CN117070859A - 一种基于氧化膜改性的耐热锰钢及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于氧化膜改性的耐热锰钢及其制备方法和应用，按质量百分比计，该耐热锰钢的化学成分为：C：1.0～2.0％，Mn：10.0～20.0％，Al：4.0～12.0％，Si：0.5～1.5％，Cr：1.0～2.2％，RE：0.05～0.09％，S≤0.04％，P≤0.04％，其余为铁。其制备方法包括：按化学成分的比例，将原料熔炼后进行脱氧处理和变质处理，浇铸成铸件后再热处理。通过Al元素的调控，改变了材料高温氧化物的生长方式与结构组成、降低了氧化物的生长速率，显著提高了高温抗氧化性能，适用于汽车涡轮壳及排气管、冶金高炉喷嘴及高温搅拌炉叶片等在高温条件下服役的结构件，具有良好的实用前景。

Description

一种基于氧化膜改性的耐热锰钢及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，具体而言，涉及一种基于氧化膜改性的耐热锰钢及其制备方法和应用。
背景技术
锰钢是一种常见的钢铁材料，广泛应用于矿山、冶金机械、石油化工以及轨道运输等领域，但服役过程中不可避免的发热现象，很容易造成材料的氧化进而加剧失效，降低其使用寿命。同时，随着各个领域为了实现节能减耗都在不断地进行着产业结构的调整与优化，这对锰钢材料的服役性能也提出了更高的挑战。
材料的轻量化是减少机械运行过程中能耗的有效途径之一，随着我国机动车数量的剧增，汽车的轻量化、降低燃油消耗、减少排放是未来汽车发展的主要方向。其中，含锰汽车钢因含有较少的合金元素，冶炼、制备工艺简单，生产成本低，同时既可以满足汽车轻量化的要求，又可以在降低钢材用量的前提下保证安全等特点，使其已成为汽车领域中优选钢铁材料之一。但由于国内外对机动车排放标准的不断提高，汽车发动机的排气温度也在逐渐升高。因此，相对于汽车涡轮壳及排气管用的钢材在高温下的使用性能也提出了更高的使用要求。
现有技术中，专利CN111575580 B一种高强韧和高强塑积汽车钢及其制备方法，其优点是通过C、Mn和Al等合金化以及在双相区轧制和退火工艺，形成了多相、多层的亚稳微观组织，材料的综合力学性能远高于中锰钢。专利CN104419876 A公开了一种汽车涡轮壳及排气管用奥氏体耐热钢的制备技术，其原料包括：C：0.20～0.50％，Si：1.0～2.0％，Mn：15.0～18.0％，Cr：15.0～17.0％，Ni：＜1.0％，Mo＜0.5％，Nb：0.9～1.1％，W：2.0～3.0％，V：＜0.15％，N：0.2～0.4％，S＜0.03％，P＜0.04％，余量为Fe。该耐热钢具有良好的尺寸稳定性、较高的延展性和耐热性，虽然利用Mn和N取代Ni降低了生产成本，但W、V、Nb、Mo等难熔金属的存在一定程度上增加了其制备难度。专利CN201510952246公开了一种奥氏体耐热铸钢制备方法及应用，该耐热钢虽具备良好的综合性能，但相对昂贵的钴、钼以及镍等元素不仅增加了其制备成本，同时氮元素的添加也会增加其熔炼难度；此外，该奥氏体耐热钢在高温蒸汽的环境下很容易出现氧化膜的开裂、破碎，从而降低其使用寿命。
因此，现有技术虽然对锰钢的耐热、强韧以及材料轻量化上都有一定的突破，但是由于昂贵的生产成本或多道次加工的复杂工艺，都不利于材料的广泛推广和应用。并且现有锰钢在高温服役过程中仍未表现出理想的抗氧化性能，使其服役寿命难以得到有效提升，并未达到真正的节能减耗。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于氧化膜改性的耐热锰钢及其制备方法和应用，以改善上述技术问题。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供了一种基于氧化膜改性的耐热锰钢，按质量百分比计，其化学成分为：C：1.0～2.0％，Mn：10.0～20.0％，Al：4.0～12.0％，Si：0.5～1.5％，Cr：1.0～2.2％，RE：0.05～0.09％，S≤0.04％，P≤0.04％，其余为铁。
