一種超高錳鋼及其製備方法
2023-06-04 14:35:31 3
專利名稱：一種超高錳鋼及其製備方法
技術領域：
本發明涉及金屬領域，尤其涉及一種超高錳鋼及其製備方法。
背景技術：
隨著現代工業的發展，大型設備如採礦設備、破碎設備和挖掘設備等在冶金和礦山等行業應用愈加廣泛，其抗磨配件重達幾噸到幾十噸，有效厚度均在IOOmm以上。高錳鋼廣泛應用於大型設備的抗磨配件，但是隨著工業的發展，傳統高錳鋼已經難以滿足工業需求。破碎是煤炭洗選過程的一個重要環節，破碎機破碎齒耐磨性好壞是破碎效率的關鍵因素，而破碎機破碎齒壽命長短則關乎生產的成本。目前，破碎齒主要採用改性高錳鋼， 該鋼種因韌性高和耐磨性好被廣泛應用於破碎齒等煤炭機械關鍵耐磨零部件，但是此種改性高錳鋼的使用壽命仍然較短。隨著高強耐磨材料的發展，研究者研發出了一種新型的錳鋼材料一超高錳鋼， 超高錳鋼是在原高錳鋼的化學成分上提高錳的含量，超高錳鋼的錳含量可達16wt% 19wt %。超高錳鋼與高錳鋼比較，超高錳鋼的初始硬度比高錳鋼高，兩種鋼的衝擊韌性相差不大，但是超高錳鋼鑄件不會出現早期斷裂的現象；此外，從經濟效益角度分析，超高錳鋼比高錳鋼性價比高，超高錳鋼的使用壽命是高錳鋼的I. 3 2倍。因此，研究者在對高錳鋼中增加錳含量，加入微量元素及相應的熱處理工藝設計等方面做了大量工作，以尋求進一步提高高錳鋼的力學性能、加工硬化性能及耐磨性。公開號為101250675A的中國專利公開了一種含鎢超高錳鋼的化學配方和熱處理工藝，其化學配方是在高錳鋼的基礎上提高錳含量，添加了 W、Cr和Re三種合金元素，此種高錳鋼經過熱處理後，在應用過程中強度、衝擊韌性和耐磨性仍然偏低。
發明內容
本發明解決的技術問題在於提供一種超高錳鋼及其製備方法，由該方法製備的超高錳鋼具有較高的強度、衝擊韌性和耐磨性。
有鑑於此，本發明公開了一種超高錳鋼，包括
I. Owt% I. 6wt% 的 C ；
16wt % 20wt % 的 Mn ;
O. 4wt% I. 2wt% 的 Si ；
I. Owt% 3. Owt% 的 Cr ；
O. 2wt% I. Owt % 的 Mo ；
O. 003wt % O. 005wt % 的 B ;
O. Iwt % O. 2wt % 的 Ti ；
O. 03wt % O. 05wt % 的 Re ;
O O. 004wt%^ S ；
O O. 004界1:%的 P ;餘量的Fe。優選的，所述C的含量為I. 3wt% I. 5wt%。優選的，所述Mn的含量為18wt% 19wt%。優選的，所述Si的含量為O. 4wt% O. 6wt%。優選的，所述Mo的含量為O. 2wt% O. 4wt%。優選的，所述Re為La。本發明還公開了一種超高錳鋼的製備方法，包括以下步驟a)、將如下成分的原料鑄造，得到超高錳鋼鑄錠I. Owt% I. 6wt% 的 C, 16wt% 20wt% 的 Mn, O. 4wt% I. 2wt% 的 Si, Iwt% 3wt % 的 Cr, O. 2wt % I. Owt % 的 Mo, O. 003wt % O. 005wt % 的 B, O. Iwt % O. 2wt % 的 Ti,O. 03wt% O. 05界七％的Re，O O. 004界七％的S，O O. 004界七％的P和餘量的Fe ；b)、將所述超高錳鋼鑄錠進行熱處理，具體為bOl)、將所述超高錳鋼鑄錠加熱至890°C 950°C進行第一次保溫處理和第一次冷卻，冷卻至600。。 650 0C ；b02)、將步驟bOl)得到的超高錳鋼鑄錠進行第二次保溫處理；b03)、將步驟b02)得到的超高錳鋼鑄錠加熱至1000°C 1100°C進行第三次保溫處理後水淬，得到超高錳鋼。優選的,步驟bOl)中所述第一次保溫處理的保溫時間為40min 60min,所述第一次冷卻的冷卻方式為爐冷。優選的,步驟b02)中所述第二次保溫處理的保溫時間為30min 60min。優選的,步驟b03)中所述第三次保溫處理的保溫時間為40min 60min。