CN115537658A

CN115537658A - 一种具有良好耐磨性能高锰钢及生产方法

Info

Publication number: CN115537658A
Application number: CN202211200706.3A
Authority: CN
Inventors: 胡丞杨; 何成杰; 吴开明; 万响亮; 成林; 贾力
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2022-09-29
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2022-12-30
Anticipated expiration: 2042-09-29
Also published as: CN115537658B

Abstract

一种具有良好耐磨性能高锰钢，其组分及wt%为：C：0.7～1.2%，Mn：13.0～21.0%，Cr：3.0～4.0%，Al：1.0～1.5%，Si：0.05～0.3%，Cu：0.1～0.5%，S≤0.015%，P≤0.005%；生产方法：冶炼及浇注成坯；对板坯加热；热轧；冷却至室温后退火；在室温下冷轧至产品厚度；进行逆相变退火；冷却；冷却至室温。本发明通过合理的元素含量和退火工艺设计，能大幅提高奥氏体含量的同时不损失其稳定性，使组织在变形过程中能够协调发生TRIP和TWIP效应，且其硬度在330~530HV之间，屈服强度在630～1290MPa，抗拉强度在1120～1530MPa，断后延伸率在25～60%。

Description

一种具有良好耐磨性能高锰钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种工程机械用钢及生产方法，具体属于一种用于球磨机的具有良好耐磨性能高锰钢及生产方法。

背景技术

高锰钢是一种历史悠久的耐磨材料，1882年由英国人Robert Hadfield最先研发出来，并在1883年取得了高锰钢专利，因此高锰钢也被称为Hadfield钢。由于高锰钢具有较好的耐磨性，因此被作为球磨机衬板的主要材料。球磨机被广泛运用于建材、冶金、化工等领域，尤其在选矿行业占有重要地位，其工作效率直接影响企业的经济效益。随着能源短缺和环境恶化问题的日益加剧，节能、减少材料损耗、环保已成为工业发展的主要方向，对高锰钢的耐磨性、屈服强度、硬度和塑性都提出了更高的要求，成为高强高塑性高耐磨性高锰钢发展动力之一。

传统高锰钢材料的基本成分是：C含量0.9％～1.5wt.％，Mn含量10％～15wt.％，Si含量0.3％～1.0wt.％，S含量小于0.05wt.％，P含量小于0.1wt.％。在该合金体系的基础上，为了抑制碳化物析出、扩大两相区和减轻材料密度，添加了Al、Si等合金元素；为了提高耐腐蚀性，添加了Cu元素；为了提高室温奥氏体稳定性，添加了Cr元素。

高锰钢经过固溶处理后均得到单一的奥氏体组织，该组织在强烈的冲击载荷或挤压载荷作用下，受力表面会发生加工硬化并形成高密度位错和形变组织，而心部仍然保持着原始组织。高锰钢工件经加工硬化后能形成表面硬而耐磨的外壳和高韧性的心部，因此形变高锰钢不仅能够承受较大的冲击载荷，而且具有优良的耐磨性能。

通过冷轧结合退火工艺的方法来细化晶粒可以使在不损害或较小损害塑性的前提下提高屈服强度，即在冷轧工艺后进行退火处理，经过不同的退火温度、保温时间、冷却速度等工艺及方式的处理，会导致TWIP钢的晶粒尺寸、晶粒取向及微观组织等发生改变从而影响其力学性能。

虽然高锰钢本身的综合力学性能较好，但其耐磨性要在较强冲击工况中才能表现，其在中、低载荷下的耐磨性还不能满足人们对高锰钢良好耐磨性能的要求。

经检索：

中国专利申请号为CN200710061415.X的文献，公开了一种《利用异步轧制提高耐磨高锰钢耐磨性的方法》。所述高锰钢按质量百分数确定的化学成分为C：1.1～1.3、Mn：11～14、Si：0.3～0.8、S：<0.013、P：<0.027，其力学性能为σ_h>700MPa，ε>15％，a_k>180J/cm²，HB<250，该发明主要是利用异步轧制来提高高锰钢耐磨性，但从其性能来看，提高后的效果无法满足当今的需求，是由于仅仅通过异步轧制还无法很好的提高耐磨性。

