CN115044832A - 一种中锰耐磨钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料技术领域，本发明公开了一种中锰耐磨钢及其制备方法。本发明的中锰钢包括以下重量百分比的化学成分：C：0.9～1.2％，Mn：7.5～8.5％，Si：0.55～0.65％，Ti：0.01～0.15％，Cr：1.5～2.5％，Mo：0.2～0.4％，V：0.1～0.2％，S≤0.003％，P≤0.005％，余量为Fe和杂质。本发明制备的中锰钢在保持了良好的冲击韧性的同时，还提升了中锰钢的硬度。

Description

一种中锰耐磨钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种中锰耐磨钢及其制备方法。
背景技术
耐磨钢广泛用于矿山机械、工程机械、农业机械、铁路运输等部门，目前主要采用高铬铸铁、低合金钢和高锰钢等材料。其中，高铬铸铁的硬度很高，耐磨性也不错，但是冲击韧性很低，很难适用于复杂多变的实际工况；低合金钢在中低等冲击载荷下拥有优异的耐磨性能，适用范围较广，但高性能的低合金耐磨钢的生产技术有限，不适合大规模生产；而高锰钢虽然拥有优异的加工硬化能力，但只有在受到较高冲击载荷下才能完全发生加工硬化行为，在中低等冲击载荷下的耐磨性很差。
为了弥补以上缺点，选择降低高锰钢中Mn的含量，使奥氏体组织的稳定性降低，从而使其在中低等冲击载荷条件下就可以发生形变诱导相变，增加耐磨钢表面的硬化层厚度，从而提高耐磨性能。但目前的研究表明，单纯的降低Mn含量得到的中锰钢的耐磨性能并没有太大的提高，于是研究人员通过加入Cr、Mo、V、Ti等强碳化合物元素，再通过不同的热处理，使其与中锰钢组织中过饱和碳元素形成弥散分布的碳化物，使中锰钢的强度和硬度提高，达到析出强化的效果。但是，上述技术方案还存在着中锰钢初期磨损严重的问题。
因此，如何提供一种可降低初期磨损程度，且机械性能良好的中锰耐磨钢的制备方法成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种中锰耐磨钢及其制备方法，有效解决了中低等冲击载荷下传统高锰钢加工硬化能力不足、普通中锰钢初期磨损严重的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种中锰耐磨钢，包括以下重量百分比的化学成分：
C：0.9～1.2％，Mn：7.5～8.5％，Si：0.55～0.65％，Ti：0.01～0.15％，Cr：1.5～2.5％，Mo：0.2～0.4％，V：0.1～0.2％，S≤0.003％，P≤0.005％，余量为Fe和杂质。
本发明提供了上述中锰耐磨钢的制备方法，包括以下步骤：
S1、按所述中锰耐磨钢的化学成分及其含量进行熔炼浇筑得到钢锭；
S2、将钢锭进行锻造得到锻坯；
S3、锻坯在1200～1300℃下保温1～3h后进行热轧得到热轧板，其中，终轧温度≥950℃；
S4、将热轧板在900～1200℃下保温1～2h后进行淬火得到固溶板；
S5、固溶板经时效强化得到中锰耐磨钢。
进一步的，所述步骤S1中熔炼的温度为1600～1700℃，时间为0.5～2h。
进一步的，所述步骤S2中锻造的温度为1000～1100℃；所述锻坯为截面积为100×70mm的方坯。
进一步的，所述步骤S3中热轧的次数为5～7次，热轧的总变形量为85～95％，热轧板的厚度为8～12mm。
进一步的，所述步骤S5中时效强化的温度为450～500℃，时间为1～2h。
进一步的，对步骤S5得到的中锰耐磨钢进行喷丸处理；
所述喷丸处理的时间为5～30min，压力为0.5～0.6MPa，喷嘴高度为4～6cm，钢珠直径为0.3～0.5mm。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过固溶处理使奥氏体晶粒发生重新再结晶与消除内部应力得到完全奥氏体之后，针对耐磨性不足的问题特别添加了Ti元素，经过不同的时效工艺，析出的纳米级Ti(C、N)颗粒能有效抵挡外力的侵入，显著提高硬度(基体硬度≥330HV)，同时大量纳米级Ti(C、N)颗粒能有效抑制奥氏体晶粒的长大。与传统高锰钢相比，在中低等冲击载荷条件下(1～3J/cm2)，耐磨性能提高4.8～5.2倍。
2、本发明通过喷丸处理技术，在进行磨损之前使中锰耐磨钢表面发生马氏体相变，形成了0.5～1.5mm厚的硬化层，表层硬化层硬度≥620HV，有效减缓了普通中锰钢初期磨损严重的问题；在中低等冲击载荷条件下(1～3J/cm2)，本发明的中锰耐磨钢与普通中锰钢相比，耐磨性能提高了1.6～2.1倍；与NM550钢相比，磨损量降低了33.1％～78.4％。