與現有技術相比，本發明的超高錳鋼在傳統高錳鋼的基礎上提高錳的含量，錳元素在鋼的基體中形成(Fe、Mn)3C、Mn7C等碳化物，極大地提高了鋼的強度和衝擊韌性，同時添加了 Cr、Mo、B和Ti等合金兀素，能夠有效地細化晶粒，改善碳化物的大小和形態，提聞基體的強度和硬度。本發明在製備超高錳鋼的過程中，經過鑄造工序和熱處理工序後得到了超高錳鋼。在熱處理過程中，將經過鑄造的超高錳鋼鑄錠加熱至890°C 950°C進行第一次保溫處理和第一次冷卻，冷卻至600°C 650°C，使超高錳鋼鑄錠奧氏體化；隨後將冷卻至 600°C 650°C的超高錳鋼鑄錠進行第二次保溫處理，使鋼中析出碳化物，形成共析組織， 同時細化晶粒為下一步水韌處理做準備；最後將第二次保溫處理後的超高錳鋼鑄錠加熱至 1000°C 1100°C進行第三次保溫處理和水淬冷卻，此階段的水韌處理使基體中的碳化物溶於奧氏體中，形成單一的奧氏體組織，能夠有效地提高超高錳鋼的強度和衝擊韌性。綜上所述，本發明通過設計合理的超高錳鋼的配方和熱處理工藝，不僅提高了超高錳鋼的強度和衝擊韌性，並且還提高了超高錳鋼的耐磨性，從而獲得了強度、衝擊韌性和耐磨性能都較高的綜合機械性能良好的新材料。
圖I為本發明的熱處理工藝圖。
具體實施方式
為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特徵和優點，而不是對本發明權利要求的限制。
本發明實施例公開了一種超高錳鋼，包括
I. Owt% I. 6wt% 的 C ；
16wt % 20wt % 的 Mn ;
O. 4wt% I. 2wt% 的 Si ；
I. Owt% 3. Owt% 的 Cr ；
O. 2wt% I. Owt % 的 Mo ；
O. 003wt % O. 005wt % 的 B ;
O. Iwt % O. 2wt % 的 Ti ；
O. 03wt % O. 05wt % 的 Re ;
O O. 004wt%^ S ；
O O. 004wt%^ P ；
餘量的Fe。
本發明提供的超高錳鋼中含有C，C能夠使得超高錳鋼兼具較高的強度和韌性。對
於超高錳鋼來說，C含量過高時，組織中會產生網狀碳化物，導致超高錳鋼的脆性增加；(含量過低時，超高錳鋼的硬度會大幅度下降，降低鋼的耐磨性，因此，本發明中所述C的含量為 I. Owt % I. 6wt%,優選為 I. 3wt% I. 5wt%。Mn是奧氏體錳合金鋼的主要成分，錳一部分固溶於奧氏體,增加過冷奧氏體的穩定性，提高淬透性，另一部分存在於(Fe、Mn)3C、Mn7C等碳化物中，極大地提高了鋼的強度和衝擊韌性，提高錳的含量會顯著提高合金的強度和硬度。在本發明中，Mn的含量為 16wt% 20wt%,優選為 18wt% 19wt%。Cr與鋼中的碳結合，生成$6、(>)3(等多型的化合物，這種碳化物以分散的硬質點存在於鋼的基體中，提高了鋼的初始硬度。本發明中Cr的含量為1.0wt% 3. 0wt%。Si是改善碳化物結構和形態的主要元素，提高Si的含量有助於共晶碳化物呈高硬度的MC型結構，有助於改善碳化物形態，但是矽的含量過高，將降低鋼的韌性，因此，本發明中Si的含量為O. 4wt% I. 2wt%,優選為O. 4wt% O. 6wt%。Mo的主要作用是增加鋼的淬透性，在鋼中添加一定量的Mo可改善碳化物在鋼中的形態和分布，同時也形成MoC和Mo2C,適量的Mo可改善鋼的組織性能，降低回火脆性， 細化組織，提高基體的強度和韌性，過多則會影響鋼的性能，因此，本發明中Mo的含量為 O. 2wt % I. Owt %,優選為 O. 2wt % O. 4wt %。B主要富集在奧氏體晶界處，適量的B可提高鋼的淬透性，細化晶粒，本發明中B含量為O. 003wt% O. 005被％時，可消除柱狀晶界，提高鋼的密度，過量會引起硼脆現象，性能銳減。Ti在鋼中形成碳氮化合物，碳氮化合物在鋼液凝固時成為固體晶核，細化鋼的鑄態組織，提高鋼的強度和韌性，鈦含量過高會使鋼的Y相區縮小不利於鋼的奧氏體化。因此，本發明中Ti的含量為O. Iwt % O. 2wt%。稀土元素Re既能控制夾雜物的形態、大小和分布，又能細化材料的晶粒，改善碳化物形態和分布，促使碳化物孤立狀均勻分布，顯著減少夾雜物，提高冶金質量。稀土元素含量過高會使晶粒粗化，影響鋼的性能。因此，本發明中所述稀土元素的含量為O. 03wt%
