控，使合金化高锰钢的奥氏体基体中产生微‑纳双尺度析出相，通过微‑纳双尺度析出相与基体的协同作用，提高铸造高锰钢在低应力冲击工况下的耐磨性。

Description

一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法

技术领域

本发明涉及高锰钢材料制备技术领域，特别涉及一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法。

背景技术

磨损是机械设备最主要的失效方式，据统计，全球每年钢铁材料的消耗量达8亿吨左右，而其中由磨损引起的消耗就占总消耗量的40％左右；在我国，每年因磨损消耗的金属耐磨材料已超过300万吨，其造成的损失已超百亿元，因此，耐磨性能的开发已经成为了世界各国在钢铁材料领域研究发展的重点。高锰钢作为最常使用耐磨材料，其最大特点是具有良好的塑性变形强化机制，使其在高负荷冲击或高应力工况下表面迅速产生加工硬化，可以说高锰钢优异的耐磨性是建立在加工硬化的基础上；然而只有在冲击大、应力高、磨料硬的情况下，高锰钢的高耐磨性才得到体现，因此在受到低的挤压载荷或者在使用初期，高锰钢表面将不会产生加工硬化，那么高锰钢铸件的耐磨性能也就不能充分发挥，从而导致在使用过程中造成较大的消耗。

因此，针对这一问题国内外众多学者在高锰钢材料的强化工作方面进行了大量的研究，有些学者通过改变碳、锰含量并添加合金元素对高锰钢进行合金化处理，研制出多种改性高锰钢，使其既具有高的加工硬化速率又保持了高韧性的奥氏体组织；有些学者从改良热处理工艺的角度来改善高锰钢的力学性能；还有些学者通过对高锰钢进行表面预硬化处理，以此来提升高锰钢的耐磨性；而现有的热处理工艺通常比较复杂，不能很好的应用在实际生产当中。

因此，本发明是针对现有耐磨高锰钢制备方法的不足，通过合金化设计结合热处理调控来提高铸造高锰钢的使用性能，使高锰钢在低应力冲击下表现出更加出色的抗冲击能力和耐磨性，以满足高锰钢铸件在不同工况下的使用。

发明内容

本发明提供了一种在低应力冲击下表现出更加出色的抗冲击能力和耐磨性，以满足高锰钢铸件在不同工况下的使用的铸造高锰钢的制备方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法，包括合金成分设计、真空熔炼和热处理工艺，所述热处理工艺包括以下步骤：

步骤1分段加热保温：将合金化高锰钢首先加热至450±20℃，进行保温，然后加热至650±20℃，进行保温，随后升温至850±20℃，进行保温；

步骤2水韧处理：将步骤1得到的合金化高锰钢加热至1100±50℃保温后，水冷；

步骤3回火：将步骤3得到的高锰钢重新加热至450℃±50℃保温后，空冷至室温。

本技术方案的技术原理和效果在于：

1、本方案中通过成分设计结合真空熔炼以及后续的热处理工艺的调控，使合金化高锰钢组织中产生微-纳双尺度析出相，通过微-纳双尺度析出相与基体的协同作用提高了高锰钢的屈服强度和硬度，进而提高了基体的抗变形能力和对微米级碳化物颗粒的支撑作用，弥散分布的微米级碳化物充当硬质颗粒，可显著提高铸造高锰钢的耐磨性。

2、本方案中的热处理工艺，在450±20℃、650±20℃、850±20℃设定三个等温加热过程，使高锰钢中产生尺寸较大的微米级沉淀物，并随温度升高不断粗化和长大，在随后的1100±50℃奥氏体化过程中由于沉淀物尺寸较大而不会固溶进入奥氏体基体中，从而弥散分布于基体表面并作为硬质颗粒点；再经450±50℃回火，在基体中析出尺寸较小的纳米级析出相。通过本方案中的热处理工艺的调控使高锰钢基体中出现弥散分布的微-纳双尺度析出相，纳米级析出物强化了奥氏体基体，使高锰钢在低应力冲击工况和初始使用条件下表现出优异的耐磨性。