3、本发明的热处理过程中显微组织存在退火孪晶与形变孪晶，有效细化了奥氏体晶粒，使中锰耐磨钢的力学性能稳定，中锰耐磨钢的平均奥氏体晶粒的直径为20～25μm，冲击韧性≥150J。
附图说明
图1为本发明实施例1的中锰耐磨钢Ti的析出物透射电镜图；
图2为在1J/cm2的冲击载荷条件下，实施例1～4制备的中锰耐磨钢和对比例1～3制备的不同耐磨钢的耐磨性能对比图；
图3为在3J/cm2的冲击载荷条件下，实施例1～4制备的中锰耐磨钢和对比例1～3制备的不同耐磨钢的耐磨性能对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种中锰耐磨钢，包括以下重量百分比的化学成分：
C：0.9～1.2％，Mn：7.5～8.5％，Si：0.55～0.65％，Ti：0.01～0.15％，Cr：1.5～2.5％，Mo：0.2～0.4％，V：0.1～0.2％，S≤0.003％，P≤0.005％，余量为Fe和杂质。
在本发明中，所述重量百分比的化学成分优选为：C：0.95～1.13％，Mn：7.7～8.2％，Si：0.57～0.63％，Ti：0.05～0.12％，Cr：1.6～2.2％，Mo：0.25～0.38％，V：0.14～0.19％，S≤0.002％，P≤0.004％，余量为Fe和杂质。
在本发明中，所述重量百分比的化学成分进一步优选为：C：1.0～1.1％，Mn：7.8～8.0％，Si：0.59～0.61％，Ti：0.07～0.10％，Cr：1.8～2.0％，Mo：0.27～0.32％，V：0.16～0.18％，S≤0.001％，P≤0.002％，余量为Fe和杂质。
本发明还提供了上述中锰耐磨钢的制备方法，包括以下步骤：
S1、按所述中锰耐磨钢的化学成分及其含量进行熔炼浇筑得到钢锭；
S2、将钢锭进行锻造得到锻坯；
S3、锻坯在1200～1300℃下保温1～3h后进行热轧得到热轧板，其中，终轧温度≥950℃；
S4、将热轧板在900～1200℃下保温1～2h后进行淬火得到固溶板；
S5、固溶板经时效强化得到中锰耐磨钢。
在本发明中，所述步骤S1中熔炼的温度为1600～1700℃，优选为1620～1680℃，进一步优选为1640～1660℃；时间为0.5～2h，优选为0.8～1.6h，进一步优选为1.0～1.5h。
在本发明中，所述步骤S2中锻造的温度为1000～1100℃，优选为1020～1080℃，进一步优选为1040～1050℃；所述锻坯为截面积为100×70mm的方坯。
在本发明中，所述步骤S3中热轧的次数为5～7次，优选为6次；热轧的总变形量为85～95％，优选为88～92％，进一步优选为90％；热轧板的厚度为8～12mm，优选为9～11mm，进一步优选为10mm。
在本发明中，所述步骤S3中保温的温度优选为1220～1280℃，进一步优选为1240～1260℃；时间优选为1.5～2.5h，进一步优选为2h。
在本发明中，所述步骤S4中保温的温度优选为950～1150℃，进一步优选为1000～1100℃；时间优选为1.5h。
在本发明中，所述步骤S4中淬火的介质为水，淬火后的温度为室温。
在本发明中，所述步骤S5中时效强化的温度为450～500℃，优选为460～480℃，进一步优选为470℃；时间为1～2h，优选为1.2～1.8h，进一步优选为1.5h。
在本发明中，优选对步骤S5得到的中锰耐磨钢进行喷丸处理；
所述喷丸处理的时间为5～30min，优选为8～25min，进一步优选为12～20min；压力为0.5～0.6MPa，优选为0.52～0.58MPa，进一步优选为0.53～0.55MPa；喷嘴高度为4～6cm，优选为5cm；钢珠直径为0.3～0.5mm，优选为0.4mm。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例中锰耐磨钢的重量百分比的化学成分如下：C：0.9％，Mn：8.0％，Si：0.57％，Ti：0.05％，Cr：1.8％，Mo：0.2％，V：0.2％，S≤0.003％，P≤0.005％，余量为Fe和杂质。
本实施例中锰耐磨钢的具体制备步骤如下：
按上述中锰耐磨钢的化学成分及其含量在1600℃下熔炼1h并浇筑得到钢锭；将钢锭在1050℃下锻造成锻坯；然后将锻坯在1300℃下保温1h后热轧7次得到10mm厚热轧板，热轧总变形量为90％，终轧温度≥950℃；将热轧板在1000℃下保温2h后进行淬火得到固溶板；最后将固溶板在450℃下时效强化1h得到中锰耐磨钢。
