CN115572800A - 一种复合析出相提高高锰钢性能的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合析出相提高高锰钢性能的处理方法，属于金属材料技术领域。所述高锰钢化学成分质量百分比为：C：0.85～0.95、N：0.17～0.18、Mn：18.0～19.0、Si：0.8～1.0、Cr：1.8～1.9、Ti:0.08~0.1、V：0.35～0.4、Nb：0.1～0.12、Mo：0.4～0.5、Ni：0.2～0.3、Cu：0.4～0.6、P：<0.02、S：<0.02，其余为Fe和不可避免的微量杂质，其处理过程包括：采用所述的化学成分进行配料，在中频感应炉中进行金属熔炼并铸造成钢锭；将铸锭依次进行固溶和时效处理，所述固溶处理为1050～1150℃保温1h~2h水淬，然后于350℃～450℃时效处理48～96h空冷，通过该方法奥氏体基体中可析出数量较多的复合亚微米级析出相（Ti,Nb,V）（C,N），使高锰钢具有复合析出强化、高抗拉强度和高耐磨性等优点，提高高锰钢的性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体提供一种复合析出相提高高锰钢性能的处理方法。
背景技术
高锰钢广泛应用于机械、矿山、冶金、电力、煤炭、化工和铁路等领域所需的大型设备中，其配件大都较大，重达几吨至十几吨，服役条件苛刻，绝大多数铸造高锰钢由于组织不均匀，晶界处分布着尺寸较大的共晶碳化物，高锰钢在使用过程中发生严重变形、开裂，耐磨性降低，造成了巨大的经济损失，因此急需提高高锰钢的力学性能和耐磨性能，延长工件的使用寿命，减少生产成本。
第二相强化是提高高锰钢强度和耐磨性的重要方法之一，高锰钢若能在奥氏体基体上弥散分布一定数量的高硬度第二相，则可以阻碍形变过程中位错的滑移，强化基体，提高加工硬化能力，在热处理过程中也能有效地阻止晶粒粗化。固溶处理可以将铸造高锰钢晶界上绝大部分碳氮化物溶解，使合金元素扩散至晶内；时效处理则影响着基体中第二相的析出演变规律，合理的时效处理制度能够调控高锰钢基体中亚微米级析出相的数量大小和分布情况，提高高锰钢的强度和耐磨性，以满足高锰钢在不同服役条件下的使用需求，延长高锰钢的使用寿命。
本发明采用合适的处理方法获得复合的亚微米级析出相，充分发挥合金元素提高钢强度的作用，利用固溶强化、细晶强化、位错强化、第二相强化这几种强化机制的综合强化效果得到较高强韧性和耐磨性的高锰钢。
发明内容
本发明旨在提高高锰钢的强度和耐磨性，解决高锰钢在使用过程中出现的变形开裂、磨损严重等问题，公开了一种复合析出相提高高锰钢性能的处理方法，改变高锰钢基体中复合亚微米级析出相的数量、大小和分布，改善高锰钢的力学性能，提高使用寿命。
根据权利要求1所述的一种复合析出相提高高锰钢性能的处理方法，所得高锰钢的铸态组织在室温下为奥氏体基体和沿着晶界析出的微米级共晶碳化物，通过固溶时效处理可析出数量较多的复合亚微米级析出相，所述的复合亚微米级析出相为（Ti,Nb,V）（C,N），析出相的尺寸不大于300nm，包括以下步骤：
（1）固溶处理：将铸造合金化高锰钢加热至1050～1150℃，保温1~2h后进行水淬；从开启炉门到高锰钢入水的时间≤60s；高锰钢入水前的水温≤30℃；入水后的水温≤50℃；冷却时间≥90min；铸件和水的质量比不大于1:10。
（2）时效处理：将步骤1得到的合金化高锰钢加热至350℃～450℃，保温48～96h后，空冷至室温，使合金化高锰钢充分析出亚微米级碳化物。