进一步，合金化高锰钢的原料化学成分的质量百分比：C:0.95～1.12％、Mn:16％～18％、Cr:1.8％～2.0％、Si:0.7％～0.9％、Ti:0.06％～0.09％、V:0.54％～0.72％、Nb:0.2％～0.35％、Ni:0.15％～0.35％、Cu:0.35％～0.5％、Mo:0.65％～0.8％、P＜0.02％、S＜0.02％，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

有益效果：通过向传统高锰钢的合金元素中适当加入Cr、V、Mo、W、Ti、Nb、Ni等合金元素形成高熔点化合物，起到细化晶粒作用，同时形成大量的碳化物颗粒，并且使这些碳化物颗粒弥散的分布在奥氏体基体上。

进一步，所述合金成分设计时，先确定碳含量，再确定锰含量，其中碳锰比要大于10。

有益效果：这样利于后续合金成分的设计。

进一步，所述真空熔炼具体为，按照设计的合金成分质量百分比准备原料，将原料中纯铁与石墨电极加入坩埚内，抽真空后加热至1450℃以上，依次加入洛铁、硅铁和锰铁，继续升温至熔化，后加入剩余的合金材料进行熔炼，后浇铸得合金化高锰钢。

有益效果：通过本方案中的熔炼工艺，将设计的合金成分进行熔炼得到需要的合金化高锰钢。

进一步，真空熔炼在惰性气体氛围下进行。

有益效果：惰性气体氛围下能够保证真空度，防止外界气体进入。

进一步，所述坩埚为氧化镁坩埚。

有益效果：氧化镁坩埚能够在1500℃高温以上对金属进行熔炼，稳定性高。

进一步，在加入合金材料之前，坩埚内加入铝块脱氧。

有益效果：这样降低熔炼过程中熔液中的氧化物夹杂，提高高锰钢铸态组织的纯度。

进一步，从浇铸得到的合金化高锰钢上钻取钻屑，进行化学成分分析，根据分析结果调整合金的成分。

有益效果：这样通过化学成分的分析，调整合金成分，最终得到满足要求的合金化高锰钢。

进一步，所述步骤1分段加热保温中，加热速率控制在0.2～0.3℃/s。

有益效果：该速率下确保合金热处理工艺的快速进行。

进一步，所述步骤1～步骤3中，保温时间根据合金化高锰钢的厚度进行，每25mm壁厚的高锰钢保温时间为1～1.5h。

有益效果：这样设定使得高锰钢能够得到充分的热处理。

附图说明

图1为本发明实施例1合金高锰钢的热处理工艺示意图；

图2为本发明实施例2合金化高锰钢铸件经过热处理后的SEM图；

图3为本发明实施例2合金化高锰钢铸件经过热处理后在500nm标尺下的TEM图；

图4为本发明实施例2合金化高锰钢铸件经过热处理后在100nm标尺下的TEM图；

图5为本发明实施例2合金化高锰钢铸件经过热处理后在50nm标尺下的TEM图；

图6为本发明实施例1处理后的合金化高锰钢经4h冲击磨损后的磨损表面SEM图；

图7为本发明实施例2处理后的合金化高锰钢经4h冲击磨损后的磨损表面SEM图；

图8为本发明实施例3处理后的合金化高锰钢经4h冲击磨损后的磨损表面SEM图；

图9为对比例1得到的合金化高锰钢经4h冲击磨损后的磨损表面SEM图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例1

一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法，包括合金成分设计、真空熔炼和热处理工艺，其中合金成分设计时，先确定碳含量，再确定锰含量，其中碳锰比要大于10；本实施例1中耐磨高锰钢的原料化学成分的质量百分比为C:0.95％、Mn:17％、Cr:1.8％、Si:0.7％、Ti:0.06％、V:0.55％、Nb:0.2％、Ni:0.15％、Cu:0.35％、Mo:0.65％、P:0.02％、S:0.02％，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