第二方面，本发明还提供了一种上述基于氧化膜改性的耐热锰钢的制备方法，其包括：按照所述化学成分的比例，将原料经熔炼和脱氧处理、变质处理后，浇铸成铸件，然后将铸件热处理。
第三方面，本发明还提供了上述基于氧化膜改性的耐热锰钢在制备耐高温结构件中的应用。
可选地，耐高温结构件为汽车涡轮壳、汽车排气管、冶金高炉燃料喷嘴或高温搅拌炉叶片。
本发明具有以下有益效果：通过在锰钢化学成分中加入大量轻质元素Al降低锰钢的密度，实现了原始锰钢的轻量化。同时，在不影响锰钢强韧性与耐磨损性能的基础上，充分利用Al元素与O元素强大的亲和力，在高温氧化过程中Al会与O优先形成致密的Al2O3氧化膜，进而有效的保护了基体材料。锰钢中的Fe、Mn等元素只能通过扩散作用，并穿过致密的Al2O3层才能发生进一步的氧化。因此，通过在锰钢中添加大量Al元素，改变了材料高温氧化物的生长方式与结构组成、降低了氧化物的生长速率，显著地提高了传统锰钢的高温抗氧化性能。此外，该基于氧化膜改性的耐热锰钢中因不含有Ni、Co、W、V、Nb、Mo等昂贵的难熔金属元素，显著降低了生产成本与制备难度。进一步地，该基于氧化膜改性的耐热锰钢因优异的抗高温氧化性能，可适用于汽车涡轮壳及排气管、冶金高炉喷嘴及高温搅拌炉叶片等在高温条件下服役的结构件，具有良好的实用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1的基于氧化膜改性的耐热锰钢的组织扫描电镜图；
图2为本发明实施例5的基于氧化膜改性的耐热锰钢的组织扫描电镜图；
图3为本发明对比例2的传统耐热锰钢的组织扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明提出的一种基于氧化膜改性的耐热锰钢及其制备方法和应用进行具体说明。
本发明的一些实施方式提供了一种基于氧化膜改性的耐热锰钢，按质量百分比计，其化学成分为：C：1.0～2.0％，Mn：10.0～20.0％，Al：4.0～12.0％，Si：0.5～1.5％，Cr：1.0～2.2％，RE：0.05～0.09％，S≤0.04％，P≤0.04％，其余为铁。
发明人通过研究和实践发现，在对基于氧化膜改性的耐热锰钢的化学成分进行优化，加入大量Al元素，进而使得基于氧化膜改性的耐热锰钢在600℃-1000℃的高温抗氧化性能较无铝锰钢有10～20倍的提升。其中，为了保持基于氧化膜改性的耐热锰钢具有较佳的强韧性以及耐磨损性能，也对其他元素组成和比例等进行了选择和优化。化学元素对基于氧化膜改性的耐热锰钢的密度、组织形貌以及高温抗氧化性能都有显著的影响。以上实施方式的化学组分的设计的理论依据为：
碳：C是钢铁材料中的基本元素之一，是一种促进奥氏体形成元素，能够稳定奥氏体相。但C含量过高时会降低材料的塑性和韧性，甚至导致铸件开裂。所以，本发明实施方式中的C含量控制在1.0～2.0％。
锰：Mn也是稳定并强化奥氏体相的元素，适当的Mn含量有利于γ→ε的转变，但过高的Mn含量则会促进β-Mn脆性相的生成。所以，本发明实施方式中的Mn含量控制在10.0～20.0％。
铬：Cr元素在钢中发挥着至关重要的作用，可以提高材料的淬透性，并降低回火脆性。同时，适当的Cr含量还能够显著强化材料的耐磨性和抗氧化性能。所以，本发明实施方式中的Cr含量控制在1.0～2.2％。
铝：Al是一种稳定铁素体形成元素，同时作为一种轻质元素也是钢铁材料轻量化成分设计过程中的优选元素。Al可以提高奥氏体的堆垛层错能，抑制γ相向ε相的转变，同时在高温含氧环境下表面致密氧化铝的形成也会进一步提高材料的高温抗氧化能力。所以，本发明实施方式中的Al含量控制在4.0～12.0％。