进一步的，本发明所述铸造合金化高锰钢的化学成分及其质量百分比为：C：0.85～0.95、N：0.17～0.18、Mn：18.0～19.0 、Si：0.8～1.0、Cr：1.8～1.9、Ti: 0.08~0.1、V：0.35～0.4、Nb：0.1～0.12、Mo：0.4～0.5、Ni：0.2～0.3、Cu：0.4～0.6、P：<0.02、S：<0.02，其余为Fe和不可避免的微量杂质。
进一步的，本发明所述所述加热装置为箱式电阻炉。
进一步的，本发明所述步骤（1）固溶处理中升温速率不大于10℃/min。
进一步的，本发明所述步骤（2）时效处理中升温速率控制在0.2～0.3℃/s，保温时间为48～96h。
进一步的，本发明所述步骤（2）空冷过程中，保温后立即静置于空气中冷却。
本发明的有益效果：
（1）在热处理温度和时间的选择上充分考虑了固溶强化、细晶强化、位错强化、第二相强化这几种强化机制的综合强化效果，其中最主要的是复合亚微米级析出相的第二相强化效果。
（2）在中频感应炉中进行金属熔炼，浇铸，获得成型的氮微合金化超高锰钢铸锭，制备工艺简单；通过固溶处理1050～1150℃（视钢中碳化物的细小或粗大而定），将晶界处大尺寸MC型、MN型共晶碳化物固溶于基体里面，减少对高锰钢韧性的影响；小尺寸的亚微米级沉淀相分布在奥氏体基体中，可以增强基体的显微硬度，在冲击磨料磨损的工况下，提高钢的耐磨性能。
（3）在400℃分别保温不同的时间48～96h后，由于复合亚微米级析出相（Ti,Nb,V）（C,N）粗化速率慢，保温时间较长，可以使得其充分析出，增加（Ti,Nb,V）（C,N）的析出数量，增强基体硬度，当大量亚微米级颗粒与位错发生交互作用，阻碍位错运动，使位错堆积塞积，提高了钢的强度。若保温时间较短，析出颗粒数量较少，其强化效果不明显。
（4）Cr、Mo、Ni、Cu等其它合金元素的添加，使得奥氏体基体得到进一步强化，在外力作用下能够迅速产生耐磨的硬化层，提高了高锰钢的加工硬化能力，使得高锰钢在较大冲击载荷条件下表现出良好的耐磨性。
附图说明
图1为本发明合金化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固溶时效处理后钢中亚微米级析出相的SEM图。
图3为本发明实施例2合金化高锰钢铸件经过固溶时效处理后钢中亚微米级析出相的 EDS图。
图4为本发明对比例固溶处理后的合金化高锰钢经5h冲击磨损后的磨损形貌SEM图。
图5为本发明实施例2固溶时效处理后的合金化高锰钢经5h冲击磨损后的磨损形貌SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式并不限于所述内容。
实施例1
一种复合析出相提高高锰钢性能的处理方法，具体包括以下步骤：
在本发明中，所述铸态高锰钢的的化学成分(wt％)为：C：0.90、Mn：18.5、Cr：1.85、Mo：0.43、V：0.37、Si：0.91、Ni：0.26、Nb：0.12、Cu：0.5、N：0.17、P：0.014、Ti：0.094、S：0.012，其余为Fe和不可避免的杂质进行熔炼，浇铸，铸造出尺寸为200mm×60mm×60mm的高锰钢铸件。
固溶处理：将铸造合金化高锰钢加热至1050℃，并进行保温处理60min，此阶段的升温速率为9℃/min，保温结束后进行水淬，从开启炉门到高锰钢入水的时间≤60s，高锰钢入水前的水温≤30℃，入水后的水温≤50℃，冷却时间≥90min，铸件和水的质量比不大于1:10。
等温时效处理：将经过步骤2固溶处理之后的合金化高锰钢加热至400℃，此阶段的升温速率为0.3℃/s，保温60h后，空冷至室温。
实施例2
一种复合析出相提高高锰钢性能的处理方法，具体包括以下步骤：