本实施例所制备的中锰耐磨钢的显微组织为完全奥氏体组织，平均奥氏体晶粒直径为25μm，冲击韧性≥150J，显微组织上含有大量纳米级Ti(C、N)颗粒，析出率≥1.1％，基体硬度≥330HV；本实施例所制备的中锰耐磨钢在1J/cm2冲击载荷条件下的耐磨性能如图2所示，其磨损率为1.75mg/mm2；在3J/cm2的冲击载荷条件下的耐磨性能如图3所示，其磨损率为1.56mg/mm2。
实施例2
本实施例中锰耐磨钢的重量百分比的化学成分如下：C：1.0％，Mn：7.8％，Si：0.58％，Ti：0.06％，Cr：2.0％，Mo：0.3％，V：0.1％，S≤0.003％，P≤0.004％，余量为Fe和杂质。
本实施例中锰耐磨钢的具体制备步骤如下：
按上述中锰耐磨钢的化学成分及其含量在1640℃下熔炼1h并浇筑得到钢锭；将钢锭在1060℃下锻造成锻坯；然后将锻坯在1250℃下保温1.5h后热轧7次得到10mm厚热轧板，热轧总变形量为90％，终轧温度≥950℃；将热轧板在1100℃下保温1.5h后进行淬火得到固溶板；再将固溶板在460℃下时效强化1h得到中锰耐磨钢；再对中锰耐磨钢进行喷丸处理，其中，喷丸处理的时间为10分钟，钢珠直径为0.4mm，喷嘴高度为5cm，喷丸压力为0.5MPa。
本实施例所制备的中锰耐磨钢的显微组织为完全奥氏体组织，平均奥氏体晶粒直径为24μm，冲击韧性≥150J，显微组织上含有大量纳米级Ti(C、N)颗粒，析出率≥1.1％，基体硬度≥620HV，硬化层深度在0.5～0.8mm之间；本实施例所制备的中锰耐磨钢在1J/cm2冲击载荷条件下的耐磨性能如图2所示，其磨损率为1.64mg/mm2；在3J/cm2的冲击载荷条件下的耐磨性能如图3所示，其磨损率为1.37mg/mm2。
实施例3
本实施例中锰耐磨钢的重量百分比的化学成分如下：C：1.1％，Mn：8.0％，Si：0.60％，Ti：0.08％，Cr：2.2％，Mo：0.4％，V：0.1％，S≤0.002％，P≤0.004％，余量为Fe和杂质。
本实施例中锰耐磨钢的具体制备步骤如下：
按上述中锰耐磨钢的化学成分及其含量在1650℃下熔炼1h并浇筑得到钢锭；将钢锭在1080℃下锻造成锻坯；然后将锻坯在1250℃下保温1h后热轧7次得到10mm厚热轧板，热轧总变形量为90％，终轧温度≥950℃；将热轧板在1150℃下保温1h后进行淬火得到固溶板；再将固溶板在470℃下时效强化2h得到中锰耐磨钢；再对中锰耐磨钢粗品进行喷丸处理，其中，喷丸处理的时间为15分钟，钢珠直径为0.4mm，喷嘴高度为6cm，喷丸压力为0.5MPa。
本实施例所制备的中锰耐磨钢的显微组织为完全奥氏体组织，平均奥氏体晶粒直径为22μm，冲击韧性≥150J，显微组织上含有大量纳米级Ti(C、N)颗粒，析出率≥1.1％，基体硬度≥620HV，硬化层深度在0.8～1.2mm之间；本实施例所制备的中锰耐磨钢在1J/cm2冲击载荷条件下的耐磨性能如图2所示，其磨损率为1.61mg/mm2；在3J/cm2的冲击载荷条件下的耐磨性能如图3所示，其磨损率为1.09mg/mm2。
实施例4
本实施例中锰耐磨钢的重量百分比的化学成分如下：C：1.2％，Mn：8.2％，Si：0.55％，Ti：0.12％，Cr：2.1％，Mo：0.2％，V：0.1％，S≤0.002％，P≤0.003％，余量为Fe和杂质。
本实施例中锰耐磨钢的具体制备步骤如下：
按上述中锰耐磨钢的化学成分及其含量在1680℃下进行熔炼1h并浇筑得到钢锭；将钢锭在1100℃下锻造成锻坯；然后将锻坯在1260℃下保温1h后热轧7次得到10mm厚热轧板，热轧总变形量为90％，终轧温度≥950℃；将热轧板在1200℃下保温1h后进行淬火得到固溶板；再将固溶板在480℃下时效强化2h得到中锰耐磨钢；再对中锰耐磨钢粗品进行喷丸处理，其中，喷丸处理的时间为20分钟，钢珠直径为0.4mm，喷嘴高度为8cm，喷丸压力为0.6MPa。
本实施例所制备的中锰耐磨钢的显微组织为完全奥氏体组织，平均奥氏体晶粒直径为23μm，冲击韧性≥150J，显微组织上含有大量纳米级Ti(C、N)颗粒，析出率≥1.1％，基体硬度≥620HV，硬化层深度在1.2～1.5mm之间；本实施例所制备的中锰耐磨钢在1J/cm2冲击载荷条件下的耐磨性能如图2所示，其磨损率为1.45mg/mm2；在3J/cm2的冲击载荷条件下的耐磨性能如图3所示，其磨损率为0.97mg/mm2。
对比例1