硅：Si是促进并强化铁素体形成元素，也是钢中的脱氧元素之一。Si可以防止β-Mn脆性相的析出，同时SiO2的形成有利于材料表层Cr2O3、Al2O3等氧化膜的吸附作用，从而提高材料的抗氧化性。所以，本发明的Si含量控制在0.5～1.5％。
稀土：RE作为钢中的常用变质剂，可以有效的起到脱硫、脱氧效果，对钢液进行净化处理，进而控制夹杂物的形态和分布。同时，稀土元素中的Y和Ce等元素也可以改变钢中氧化物的生长形态，降低氧化物的生长速率，提高钢铁材料的高温抗氧化性能。所以，本发明实施方式中稀土元素的含量控制在0.05～0.09％。需要说明的是，本发明实施方式中的RE为市场常规售卖的RE变质剂。
综上，一方面，由于基于氧化膜改性的耐热锰钢中不含有Ni、Co、W、V、Nb、Mo等昂贵的难熔金属元素，进而显著降低了生产成本与制备难度。另一方面，轻质元素Al的加入也会进一步降低锰钢的密度，实现了原始锰钢的轻量化。同时，在不影响锰钢强韧性与耐磨损性能的基础上，充分利用Al元素与O元素强大的亲和力，在高温氧化过程中Al会与O优先形成致密的Al2O3氧化膜，锰钢中的Fe、Mn等元素只能通过扩散作用，并穿过致密的Al2O3层才能发生进一步的氧化，因此，形成Al2O3氧化膜有效的保护了基体材料。由于锰钢中Al元素的存在，改变了材料高温氧化物的生长方式与结构组成、降低了氧化物的生长速率，显著地提高了传统锰钢的高温抗氧化性能。
进一步地，为了进一步提高基于氧化膜改性的耐热锰钢的综合性能，发明人对基于氧化膜改性的耐热锰钢的化学成分进行了优化，一些实施方式中，按质量百分比计，基于氧化膜改性的耐热锰钢的化学成分为：C：1.0～2.0％，Mn：10.0～20.0％，Al：5.1～12.0％，Si：0.5～1.5％，Cr：1.0～2.2％，RE：0.05～0.09％，S≤0.04％，P≤0.04％，其余为铁。
作为参考地，一些实施方式中，按质量百分比计，基于氧化膜改性的耐热锰钢的化学成分为：C：1.4～2.0％，Mn：14.5～20.0％，Al：6～12.0％，Si：0.5～1.5％，Cr：1.0～2.2％，RE：0.05～0.09％，S≤0.04％，P≤0.04％，其余为铁。
一些实施方式中，该基于氧化膜改性的耐热锰钢具有细小的单相奥氏体组织或奥氏体与铁素体的细小双相组织，其密度在6.7g/cm3-7.5g/cm3之间。
进一步地，一些实施方中，基于氧化膜改性的耐热锰钢在600℃持续氧化100h的氧化速率小于或等于0.05g/(m2·h)，例如该条件下氧化速率为0.02～0.05g/(m2·h)，在800℃持续氧化100h的氧化速率小于或等于0.84g/(m2·h)，例如该条件下氧化速率为0.53～0.84g/(m2·h)，在1000℃持续氧化100h的氧化速率小于或等于1.51g/(m2·h)，例如该条件下氧化速率为0.02～1.51g/(m2·h)。
本发明的一些实施方式还提供了上述实施方式中基于氧化膜改性的耐热锰钢的制备方法，其包括：按照上述化学成分的比例，将原料经熔炼和脱氧处理、变质处理后，浇铸成铸件，然后将该铸件热处理。
具体地，本发明的一些实施方式的基于氧化膜改性的耐热锰钢的制备方法包括以下步骤：
S1、将含有碳、锰、硅、铬的原料熔炼，熔炼温度为1550℃～1620℃；经脱氧处理处理后得到钢水，出炉前加入纯铝，然后将熔体温度调整至1420℃～1520℃。
需要说明的是，原料一般在中频电炉内熔炼。脱氧过程在熔炼后加入少量铝进行脱氧处理，纯铝在出炉前添加是为了避免在熔炼过程中铝的损失。
S2、将熔炼好的钢水在含有RE变质剂的浇包中进行静置处理。
一些实施方式中，静置处理于300℃以上温度且预热大于5小时的浇包中进行。浇包的多个位置均放置有用铁皮包覆的颗粒状的RE变质剂，多个位置为能够与钢水接触的且分布较为均匀的几个位置，以便于对钢水进行充分变质。