0.05wt%o 上述稀土元素為 La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc 和 Y中的一種或幾種，本發明優選為La。P是超高錳鋼中不可避免的雜質成分，會惡化超高錳鋼的力學性能、耐磨性能和鑄造性能。因此，本發明中P的含量低於O. 04wt%，越低越好。S是超高錳鋼中不可避免的雜質成分，S使得鋼的脆性增加。在本發明中，S的含量低於O. 04wt%,越低越好。本發明還公開了一種超高錳鋼的製備方法，包括以下步驟a)、將如下成分的原料鑄造，得到超高錳鋼鑄錠I. Owt % I. 6wt % 的 C, 16wt % 20wt % 的 Mn,O. 4wt % I. 2wt % 的 Si,
1.Owt % 3. Owt % 的 Cr, O. 2wt% I. Owt % 的 Mo, O. O. 005wt% 的 B, O. Iwt %
O.2界七％的Ti，O. 03wt% O. 05界七％的Re，O O. 004界七％的S，O O. 004界七％的P和餘量的Fe ；b)、將所述超高錳鋼鑄錠進行熱處理，具體為bOl)、將所述超高錳鋼鑄錠加熱至890°C 950°C進行第一次保溫處理和第一次冷卻，冷卻至600。。 650 0C ；b02)、將步驟bOl)得到的超高錳鋼鑄錠進行第二次保溫處理；b03)、將步驟b02)得到的超高錳鋼鑄錠緩慢加熱至1000°C 1100°C進行第三次保溫處理後水淬，得到超高錳鋼。步驟a)為鑄造工序，本發明對步驟a)所述的鑄造方法沒有特殊限制，可以為砂型鑄造或金屬鑄造等本領域技術人員熟知的方法。步驟b)為熱處理工序，在得到超高錳鋼鑄錠後，將上述超高錳鋼鑄錠進行熱處理。如圖I所示，圖I為本發明的熱處理工藝圖。首先將上述超高錳鋼鑄錠加熱至890°C 950°C進行第一次保溫處理和第一次冷卻，冷卻至600°C 650°C，此過程使超高錳鋼鑄錠的組織奧氏體化，為了確保充分奧氏體化，作為優選方案，上述第一次保溫的保溫時間為40min 60min，上述第一次冷卻的冷卻方式為爐冷。上述加熱的溫度優選為920°C 950°C，上述冷卻的溫度優選為610°C 650。。。隨後將冷卻至600°C 650°C的超高錳鋼進行第二次保溫處理，使鋼中的碳化物析出，獲得共析組織，同時能夠細化晶粒為下一步水韌處理做準備，上述第二次保溫處理的保溫時間優選為30min 60min。最後將上述第二次保溫處理後的超高錳鋼加熱至1000°C 1100°C進行第三次保溫處理後水淬，此階段為水韌處理，在此階段基體中的碳化物溶於奧氏體中，在室溫下獲得單一的奧氏體組織，上述第三次保溫處理的保溫時間優選為40min 60min。上述加熱的溫度優選為1050°C 1100°C。本發明的超聞猛鋼在傳統聞猛鋼的基礎上提聞猛的含量，Mn兀素在鋼的基體中形成(Fe、Mn) 3C、Mn7C等碳化物，極大地提高了鋼的強度和衝擊韌性，同時添加了 Cr、Mo、B和 Ti等合金元素，能夠有效地細化晶粒，改善碳化物的大小和形態，提高基體的強度、硬度和韌性。本發明在製備超高錳鋼的過程中，經過鑄造工序和熱處理工序後得到了超高錳鋼。在熱處理過程中，將經過鑄造的超高錳鋼鑄錠加熱至890°C 950°C進行第一次保溫處理和第一次冷卻，冷卻至600°C 650°C，使超高錳鋼鑄錠奧氏體化；隨後將冷卻至 600°C 650°C的超高錳鋼鑄錠進行第二次保溫處理，使鋼中析出碳化物，形成共析組織， 同時細化晶粒為下一步水韌處理做準備；最後將第二次保溫處理後的超高錳鋼鑄錠加熱至 1000°C 1100°C進行第三次保溫處理和水淬冷卻，此階段為水韌處理，在此階段基體中的碳化物溶於奧氏體中，在室溫下形成了單一的奧氏體組織，能夠有效地提高超高錳鋼的強度和衝擊韌性。綜上所述，本發明通過設計合理超高錳鋼的配方和熱處理工藝，不僅提高了超高錳鋼的強度和衝擊韌性，同時還提高了超高錳鋼的耐磨性，從而獲得了強度、衝擊韌性和耐磨性能都較高的綜合機械性能良好的新材料。