真空熔炼具体为：使用ZG-25真空感应炉，按照设计的合金成分质量百分比称取原料。在坩埚内加入纯铁和石墨电极，装料完毕后，抽真空、预热关闭真空室。当真空室压力达5Pa时，送电加热并保持抽气，使真空度保持在10Pa以下，持续30min；向真空室内充入高纯氩气(99.999wt％)，在真空室压力降到0.04MPa时加大电源功率，加热至1450℃，依次加入铬铁、硅铁、锰铁，继续升温使炉料快速熔化，熔化时间为40min；当温度达到1550℃时加入铝块进行铝脱氧，5min后增大电源功率，加入镍、钼、铌、铜、金、钒、钛等合金材料，将温度保持在1550℃，熔炼30min；然后浇铸，浇铸时间为2min，铸件尺寸为25×25×200mm；从铸件上钻取钻屑，混合后进行化学成分分析，根据分析结果，调整合金成分，使铸件成分与设计的成分一致。

热处理工艺结合图1所示具体为：

步骤1分段加热保温：将合金化高锰钢铸件加热至450℃，保温1h，然后加热至650℃，保温1h，随后加热至850℃，保温1h。

步骤2水韧处理：将分段加热保温处理之后的高锰钢加热至1050℃保温1h后，水冷。

步骤3回火：将步骤2经水韧处理后的高锰钢重新加热至400℃保温1h后，空冷至室温。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：耐磨高锰钢的原料化学成分的质量百分比为C:1.10％、Mn:17.3％、Cr:1.5％、Si:0.8％、Ti:0.08％、V:0.69％、Nb:0.3％、Ni:0.17％、Cu:0.37％、Mo:0.68％、P:0.01％、S:0.02％，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

热处理工艺结合图1具体为：将合金化高锰钢加热至460℃，保温1h，然后加热至660℃，保温1h，随后加热至860℃，保温1h；水韧处理：将分段加热保温处理之后的高锰钢加热至1150℃保温1h后，水冷；回火：将经水韧处理后的高锰钢重新加热至450℃保温1h后，空冷至室温。

实施例3：

与实施例1的区别在于：耐磨高锰钢的原料化学成分的质量百分比为：C:1.1％、Mn:17.7％、Cr:1.55％、Si:0.9％、Ti:0.09％、V:0.7％、Nb:0.33％、Ni:0.28％、Cu:0.45％、Mo:0.7％、P:0.01％、S:0.02％，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

热处理工艺结合图1具体为：将合金化高锰钢加热至470℃，保温1.2h，然后加热至670℃，保温1.2h，随后加热至870℃，保温1.2h；水韧处理：将分段加热保温处理之后的高锰钢加热至1150℃保温1.2h后，水冷；回火：将经水韧处理后的高锰钢重新加热至500℃保温1.2h后，空冷至室温。

对比例：与实施例1的区别在于，热处理工艺中未进行回火处理。

实验检测：

1、微观结构检测

采用扫描电镜与透射电镜对实施例1～3制得的高锰钢进行检测，其中图2为实施例2制得的高锰钢的SEM图，通过该图可以观察到实施例2制得的高锰钢中含有微米和纳米尺度的析出相。

另外图3、图4和图5分别为实施例2合金化高锰钢铸件经过热处理后在500nm、100nm和50nm标尺下的TEM图，图3中A指奥氏体基体，B指V₂C观察点，图4中C1为V₂C碳化物颗粒，A1为位错缠结，B1为错位，图5中C1为V₂C碳化物颗粒；因此通过图3、图4和图5可以观察到，奥氏体基体中均弥散分布有大量微米级的NbC和少量尺寸细小纳米级的V₂C碳化物颗粒，另外奥氏体基体组织中还含有大量的位错，且大量位错在纳米级的V₂C碳化物颗粒附近形成位错缠结。

2、磨损实验

将实施例1～3与对比例制得的合金化高锰钢，分别采用线切割的方法述实施例1～3制得的合金化高锰钢耐磨材料，分别用线切割的方法加工为10mm×10mm×30mm的冲击磨损试样，进行冲击磨损试验，冲击功为1J，磨料粒度为40～70目，冲击时间为4小时，试样的初始硬度、冲击磨损后的硬度、屈服强度如表1所示；每小时磨损量和总磨损量如表2所示。