S3、将浇包内的钢水浇注成铸件。
一些实施方式中，控制浇铸时钢水的温度为1350℃～1450℃。
S4、将铸件进行热处理，以形成特定组织相。
具体地，本发明实施方式中的热处理为双流程热处理，其具体包括：将铸件以80℃～100℃/h的升温速率从室温升温至1000℃～1100℃，保温2h～5h后水冷却至室温；再将铸件以80℃～100℃/h的升温速率从室温升温至250℃～350℃，保温5h～8h后出炉空冷至室温。通过以上热处理的方式可以形成细小的单相奥氏体组织或奥氏体与铁素体的细小双相组织。
本发明的一些实施方式还提供了上述实施方式中基于氧化膜改性的耐热锰钢在制备耐高温结构件中的应用。由于上述实施方式中的基于氧化膜改性的耐热锰钢具有优异的高温抗氧化性能，因此，其适合于在高温环境下服役的结构件，例如汽车涡轮壳、汽车排气管、冶金高炉燃料喷嘴或高温搅拌炉叶片等。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种基于氧化膜改性的耐热锰钢，其化学成分为：C：1.0％，Mn：12.0％，Al：4.0％，Si：0.5％，Cr：1.2％，RE：0.05％，S≤0.04％，P≤0.04％，其余为铁。
制备过程具体为：
(1)首先将锰铁、硅铁、铬铁等原料在中频电炉内熔炼，所用熔炼温度为1550℃，经脱氧处理，调节炉前成分得到合格钢水，出炉前5分钟加入纯铝，后将熔体温度调整1420℃。
(2)其次，将熔炼好的钢水倒入经300℃以上高温预热大于5小时后的浇包中，静置处理3分钟。
(3)最后，再将浇包内的钢水在1350℃下浇注成铸件、铸件经过双流程热处理，即得含铝的基于氧化膜改性的耐热锰钢。其中，具体双流程热处理工艺如下：①将铸钢以80℃/h的升温速率从室温升温至1000℃，保温5h后水冷至室温；②将上述铸钢以100℃/h的升温速率从室温升温至250℃，保温8h后出炉空冷至室温。
实施例2
本实施例提供了一种基于氧化膜改性的耐热锰钢，其化学成分为：C：1.4％，Mn：14.5％，Al：6.0％，Si：0.75％，Cr：1.5％，RE：0.08％，S≤0.04％,P≤0.04％，其余为铁。
制备过程具体为：
(1)首先将锰铁、硅铁、铬铁等原料在中频电炉内熔炼，所用熔炼温度为1580℃，经脱氧处理后，调节炉前成分得到合格钢水，出炉前5分钟加入纯铝，后将熔体温度调整1450℃。
(2)其次，将熔炼好的钢水倒入经300℃以上高温预热大于5小时后的浇包中，静置处理3分钟。
(3)最后，再将浇包内的钢水在1380℃下浇注成铸件、铸件经过双流程热处理，即得含铝的基于氧化膜改性的耐热锰钢。其中，具体双流程热处理工艺如下：①将铸钢以85℃/h的升温速率从室温升温至1050℃，保温4.5h后水冷至室温；②将上述铸钢以80℃/h的升温速率从室温升温至280℃，保温7.5h后出炉空冷至室温。
实施例3
本实施例提供了一种基于氧化膜改性的耐热锰钢，其化学成分为：C：1.85％，Mn：18.0％，Al：7.5％，Si：1.05％，Cr：1.75％，RE：0.06％，S≤0.04％,P≤0.04％，其余为铁。
制备过程具体为：
(1)首先将锰铁、硅铁、铬铁等原料在中频电炉内熔炼，所用熔炼温度为1600℃，经脱氧处理后，调节炉前成分得到合格钢水，出炉前5分钟加入纯铝，后将熔体温度调整1470℃。
(2)其次，将熔炼好的钢水倒入经300℃以上高温预热大于5小时后的浇包中，静置处理3分钟。
(3)最后，再将浇包内的钢水在1400℃下浇注成铸件、铸件经过双流程热处理，即得含铝的基于氧化膜改性的耐热锰钢。其中，具体双流程热处理工艺如下：①将铸钢以90℃/h的升温速率从室温升温至1075℃，保温4.0h后水冷至室温；②将上述铸钢以85℃/h的升温速率从室温升温至300℃，保温6h后出炉空冷至室温。
实施例4