在本发明中，所述铸态高锰钢的的化学成分(wt％)为：C：0.94、Mn：18.1、Cr：1.89、Mo：0.41、V：0.4、Si：0.98、Ni：0.21、Nb：0.11、Cu：0.56、 N：0.18、 P：0.004、Ti：0.09、S：0.016，其余为Fe和不可避免的杂质进行熔炼，浇铸，铸造出尺寸为200mm×60mm×60mm的高锰钢铸件。
固溶处理：将铸造合金化高锰钢加热至1150℃，并进行保温处理120min，此阶段的升温速率为8℃/min，保温结束后进行水淬，从开启炉门到高锰钢入水的时间≤60s，高锰钢入水前的水温≤30℃，入水后的水温≤50℃，冷却时间≥90min，铸件和水的质量比不大于1:10。
时效处理：将经过步骤2固溶处理之后的合金化高锰钢加热至450℃，此阶段的升温速率为0.25℃/s，保温72h后，空冷至室温。
实施例3
一种复合析出相提高高锰钢性能的处理方法，具体包括以下步骤：
在本发明中，所述铸态高锰钢的的化学成分(wt％)为：C：0.95、Mn：18.7、Cr：1.84、Mo：0.49、V：0.35、Si：0.96、Ni：0.28、Nb：0.1、Cu：0.45、 N：0.175、 P：0.019、Ti：0.099、S：0.011，其余为Fe和不可避免的杂质进行熔炼，浇铸，铸造出尺寸为200mm×60mm×60mm的高锰钢铸件。
固溶处理：将铸造合金化高锰钢加热至1100℃，并进行保温处理90min，此阶段的升温速率为7℃/min，保温结束后进行水淬，从开启炉门到高锰钢入水的时间≤60s，高锰钢入水前的水温≤30℃，入水后的水温≤50℃，冷却时间≥90min，铸件和水的质量比不大于1:10。
时效处理：将经过步骤2固溶处理之后的合金化高锰钢加热至350℃，此阶段的升温速率为0.2℃/s，保温84h后，空冷至室温。
对比例
与实施例1~3的区别在于，热处理工艺只进行固溶处理，无时效处理。
微观组织表征
对实施例2的铸造合金化高锰钢进行显微组织观察，图2和图3分别为合金化高锰钢铸件经过固溶时效处理后钢中亚微米级析出相的SEM图和亚微米级析出相的 EDS图；由图2可知，实施例2制得的合金化高锰钢奥氏体基体中分布着尺寸不大于300nm的亚微米级析出相，亚微米级析出相尺寸在100nm~300nm之间，数量较多，分布较为均匀，形状主要为不规则的方形。由图3的EDS可知，该亚微米级析出相主要由Ti、V、Nb、C和N元素组成，形成复合的（Ti,Nb,V）（C,N）析出相，该亚微米级析出相可以阻碍位错运动，引发位错的堆积，起到位错强化的作用，进而提高高锰钢的强度。
力学性能测试
以下将实施例1~3和对比例的合金化高锰钢在相同的环境下进行冲击磨料磨损试验，冲击功为2J，磨料粒度为40～70目，冲击时间为5小时，采用线切割的方法制得实施例1～3和对比例的冲击磨损试样，样品尺寸大小为10mm×10mm×30mm。
实施例1~3每小时磨损量和总磨损量如表1所示。
以下将实施例1~3和对比例的合金化高锰钢在相同的环境下进行拉伸实验和显微硬度实验，以测试其力学性能。
实施例1~3和对比例的屈服强度、抗拉强度、伸长率和维氏硬度如表2所示。
结果及分析
由上述表1和表2可以得出，随着时效时间的延长，合金化高锰钢的综合力学性能呈现先增加后减小的趋势，在450℃保温72h时，高锰钢的强度、硬度以及耐磨性都达到了峰值，加工硬化能力较好；而未进行时效处理的对比例，强度较低，磨损量较多，在冲击磨损的工况下，无法充分加工硬化，耐磨性较差。