另外采用扫描电镜对经4h冲击磨损后的试样进行检测，其中图6、图7和图8分别为实施例1～3制得的合金化高锰钢经4h冲击磨损后的SEM图，为图9为对比例制得的合金化高锰钢4h冲击磨损后的SEM图。

表1为实施例1～3和对比例的屈服强度和硬度

	初始硬度/HBW	冲击磨损后的硬度/HBW	屈服强度/MPa
				实施例1	246	268	521
实施例2	236	293	544
				实施例3	240	280	565
对比例	253	258	483

表2为实施例1～3和对比例的试样每小时磨损量和总磨损量

	1h	2h	3h	4h	总磨损量/g
						实施例1	0.34	0.18	0.38	0.62	1.52
实施例2	0.18	0.25	0.32	0.48	1.23
						实施例3	0.15	0.29	0.35	0.47	1.26
对比例	0.70	0.33	0.32	0.49	1.83

结论：

1、通过表1和表2能够观察到，未经过回火处理的合金化高锰钢虽然初始硬度较高，但在冲击磨损后，加工硬化微弱，硬度提高的幅度极小，且屈服强度低，而经过回火处理的合金化高锰钢，其在冲击磨损后，基体组织中析出的双尺度的析出物使高猛钢在低应力冲击磨损试验下显现出更好更快的加工硬化速率，进而提高了高锰钢在低应力冲击工况和初期使用条件下的耐磨性。

2、另外通过表1和表2能够观察到，随着回火温度的提高，奥氏体基体相中析出物的数目越多，使得析出物在基体相中分布越均匀，表现为对高锰钢起到明显的加工硬化作用，提高了高锰钢在低应力冲击工况和耐磨性能。

3、图6～图9中A2为犁沟，B2为塑性变形，C2为氧化物碎屑，而D2指剥落坑，因此通过图6、图7、图8和图9可知，实施例1～3制得的高锰钢在冲击磨损过程中出现塑形变形、犁沟和少量的氧化物碎屑，而未经过回火处理的高锰钢在冲击磨损过程中出现了剥落坑，使其磨损量较高。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法，包括合金成分设计、真空熔炼和热处理工艺，其特征在于：所述热处理工艺包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法，其特征在于：合金化高锰钢的原料化学成分的质量百分比：C:0.95～1.12％、Mn:16％～18％、Cr:1.8％～2.0％、Si:0.7％～0.9％、Ti:0.06％～0.09％、V:0.54％～0.72％、Nb:0.2％～0.35％、Ni:0.15％～0.35％、Cu:0.35％～0.5％、Mo:0.65％～0.8％、P＜0.02％、S＜0.02％，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

3.根据权利要求2所述的一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法，其特征在于：所述合金成分设计时，先确定碳含量，再确定锰含量，其中碳锰比要大于10。

4.根据权利要求3所述的一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法，其特征在于：所述真空熔炼具体为，按照设计的合金成分质量百分比准备原料，将原料中纯铁与石墨电极加入坩埚内，抽真空后加热至1450℃以上，依次加入洛铁、硅铁和锰铁，继续升温至熔化，后加入剩余的合金材料进行熔炼，后浇铸得合金化高锰钢。

5.根据权利要求4所述的一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法，其特征在于：真空熔炼在惰性气体氛围下进行。

6.根据权利要求5所述的一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法，其特征在于：所述坩埚为氧化镁坩埚。

7.根据权利要求6所述的一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法，其特征在于：在加入合金材料之前，坩埚内加入铝块脱氧。

8.根据权利要求7所述的一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法，其特征在于：从浇铸得到的合金化高锰钢上钻取钻屑，进行化学成分分析，根据分析结果调整合金的成分。

9.根据权利要求8所述的一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法，其特征在于：所述步骤1分段加热保温中，加热速率控制在0.2～0.3℃/s。

10.根据权利要求9所述的一种低应力冲击下高耐磨性的铸造高锰钢的制备方法，其特征在于：所述步骤1～步骤3中，保温时间根据合金化高锰钢的厚度进行，每25mm壁厚的高锰钢保温时间为1～1.5h。