本实施例提供了一种基于氧化膜改性的耐热锰钢，其化学成分为：C：2.0％，Mn：20％，Al：10％，Si：1.4％，Cr：2.2％，RE：0.07％，S≤0.04％，P≤0.04％，其余为铁。
制备过程具体为：
(1)首先将锰铁、硅铁、铬铁等原料在中频电炉内熔炼，所用熔炼温度为1620℃，经脱氧处理后，调节炉前成分得到合格钢水，出炉前5分钟加入纯铝，后将熔体温度调整1520℃。
(2)其次，将熔炼好的钢水倒入经300℃以上高温预热大于5小时后的浇包中，静置处理3分钟。
(3)最后，再将浇包内的钢水在1450℃下浇注成铸件、铸件经过双流程热处理，即得含铝的基于氧化膜改性的耐热锰钢。其中，具体双流程热处理工艺如下：①将铸钢以90℃/h的升温速率从室温升温至1030℃，保温4h后水冷至室温；②将上述铸钢以85℃/h的升温速率从室温升温至290℃，保温6.5h后出炉空冷至室温。
实施例5
本实施例提供了一种基于氧化膜改性的耐热锰钢，其化学成分为：C：1.8％，Mn：15.5％，Al：12％，Si：1.5％，Cr：2.2％，RE：0.09％，S≤0.04％，P≤0.04％，其余为铁。
制备过程具体为：
(1)首先将锰铁、硅铁、铬铁等原料在中频电炉内熔炼，所用熔炼温度为1600℃，经脱氧处理后，调节炉前成分得到合格钢水，出炉前5分钟加入纯铝，后将熔体温度调整1500℃。
(2)其次，将熔炼好的钢水倒入经300℃以上高温预热大于5小时后的浇包中，静置处理3分钟。
(3)最后，再将浇包内的钢水在1420℃下浇注成铸件、铸件经过双流程热处理，即得所述基于氧化膜改性的含铝基于氧化膜改性的耐热锰钢。其中，具体双流程热处理工艺如下：①将铸钢以100℃/h的升温速率从室温升温至1060℃，保温2h后水冷至室温；②将上述铸钢以90℃/h的升温速率从室温升温至300℃，保温6h后出炉空冷至室温。
实施例6
本实施例提供了一种基于氧化膜改性的耐热锰钢，其化学成分为：C：1.8％，Mn：10.0％，Al：10.0％，Si：0.8％，Cr：2.0％，RE：0.08％，S≤0.04％，P≤0.04％，其余为铁。
制备过程具体为：
(1)首先将锰铁、硅铁、铬铁等原料在中频电炉内熔炼，所用熔炼温度为1575℃，经脱氧处理后，调节炉前成分得到合格钢水，出炉前5分钟加入纯铝，后将熔体温度调整1480℃。
(2)其次，将熔炼好的钢水倒入经300℃以上高温预热大于5小时后的浇包中，静置处理3分钟。
(3)最后，再将浇包内的钢水在1390℃下浇注成铸件、铸件经过双流程热处理，即得所述基于氧化膜改性的含铝基于氧化膜改性的耐热锰钢。其中，具体双流程热处理工艺如下：①将铸钢以95℃/h的升温速率从室温升温至1080℃，保温3h后水冷至室温；②将上述铸钢以95℃/h的升温速率从室温升温至350℃，保温5h后出炉空冷至室温。
实施例7
本实施例提供了一种基于氧化膜改性的耐热锰钢，其化学成分为：C：1.0％，Mn：11.0％，Al：9.0％，Si：1.0％，Cr：1.0％，RE：0.06％，S≤0.04％，P≤0.04％，其余为铁。
制备过程具体为：
(1)首先锰铁、硅铁、铬铁等原料在中频电炉内熔炼，所用熔炼温度为1550℃，经脱氧处理后，调节炉前成分得到合格钢水，出炉前5分钟加入纯铝，后将熔体温度调整1420℃。
(2)其次，将熔炼好的钢水倒入经300℃以上高温预热大于5小时后的浇包中，静置处理3分钟。
(3)最后，再将浇包内的钢水在1370℃下浇注成铸件、铸件经过双流程热处理，即得所述基于氧化膜改性的含铝基于氧化膜改性的耐热锰钢。其中，具体双流程热处理工艺如下：①将铸钢以100℃/h的升温速率从室温升温至1100℃，保温2h后水冷至室温；②将上述铸钢以90℃/h的升温速率从室温升温至330℃，保温5.5h后出炉空冷至室温。
实施例8