中国专利申请号为CN200810041728.3的文献，公开的《一种具有优良力学性能的高锰钢及其制造方法》。所述高锰钢其化学成分(以重量百分比计)包含：C：0.3～1.0％，Mn：15.0～30.0％，V：0.1～0.4％或Ti：0.02～0.06％，P：≤0.025％，S：≤0.025％，热轧钢的力学性能为：R_p0.2＝450～550MPa，R_m≥900MPa，A₅₀≥50％，R_m×A₅₀≥50000MPa·％。冷轧钢的力学性能为：R_p0.2＝300～650MPa，R_m≥900MPa，A₅₀≥50％，R_m×A₅₀≥50000MPa·％。该文献利用轧制加退火工艺成功提高了高锰钢的综合力学性能，实现高强度，高塑性以及高的撞击吸收能，但低、中应力冲击的耐磨性能(屈服强度最大仅为650MPa)仍不足，是由于没有利用大压下量的轧制和合适的退火工艺，导致没有实现晶粒细化带来的强度和塑性的提升。

发明内容

本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种通过合理成分配比和优化变形量及退火工艺，控制平均晶粒尺寸，精确调控奥氏体体积分数和稳定性，以及有效的TRIP和TWIP效应达到高加工硬化率，提高高锰钢的耐磨性，实现硬度在330～530HV，屈服强度在630～1290MPa，抗拉强度在1120～1530MPa，断后延伸率在25～60％的具有良好耐磨性能高锰钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种具有良好耐磨性能高锰钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.7～1.2％，Mn：13.0～21.0％，Cr：3.0～4.0％，Al：1.0～1.5％，Si：0.05～0.3％，Cu：0.1～0.5％，S≤0.015％，P≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质；其金相组织为不低于体积比为85％的奥氏体，其余为马氏体；其力学性能：硬度为330～530HV，屈服强度为630～1290MPa，抗拉强度为1120～1530MPa，断后延伸率为25～60％。

优选地：C的重量百分比含量在0.82～1.13％。

优选地：Mn的重量百分比含量在15.1～19.8％。

优选地：Al的重量百分比含量在1.15～1.46％。

一种具有良好耐磨性能高锰钢的生产方法，其步骤：

1)经冶炼及浇注成坯后的板坯厚度控制在40～60mm；

2)对板坯加热，其加热温度控制在1150～1230℃，并在此温度下保温100～150min；

3)进行热轧，控制轧制总压下率不低于85％，开轧温度不低于1130℃，终轧温度在920～1010℃；控制热轧板厚度在4～9mm；

4)自然冷却至室温后进行退火，控制退火温度在至630～660℃，并在此温度下保温30～60min；

5)再次自然冷却至室温后在室温状态下冷轧至产品厚度，并控制总压下率在60～90％；

6)进行逆相变退火，将冷轧板加热至500～900℃，并在此温度下保温1.5～40min；

7)进行冷却，在冷却速度为50～80℃/s下水冷至120～150℃；

8)自然冷却至室温。

优选地：热轧后的退火保温时间在30～53min。

优选地：冷轧轧制总压下率在75～90％。

优选地：所述逆相变退火的加热温度在620～820℃，保温时间1.5～7min。

其在于：当采用注坯厚度不低于100mm时，要将注坯加热至1120～1200℃，并在此温度下保温2～3h；再锻压至40～60mm厚，经自然冷却至室温后常规进行后工序。

本发明中各原料及主要工艺的作用及机理

C：C是高锰钢中重要的固溶强化元素，是最经济、有效的强化元素。C含量设计偏低，则无法获得良好的固溶强化效果；但C含量过高则引起过大的晶格畸变或晶界上析出大的碳化物，降低了钢的塑性。因此从经济性和综合性能考虑，本发明中C百分含量控制范围为0.7～1.2％，优选0.82～1.13％。

Si：Si在高锰钢中起到固溶强化的作用，因其可以改变C在奥氏体中的溶解度，所以Si元素对高锰钢力学性能的影响比较复杂。Si元素的添加有利于高锰钢变形过程中形变孪晶的形成，但Si含量较高时会影响高锰钢热轧板的表面质量不利于产业化，需要严格控制其含量。因此，Si的含量范围控制在0.05～0.3％。

Mn：Mn是高锰钢中的主要合金元素，具有扩大奥氏体相区并稳定奥氏体组织的作用。当钢中C含量一定时，随着Mn含量的增加，其组织会由珠光体型逐渐转变为马氏体型并进一步转变为奥氏体型，促使钢在室温下形成单一的奥氏体组织。另外，Mn元素可以通过影响层错能而影响钢的变形机制，随着Mn含量增加，奥氏体钢的变形机制会由TRIP效应逐渐转变为TWIP效应。因此，Mn的含量范围控制在13.0～21.0％，优选15.1～19.8％。