本对比例中传统高锰钢的重量百分比的化学成分如下：C：1.2％，Mn：12.0％，Si：0.5％，S≤0.003％，P≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本对比例传统耐磨钢的具体制备步骤如下：
按上述传统高锰钢的化学成分及其含量在1680℃下进行熔炼1h并浇筑得到钢锭；将钢锭在1100℃下锻造成锻坯；然后将锻坯在1260℃下保温1h后热轧7次得到10mm厚传统高锰钢，热轧总变形量为90％，终轧温度≥950℃。
本对比例所制备的传统高锰钢的显微组织为完全奥氏体组织，平均奥氏体晶粒直径为38μm，冲击韧性≥90J，基体硬度在210HV左右；本对比例所制备的传统高锰钢在1J/cm2冲击载荷条件下的耐磨性能如图2所示，其磨损率为7.49mg/mm2；在3J/cm2的冲击载荷条件下的耐磨性能如图3所示，其磨损率为4.71mg/mm2。
对比例2
本对比例普通耐磨钢的重量百分比的化学成分如下：C：1.2％，Mn：8.2％，Si：0.55％，Cr：2.1％，Mo：0.2％，V：0.1％，S≤0.002％，P≤0.003％，余量为Fe和杂质。
本对比例普通耐磨钢的具体制备步骤如下：
按上述耐磨钢的化学成分及其含量在1680℃下进行熔炼1h并浇筑得到钢锭；将钢锭在1100℃下锻造成锻坯；然后将锻坯在1260℃下保温1h后热轧7次得到10mm厚普通耐磨钢，热轧总变形量为90％，终轧温度≥950℃。
本对比例所制备的普通高锰钢的显微组织为完全奥氏体组织，平均奥氏体晶粒直径为33μm，冲击韧性≥70J，基体硬度在210～230HV之间；本对比例所制备的普通高锰钢在1J/cm2冲击载荷条件下的耐磨性能如图2所示，其磨损率为2.38mg/mm2；在3J/cm2的冲击载荷条件下的耐磨性能如图3所示，其磨损率为2.02mg/mm2。
对比例3
本对比例为按国产NM550的标准成分制备的NM550钢。
本对比例所制备的NM550钢的显微组织为单一的板条马氏体，冲击韧性在20～26J之间，基体硬度在560～620HV之间；本对比例所制备的NM550钢在1J/cm2冲击载荷条件下的耐磨性能如图2所示，其磨损率为1.93mg/mm2；在3J/cm2的冲击载荷条件下的耐磨性能如图3所示，其磨损率为1.73mg/mm2。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种中锰耐磨钢，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：
C：0.9～1.2％，Mn：7.5～8.5％，Si：0.55～0.65％，Ti：0.01～0.15％，Cr：1.5～2.5％，Mo：0.2～0.4％，V：0.1～0.2％，S≤0.003％，P≤0.005％，余量为Fe和杂质。
2.权利要求1所述中锰耐磨钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按所述中锰耐磨钢的化学成分及其含量进行熔炼浇筑得到钢锭；
S2、将钢锭进行锻造得到锻坯；
S3、锻坯在1200～1300℃下保温1～3h后进行热轧得到热轧板，其中，终轧温度≥950℃；
S4、将热轧板在900～1200℃下保温1～2h后进行淬火得到固溶板；
S5、固溶板经时效强化得到中锰耐磨钢。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中熔炼的温度为1600～1700℃，时间为0.5～2h。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中锻造的温度为1000～1100℃；所述锻坯为截面积为100×70mm的方坯。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中热轧的次数为5～7次，热轧的总变形量为85～95％，热轧板的厚度为8～12mm。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中时效强化的温度为450～500℃，时间为1～2h。
7.根据权利要求2、3、4或6所述的制备方法，其特征在于，对步骤S5得到的中锰耐磨钢进行喷丸处理；
所述喷丸处理的时间为5～30min，压力为0.5～0.6MPa，喷嘴高度为4～6cm，钢珠直径为0.3～0.5mm。
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