本实施例提供了一种基于氧化膜改性的耐热锰钢，其化学成分为：C：1.8％，Mn：15.5％，Al：12％，Si：1.5％，Cr：2.2％，RE：0.09％，S≤0.04％，P≤0.04％，其余为铁。
制备过程具体为：
(1)首先将锰铁、硅铁、铬铁等原料在中频电炉内熔炼，所用熔炼温度为1600℃，经脱氧处理后，调节炉前成分得到合格钢水，出炉前5分钟加入纯铝，后将熔体温度调整1500℃。
(2)其次，将熔炼好的钢水倒入经300℃以上高温预热大于5小时后的浇包中，静置处理3分钟。
(3)最后，再将浇包内的钢水在1420℃下浇注成铸件、铸件经过热处理，即得所述基于氧化膜改性的含铝基于氧化膜改性的耐热锰钢。其中，具体热处理工艺为：将铸钢以100℃/h的升温速率从室温升温至1060℃，保温2h后水冷至室温。
对比例1
本对比例提供了一种基于氧化膜改性的耐热锰钢，其化学成分为：C：2.0％，Mn：20％，Si：1.4％，Cr：2.2％，RE：0.07％，S≤0.04％,P≤0.04％，其余为铁。
制备过程具体为：
(1)首先将锰铁、硅铁、铬铁等原料在中频电炉内熔炼，所用熔炼温度为1620℃，经脱氧处理后，调节炉前成分得到合格钢水，出炉前将熔体温度调整1520℃。
(2)其次，将熔炼好的钢水倒入经300℃以上高温预热大于5小时后的浇包中，静置处理3分钟；
(3)最后，再将浇包内的钢水在1450℃下浇注成铸件、铸件经过双流程热处理，即得所述基于氧化膜改性的耐热锰钢。其中，具体热处理工艺如下：①将铸钢以90℃/h的升温速率从室温升温至1030℃，保温4h后水冷至室温；②将上述铸钢以85℃/h的升温速率从室温升温至290℃，保温6.5h后出炉空冷至室温。
对比例2
本对比例提供了一种基于氧化膜改性的耐热锰钢，其化学成分为：C：1.8％，Mn：15.5％，Si：1.5％，Cr：2.2％，，RE：0.09％，S≤0.04％,P≤0.04％，其余为铁。
制备过程具体为：
(1)首先将锰铁、硅铁、铬铁等原料在中频电炉内熔炼，所用熔炼温度为1600℃，经脱氧处理以及变质处理后，调节炉前成分得到合格钢水，出炉前将熔体温度调整1500℃。
(2)其次，将熔炼好的钢水倒入经300℃以上高温预热大于5小时后的浇包中，静置处理3分钟。
(3)最后，再将浇包内的钢水在1420℃下浇注成铸件、铸件经过双流程热处理，即得所述基于氧化膜改性的耐热锰钢。其中，具体热处理工艺如下：①将铸钢以100℃/h的升温速率从室温升温至1060℃，保温2h后水冷至室温；②将上述铸钢以90℃/h的升温速率从室温升温至300℃，保温6h后出炉空冷至室温。
对比例3
本对比例提供了一种基于氧化膜改性的耐热锰钢，其化学成分为：C：1.0％，Mn：12.0％，Si：0.5％，Cr：1.2％，RE：0.05％，S≤0.04％,P≤0.04％，其余为铁。
制备过程具体为：
(1)首先将锰铁、硅铁、铬铁等原料在中频电炉内熔炼，所用熔炼温度为1550℃，经脱氧处理以及变质处理后，调节炉前成分得到合格钢水，出炉前将熔体温度调整1420℃；
(2)其次，将熔炼好的钢水倒入经300℃以上高温预热大于5小时后的浇包中，静置处理3分钟；
(3)最后，再将浇包内的钢水在1350℃下浇注成铸件、铸件经过双流程热处理，即得所述基于氧化膜改性的耐热锰钢。其中，具体热处理工艺如下：①将铸钢以80℃/h的升温速率从室温升温至1000℃，保温5h后水冷至室温；②将上述铸钢以100℃/h的升温速率从室温升温至250℃，保温8h后出炉空冷至室温。
为突出基于氧化膜改性的含铝耐热锰钢优异的高温抗氧化性能，表1列举了对比例与实施例分别在600℃、800℃和1000℃持续氧化100h后的氧化速率，并根据HB5258-2000《钢及高温合金的抗氧化性测定实验方法》标准，对对比例和实施例在不同温度下的氧化行为进行抗氧化性能评定。
表1实验钢不同温度下持续氧化100h的氧化速率与抗氧化级别评定