P：由于钢中含有大量的Mn元素，会增大P在晶界的偏聚，弱化晶界，故P含量应尽可能降低。因此，P的含量范围应≤0.005％。

S：由于钢中含有大量的Mn元素，S在钢中易形成MnS，引起热脆，所以S含量越少越好。因此，S的含量范围应≤0.015％。

Al：Al在高锰钢中的作用是提高层错能，抑制马氏体相变的发生，有利于形变孪晶的形成，从而提高强塑性。有研究表明当Mn含量降低而添加Al会使TWIP钢的屈服强度增加但抗拉强度和伸长率下降。并且Al元素的添加会使TWIP钢变形后的形变孪晶更加均匀，避免应力集中。但当Al含量过量会导致抗拉强度降低并且在生产过程中会降低钢液的流动性，造成浇注水口堵塞，需要合理控制Al含量。因此，Al的含量范围控制在1.0～1.5％，优选1.15～1.46％。

Cr：Cr是稳定性元素，有利于提高室温奥氏体的稳定性，并且是碳化物形成元素，当w(Cr)：w(C)大于3.5时，碳化物由网状的(Fe,Cr)₃C转变为孤岛状的(Fe,Cr)₇C₃和(Fe,Cr)₂₃C₆使高锰钢获得很高的韧性。另外，Cr元素的加入可以有效提高高锰钢的抗腐蚀性和抗氧化性。因此，Cr的含量范围控制在3.0～4.0％。

Cu：Cu作为奥氏体稳定元素，在奥氏体中有较高的固溶度。废钢中通常含有Cu元素，从而降低了原材料的要求，可以利用含铜的废钢材进行冶炼，扩大了冶炼工艺范围。Cu含量能够调节材料的层错能，从而调节材料的变形机制，优化材料的强韧性，经适当的退火工艺处理后，Cu合金化Fe-C-Mn系高锰钢的强韧积比未加Cu的Fe-C-Mn系高锰钢有较大幅度提高。因此，Cu的含量范围控制在0.1～0.5％。

本发明之所以控制板坯厚度在40～60mm，是由于为了达到工艺上所要求的总变形率以及最终产品厚度尺寸。

本发明之所以控制锻压前的加热温度在1120～1200℃，并在此温度下保温2～3h，是由于限制保温时间在2～3h，可避免锻造板坯由于过热而导致的晶粒粗大，使材料的强度和硬度下降。

本发明之所以控制板坯加热温度在1150～1230℃，并在此温度下保温100～150min，是由于铸件或者锻坯存在一定的铸造或锻造缺陷，在此温度下可有效消除部分缺陷，为热轧做准备。且根据合金成分，加热到1150～1230℃可软化材料，提高轧机的变形能力，实现大压下量热轧，保温时间在100～150min方可保证坯料心部温度达到1100℃以上，但保温时间也不可过长，过长将导致材料晶粒粗大。

本发明之所以控制热轧轧制总压下率不低于85％，开轧温度不低于1130℃，终轧温度在920～1010℃，不低于85％的总压下率是由于可有效细化晶粒，温度的控制是由于在此温度下材料才可实现单次大变形量的轧制。

本发明之所以退火温度在630～660℃，并在此温度下保温30～60min，是由于热轧后存在残余应力不利于下一步冷轧处理，该温度下退火可消除残余应力且组织不会过分长大。

本发明之所以控制冷轧总压下率在60～90％，是由于大的总压下率能够产生极强的加工硬化，提高材料的强度。且由于大的总压下率冷轧将产生大量位错，位错缠结形成尺寸细小的位错胞，再经过下一步的退火处理可有效降低平均晶粒尺寸，实现细晶强化的作用。

本发明之所以控逆相变退火的冷轧板加热温度在500～900℃，并在此温度下保温1.5～40min，是由于退火后可消除冷变形后的变形组织，位错、滑移带消失，马氏体逆相变为奥氏体，得到细小的近无缺陷等轴奥氏体晶粒。通过退火处理后，塑性得到了提升，同时由于平均晶粒尺寸细小，具有高硬度、高强度的优良力学性能特点。

本发明之所以控制在冷却速度为50～80℃/s下水冷至120～150℃，是由于要严格控制退火温度时长，若冷速过慢，高锰钢长时间处在高温状态后的晶粒将长大，细晶强化效果将减弱，因此以冷却速度为50～80℃/s下水冷至120～150℃。