為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明提供的超高錳鋼及其製備方法進行詳細介紹，本發明的保護範圍不受以下實施例的限制。實施例I製備超高錳鑄錠，鑄錠成分列於表I ;將上述超高錳鋼鑄錠加熱至890°C保溫40min後爐冷，爐冷至600°C保溫30min ； 將保溫後的超聞猛鋼鑄徒重新加熱至1000 C保溫40min，水冷後得到超聞猛鋼。實施例2製備超高錳鑄錠，鑄錠成分列於表I ;將上述超高錳鋼鑄錠加熱至950°C保溫60min後爐冷，爐冷至650°C保溫60min ； 將保溫後的超聞猛鋼鑄徒重新加熱至1100 C保溫60min，水冷後得到超聞猛鋼。實施例3製備超高錳鑄錠，鑄錠成分列於表I ;將上述超高錳鋼鑄錠加熱至920°C保溫45min後爐冷，爐冷至610°C保溫40min ； 將保溫後的超高錳鋼鑄錠重新加熱至1030°C保溫45min，水冷後得到超高錳鋼。實施例4製備超高錳鑄錠，鑄錠成分列於表I ;將上述超高錳鋼鑄錠升溫至930°C保溫50min後爐冷，爐冷至630°C保溫45min ； 將保溫後的超高錳鋼鑄錠重新加熱至1050°C保溫50min，水冷後得到超高錳鋼。實施例5製備超高錳鑄錠，鑄錠成分列於表I ;將上述超高錳鋼鑄錠升溫至940°C保溫50min後爐冷，爐冷至620°C保溫50min ； 將保溫後的超高錳鋼鑄錠重新加熱至1080°C保溫55min，水冷後得到超高錳鋼。實施例6製備超高錳鑄錠，鑄錠成分列於表I ;將上述超高錳鋼鑄錠升溫至935°C保溫55min後爐冷，爐冷至650°C保溫55min ；將保溫後的超高猛鋼鑄錠重新加熱至1060°C保溫45min,水冷後得到超高猛鋼。對比例I製備ZGnl3鑄錠，鑄錠成分列於表I ;將上述ZGnl3鑄錠加熱至1080°C保溫90min後，水淬冷卻；將水淬後的ZGnl3鑄錠重新加熱至350°C保溫25min，空冷後得到ZGnl3高錳鋼。對比例2製備ZGnl3鑄錠，鑄錠成分列於表I ;將上述ZGnl3鑄錠加熱至1050°C保溫80min後，水淬冷卻後得到ZGnl3高錳鋼。將實施例I 6製備的超高錳鋼和比較例I 2製備的高錳鋼進行性能測試，編號依次為A、B、C、D、E、F、G和H，測試結果列於表2。表I實施例中超高錳鋼及比較例中高錳鋼成分(wt% )
組別CMn SiCr MoB Ti ReS PFe實施例I1.016 0.41.5 0.20.003 O.12 0.030.003 0.002餘量實施例21.318.5 0.52.2 0.250.003 0.1 0.040.002 0.001餘量實施例31.818 I2.1 0.30.004 O.15 0.050.002 0.003餘量實施例41.419 0.552.4 0.40.005 0.16 0.0350.001 0.002餘量實施例51.518.5 0.653 1.00.004 O.2 0.040.001 0.002餘量實施例61.618.9 0.62.2 0.50.0035 0.2 0.050.002 0.003餘量對比例I1.4512.5 0.55O OO O0.05 0.09餘量對比例21.3518.5 0.6O OO O0.03 0.06餘量
表2本發明實施例製備的超高錳鋼及比較例製備的高錳鋼的性能測試結果
組別硬度 (HB)衝擊韌性 (J/cm2)延伸率 (%)斷面收縮率 (%)屈服強度 (MPa)抗拉強度 (MPa)磨損量 (g)A23416230365007530.06B23616529345027550.07C24116326325007590.08D24216628354997560.065E23916227394967520.05F24016030365017510.04G22015818203805620.24H20013814163624700.35