对实施例1、实施例5和对比例2的基于氧化膜改性的耐热锰钢的组织结构通过扫描电镜观察，其结果如图1、图2、图3所示。初始耐热钢是由粗大的奥氏体晶粒组成(图3)，Al元素的添加可以显著细化组织中的晶粒，并使其从单一的奥氏体组织逐渐转变为奥氏体+铁素体的细小双相组织(图1和图2)。
综上所述，本发明实施方式的基于氧化膜改性的耐热锰钢经中频电炉熔炼，脱氧以及RE变质处理，再经双流程的热处理工艺获得。随着Al含量的增加，基于氧化膜改性的耐热锰钢的密度逐渐降低，其组织中的晶粒尺寸也得到细化，并从单一细小奥氏体组织转变为奥氏体与铁素体复合的细小双相组织。该基于氧化膜改性的耐热锰钢在600℃～1000℃都具有良好的抗高温氧化性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于氧化膜改性的耐热锰钢，其特征在于，按质量百分比计，其化学成分为：C：1.0～2.0％，Mn：10.0～20.0％，Al：4.0～12.0％，Si：0.5～1.5％，Cr：1.0～2.2％，RE：0.05～0.09％，S≤0.04％，P≤0.04％，其余为铁。
2.根据权利要求1所述的基于氧化膜改性的耐热锰钢，其特征在于，按质量百分比计，其化学成分为：C：1.0～2.0％，Mn：10.0～20.0％，Al：5.1～12.0％，Si：0.5～1.5％，Cr：1.0～2.2％，RE：0.05～0.09％，S≤0.04％，P≤0.04％，其余为铁。
3.根据权利要求2所述的基于氧化膜改性的耐热锰钢，其特征在于，按质量百分比计，其化学成分为：C：1.4～2.0％，Mn：14.5～20.0％，Al：6～12.0％，Si：0.5～1.5％，Cr：1.0～2.2％，RE：0.05～0.09％，S≤0.04％，P≤0.04％，其余为铁。
4.根据权利要求1～3任一项所述的基于氧化膜改性的耐热锰钢，其特征在于，所述基于氧化膜改性的耐热锰钢在600℃持续氧化100h的氧化速率小于或等于0.05g/(m2·h)，在800℃持续氧化100h的氧化速率小于或等于0.84g/(m2·h)，在1000℃持续氧化100h的氧化速率小于或等于2.01g/(m2·h)。
5.一种如权利要求1～4任一项所述的基于氧化膜改性的耐热锰钢的制备方法，其特征在于，其包括：按照所述化学成分的比例，将原料经熔炼和脱氧处理、变质处理后，浇铸成铸件，然后将所述铸件热处理。
6.根据权利要求5所述的基于氧化膜改性的耐热锰钢的制备方法，其特征在于，熔炼和脱氧处理包括：将含有碳、锰、硅、铬的原料熔炼，熔炼温度为1550℃～1620℃；经脱氧处理处理后得到钢水，出炉前加入纯铝，然后将熔体温度调整至1420℃～1520℃；
优选地，浇铸时钢水的温度为1350℃～1450℃。
7.根据权利要求5或6所述的基于氧化膜改性的耐热锰钢的制备方法，其特征在于，所述变质处理包括：在浇铸之前，将熔炼好的钢水在含有RE变质剂的浇包中进行静置处理，优选地，所述静置处理于300℃以上温度且预热大于5小时的浇包中进行；优选地，所述浇包的多个位置均放置有用铁皮包覆的颗粒状的RE变质剂。
8.根据权利要求5或6所述的基于氧化膜改性的耐热锰钢的制备方法，其特征在于，所述热处理包括：将铸件以80℃～100℃/h的升温速率从室温升温至1000℃～1100℃，保温2h～5h后水冷却至室温；再将所述铸件以80℃～100℃/h的升温速率从室温升温至250℃～350℃，保温5h～8h后出炉空冷至室温。
9.如权利要求1～4任一项所述的基于氧化膜改性的耐热锰钢在制备耐高温结构件中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述耐高温结构件为汽车涡轮壳、汽车排气管、冶金高炉燃料喷嘴或高温搅拌炉叶片。
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