与现有技术相比：

1)本发明调控合金成分的依据为层错能的高低，通过精确控制Mn、Al、C等元素含量，能确保TRIP和TWIP效应的协调发生，并且调整轧后的退火工艺参数以调控组织晶粒大小及奥氏体稳定性。

2)本发明通过合理的元素含量和退火工艺设计，能大幅提高奥氏体含量的同时不损失其稳定性，使组织在变形过程中能够协调发生TRIP和TWIP效应，且其硬度在330～530HV之间，屈服强度在630～1290MPa，抗拉强度在1120～1530MPa，断后延伸率在25～60％。

3)本发明采用大压下量轧制—退火工艺，提高耐磨性能和晶粒细化的效果显著。

附图说明

图1为本发明实施例EBSD组织图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的化学成分列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产

1)经冶炼及浇注成坯后的板坯厚度控制在40～60mm；

7)进行冷却，在冷却速度为50～80℃/s下水冷至120～150℃；

8)自然冷却至室温。

表1本发明各实施例及对比例的化学成分列表(wt％)

表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

续表2

表3本发明各实施例及对比例力学性能检测结果列表

从表3可以看出，按照本发明的生产方法生产获得的高锰钢(实施例1～10)具有很高的硬度(330～526HV)，表现出良好的耐磨性能，同时具有较高的断后延伸率(26.1～59.0％)，强塑性综合力学性能均高于对比例1和对比例2。以上实施例采用合理的成分配比、冷轧总压下率、退火温度和退火时间等，可以有效降低平均晶粒尺寸，从而获得优良的耐磨性能，并且不会严重损害材料塑性，达到我们对高锰钢在低、中应力服役下的耐磨性能要求。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims

1.一种具有良好耐磨性能高锰钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.7～1.2%，Mn：13.0～21.0%，Cr：3.0～4.0%，Al：1.0～1.5%，Si：0.05～0.3%，Cu：0.1～0.5%，S≤0.015%，P≤0.005%，余量为Fe及不可避免的杂质；其金相组织为不低于体积比为85%的奥氏体，其余为马氏体；其力学性能：硬度为330～530HV，屈服强度为630～1290MPa，抗拉强度为1120～1530MPa，断后延伸率为25～60%。

2.如权利要求1所述的一种具有良好耐磨性能高锰钢，其特征在于：C的重量百分比含量在0.82～1.13%。

3.如权利要求1所述的一种具有良好耐磨性能高锰钢，其特征在于：Mn的重量百分比含量在15.1～19.8%。

4.如权利要求1所述的一种具有良好耐磨性能高锰钢，其特征在于：Al的重量百分比含量在1.15～1.46%。

5.如权利要求1所述的一种具有良好耐磨性能高锰钢的生产方法，其步骤：

1）经冶炼及浇注成坯后的板坯厚度控制在40～60mm；

2）对板坯加热，其加热温度控制在1150～1230°C，并在此温度下保温100～150min；

3）进行热轧，控制轧制总压下率不低于85%，开轧温度不低于1130°C，终轧温度在920~1010°C；控制热轧板厚度在4～9mm；

4）自然冷却至室温后进行退火，控制退火温度在至630～660°C，并在此温度下保温30～60min；

5）再次自然冷却至室温后在室温状态下冷轧至产品厚度，并控制总压下率在60～90%；

6）进行逆相变退火，将冷轧板加热至500～900°C，并在此温度下保温1.5～40min；

7）进行冷却，在冷却速度为50～80°C/s下水冷至120～150°C；

8）自然冷却至室温。

6.根据权利要求5所述的一种具有良好耐磨性能高锰钢的生产方法，其特征在于：热轧后的退火保温时间在30～53min。

7.根据权利要求5所述的一种具有良好耐磨性能高锰钢的生产方法，其特征在于：冷轧轧制总压下率在75～90%。

8.根据权利要求5所述的一种具有良好耐磨性能高锰钢的生产方法，其特征在于：所述逆相变退火的加热温度在620～820°C，保温时间1.5～7min。

9.根据权利要求5所述的一种具有良好耐磨性能高锰钢的生产方法，其特征在于：当采用注坯厚度不低于100mm时，要将注坯加热至1120～1200℃，并在此温度下保温2～3h；再锻压至40～60mm厚，经自然冷却至室温后常规进行后工序。