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由表2可知，與普通的高錳鋼ZGnl3相比，本發明提供的超高錳鋼具有較高的強度、硬度和耐磨性，並且其延伸率、斷面收縮率及抗衝擊韌性有很大提高，使用壽命顯著延長，適於製備大型設備零部件磨損特別是衝擊磨損工況。以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。
權利要求
1. 一種超高錳鋼，其特徵在於，包括I. Owt% I. 6wt% 的 C ；16wt % 20wt % 的 Mn ;0.4wt% I. 2wt% 的 Si ；1.Owt% 3. Owt% 的 Cr ；O. 2wt% I. Owt % 的 Mo ；O. 003wt % O. 005wt % 的 B ;O. Iwt % O. 2wt % 的 Ti ；0.03wt % O. 05wt % 的 Re ;O O. 004wt%^ S ；O O. 004wt%^ P ；餘量的Fe。
2.根據權利要求I所述的超高錳鋼，其特徵在於，所述C的含量為I.3wt% I. 5wt%0
3.根據權利要求I所述的超高猛鋼，其特徵在於，所述Mn的含量為18wt% 19wt%。
4.根據權利要求I所述的超高錳鋼，其特徵在於，所述Si的含量為O.4wt % O.6wt% ο
5.根據權利要求I所述的超高錳鋼，其特徵在於，所述Mo的含量為0.2wt% O.4wt%。
6.根據權利要求I所述的超高錳鋼，其特徵在於，所述Re為La。
7.一種超高錳鋼的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟a)、將如下成分的原料鑄造，得到超高錳鋼鑄錠1.Owt % I. 6wt % 的 C, 16wt % 20wt % 的 Mn, O. 4wt % I. 2wt % 的 Si, I. Owt % 3. Owt % 的 Cr, O. 2wt % I. Owt % 的 Mo, O. O. 005wt% 的 B, O. Iwt % O. 2wt% 的 Ti,O. 03wt% O. 05界七％的Re，O O. 004界七％的S，O O. 004界七％的P和餘量的Fe ；b)、將所述超高錳鋼鑄錠進行熱處理，具體為bOl)、將所述超高錳鋼鑄錠加熱至890°C 950°C進行第一次保溫處理和第一次冷卻， 冷卻至 600 °C~ 650 0C ；b02)、將步驟bOl)得到的超高錳鋼鑄錠進行第二次保溫處理； b03)、將步驟b02)得到的超高錳鋼鑄錠加熱至1000°C 1100°C進行第三次保溫處理後水淬，得到超高錳鋼。
8.根據權利要求7所述的製備方法，其特徵在於，步驟bOl)中所述第一次保溫處理的保溫時間為40min 60min,所述第一次冷卻的冷卻方式為爐冷。
9.根據權利要求7所述的製備方法，其特徵在於，步驟b02)中所述第二次保溫處理的保溫時間為30min 60min。
10.根據權利要求7所述的製備方法，其特徵在於，步驟b03)中所述第三次保溫處理的保溫時間為40min 60min。 全文摘要
本發明提供了一種超高錳鋼，包括1.0wt％～1.6wt％的C，16wt％～20wt％的Mn，0.4wt％～1.2wt％的Si，1.0wt％～3.0wt％的Cr，0.2wt％～1.0wt％的Mo，0.003wt％～0.005wt％的B，0.1wt％～0.2wt％的Ti，0.03wt％～0.05wt％的Re，0～0.004wt％的S，0～0.004wt％的P和餘量的Fe。本發明還提供了一種超高錳鋼的製備方法。本發明提高了合金元素Mn的含量，同時添加了Cr、Mo、B和Ti等合金元素，有效地提高了基體的強度和硬度，並且本發明通過對熱處理工藝進行調整，提高了超高錳鋼的強度、硬度、衝擊韌性和耐磨性。
文檔編號C21D6/00GK102605268SQ201210074410
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月20日 優先權日2012年3月20日
發明者嚴峻, 孫偉, 薛會鋒 申請人:三一重型裝備有限公司