结果表明，合金化高锰钢在不同时效处理下, 强度、硬度和耐磨性表现出不同的趋势；在时效保温60h和72h时，强度硬度不断升高，是由于亚微米级析出相（Ti,Nb,V）（C,N）随时效时间的延长不断析出，析出相数量不断增多，并在基体中弥散分布，增强了高锰钢的加工硬化能力，在72h达到了一个峰时效期的状态，此时亚微米级析出相的析出强化作用远大于了基体回复而发生的软化作用；峰时效期后，随着时效时间的延长，亚微米级析出相（Ti,Nb,V）（C,N）发生了一定程度的粗化与基体的回复软化导致合金化高锰钢的强度硬度值逐渐下降，表现为过时效期。
图4与图5分别是固溶处理、固溶时效处理后的合金化高锰钢经5h冲击磨损后的磨损形貌SEM图，由图4可知只经过固溶处理的高锰钢试样磨损面出现了许多剥落坑，同时在磨面上还分布着许多由于受到磨粒挤压而产生的犁沟，并且犁沟面积较大，有些犁沟较深，说明磨损严重，与表1中对比例试样的质量损失情况相符，由于经固溶处理后，基体组织为奥氏体和极少量晶界处分布着的微米级共晶碳化物，基体强化不足，加工硬化率低，以至于耐磨性较差，磨损较为严重；从图5可以看出，经过固溶时效处理之后的高锰钢试样磨损面同样出现了剥落坑和犁沟，并有许多塑性变形区域，与对比例相比犁沟面积减少，犁沟深度较浅，说明磨损有所减轻，磨损质量损失较少，时效处理之后基体弥散析出（Ti,Nb,V）（C,N）亚微米级析出相，提高了高锰钢的加工硬化能力和表面硬度，增强了冲击磨损工况下硬化层深度，从而高锰钢表现出良好的耐磨性。
以上内容叙述了本发明的技术原理、有益效果以及本发明的特点，应当指出，以上所述仅是本发明的优选实施方式，但不受上述实施例的限制，对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明内容的前提下，可以做出一些改进和优化，这些应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种复合析出相提高高锰钢性能的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照铸造合金化高锰钢的质量百分比进行配料，在中频感应炉中进行金属熔炼，浇铸，获得成型的合金化高锰钢铸锭；
（2）固溶处理：将合金化高锰钢铸锭加热至1050～1150℃，保温1~2h后进行水淬；从开启炉门到高锰钢入水的时间≤60s；高锰钢入水前的水温≤30℃；入水后的水温≤50℃；冷却时间≥90min；铸件和水的质量比不大于1:10；
（3）时效处理：将步骤1得到的合金化高锰钢加热至350℃～450℃，保温48～96h后，空冷至室温，使合金化高锰钢充分析出亚微米级碳化物。
2.根据权利要求1所述的复合析出相提高高锰钢性能的处理方法，其特征在于：铸造合金化高锰钢的化学成分及其质量百分比为：C：0.85～0.95、N：0.17～0.18、Mn：18.0～19.0、Si：0.8～1.0、Cr：1.8～1.9、Ti: 0.08~0.1、V：0.35～0.4、Nb：0.1～0.12、Mo：0.4～0.5、Ni：0.2～0.3、Cu：0.4～0.6、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1或2所述的复合析出相提高高锰钢性能的处理方法，其特征在于：所述加热装置为箱式电阻炉。
4.根据权利要求3所述的复合析出相提高高锰钢性能的处理方法，其特征在于：步骤（1）固溶处理中升温速率不大于10℃/min。
5.根据权利要求1或2所述的复合析出相提高高锰钢性能的处理方法，其特征在于：步骤（2）时效处理中升温速率控制在0.2～0.3℃/s，保温时间为48～96h。
6.根据权利要求1或2所述的复合析出相提高高锰钢性能的处理方法，其特征在于：步骤（2）空冷过程中，保温后立即静置于空气中冷却。
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