專利名稱：高錳鋼及其制備方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料技術領域，尤其涉及一種高錳鋼及其制備方法。
背景技術：
錳鋼是一種高強度的鋼材，主要用于需要承受沖擊、擠壓、物料磨損等惡劣工況條件，其破壞形式以磨損消耗為主，包括金屬構件表面間相互接觸并運動的摩擦磨損、其他金屬或非金屬物料打擊金屬表面的磨料磨損和流動氣體或液體與金屬接觸導致的沖蝕磨損等。高錳鋼在強烈的沖擊、擠壓條件下，表層迅速發生加工硬化現象而具有良好的耐磨性能，適用于沖擊磨料磨損和高應力磨料磨損工況，常用于制造球磨機襯板、錘式破碎機錘頭、顎式破碎機顎板、圓錐破碎機軋白壁、挖掘機斗齒、斗壁、鐵道道岔、拖拉機和坦克的履帶板、防彈鋼板、保險箱鋼板等抗沖擊、抗磨損的鑄件。為了提高高錳鋼的耐磨性能，一般采取向高錳鋼中加入Cr、Mo、V、Ti或稀土等合金元素，在高錳鋼的奧氏體基體上獲得彌散分布的碳化物顆粒的方法。如公開號為 CN1363714A在普通高猛鋼中添加0. 15% 0. 4%的Μο、0· 035% 0. 095%的V和 2% 的Cr ；公開號為CN101250675A在高錳鋼中添加0. 5% 1. 5%的W ；美國專利US4494988在 Μη13中加入4% 6%的Cr、4% 6%的Ni和一定含量的N。申請號為200510045639. 2的中國專利文獻公開了一種稀土硼微合金化高錳鋼， 按質量百分比其組成為0. 9 1. 6的C、13 30的Μη、0. 0005 0. 02的B、0. 01 0. 05 的Re、0. 3 1. 0的Si、< 0. 04的S、< 0. 07的P和余量的Fe，該高錳鋼的耐磨性較好，但其強度、抗沖擊韌性較低，在應用中易出現破壞，壽命較短。申請號為200610134360.6的中國專利文獻公開了一種超高性能耐磨高錳鋼，包括1. 00wt% 1. 5襯％的C、10. 5wt% 20. 2wt % 的 Μη、0· 30wt % 0. 80wt % 的 Si、1. 3wt % 2. 8wt % 的 Cr、彡 0. 04wt % 的 S、 彡 0. 07wt % 的 Ρ、0· 06wt % 0. 20wt % 的 Ti、0. IOwt % 0. 40wt % 的 V、0. 002wt % 0. 01wt%&B、0. 06wt% 0. 3wt%&Mg、0. 08wt% 0. 4wt%&RE、0. 05wt% 0.
N和余量的Fe，該高錳鋼的硬度、沖擊韌性等性能較好，但其耐磨性能提高不明顯。申請號為200510041992.3的中國專利文獻公開了一種用于耐磨鑄件的含鎢高猛鋼，包括 0. 95wt% 1.C、ll. 5wt% 14wt%&Mn、0. 3wt% 1.0wt%&Si、 0. 2wt%~ 1. Owt%^ Cr、0. 2wt%~ 0.W、0. 2wt%~ 0.0. 07wt%^ P和余量的鐵。該高錳鋼具有較好的耐磨性，但其強度、沖擊韌性、延伸率等性能較差，在應用中易出現破壞，壽命較短，不適用于大、重、硬物料破碎的強烈沖擊和強烈磨損的工況。
發明內容
有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供一種高錳鋼及其制備方法，本發明提供的高錳鋼具有良好的強度、沖擊韌性、延伸率等性能和耐磨性能，能夠適用于不同強度沖擊磨損工況條件，使用壽命較長。本發明提供了一種高錳鋼，包括
1. 2wt% 1.C ；12wt % 13wt % 的 Mn ;0. 4wt % 0. 6wt % 的 Si ;2wt%~ 3wt%^ Cr ；0. 2wt%~ 0. 4wt%^ Mo ；0. 003wt % 0. 006wt % 的 B ;0. 05wt % 0. 06wt % 的 Ti ;0 — 0. 03wt%^ RE ；0 — 0. 02wt%^ Ni ；0 — 0. 02wt%^ Cu ；0 0. 0092wt%& S ;0 — 0. 007wt%^ P ；余量的Fe。優選的，包括0·25wt% 0. 35wt%&Mo。優選的，包括0·0005wt% 0·RE。優選的，包括:0.0005 0. 015wt%^ Ni。優選的，包括0·0005wt% 0.Cu。本發明還提供了一種高錳鋼的制備方法，包括以下步驟鑄造工序鑄造如上述技術方案所述的高錳鋼；熱處理工序將所述高錳鋼升溫至IOOiTC 120(TC進行第一次保溫處理和第一次冷卻處理；將所述經過第一次冷卻處理后的高錳鋼升溫至250°C 450°C進行第二次保溫處理和第二次冷卻處理。優選的，所述第一次保溫處理的保溫時間為60min 120min。優選的，所述第一次冷卻處理為水淬處理。優選的，所述第二次保溫處理的保溫時間為25min 30min。
優選的，所述第二次冷卻處理為空冷處理。與現有技術相比，本發明提供的高錳鋼包括1. 2wt% 1. 3襯％的C ； 12wt% 13wt % 的 Mn ；0. 4wt % 0. 6wt % 的 Si ；2wt % 3wt % 的 Cr ；0. 2wt % 0. 4wt % 的 Mo ； 0. 003wt% 0. 006wt%&B ；0. 05wt% 0. 06wt%^Ti ；0 0. 03wt^RE ；0 0. 02wt% 的 Ni ；0 0. 02wt%&Cu ；0 0. 0092wt%&S ;0 0. 007wt%&P ；余量的 Fe。本發明在高錳鋼的傳統組分中加入Cr、Mo、B、Ti、RE、Ni、Cu等合金元素，不僅提高了高錳鋼的耐磨性能，而且提高了高錳鋼的強度、延伸率、抗沖擊韌性等性能，得到的高錳鋼不僅適用于中小沖擊磨損工況，而且適用于強烈磨損工況，使用壽命較長。實驗表明，本發明提供的高錳鋼的耐磨性比ZGMnl3的耐磨性提高了 75%，其硬度可達246HB，沖擊韌性可達172J/cm2，延伸率可達25 %，抗拉強度可達813MPa。
圖1為本發明實施例提供的熱處理工藝圖。
具體實施例方式本發明 提供了一種高錳鋼，包括1. 2wt% 1.C ；12wt % 13wt % 的 Mn ；0. 4wt % 0. 6wt % 的 Si ；2wt % 3wt % 的 Cr ；0. 2wt % 0. 4wt % 的 Mo ；0. 003wt % 0. 006wt % 的 B ；
0. 05wt % 0. 06wt % 的 Ti ；0 — 0. 03wt%^ RE ；0 0.Ni ；0 — 0. 02wt%^ Cu ；0 0. 0092wt%& S ；0 — 0. 007wt%^ P ；余量的Fe。本發明在高錳鋼的傳統組分中加入Cr、Mo、B、Ti、RE、Ni、Cu等合金元素，不僅提高了高錳鋼的耐磨性能，而且提高了高錳鋼的強度、延伸率、抗沖擊韌性等性能，得到的高錳鋼不僅適用于中小沖擊磨損工況，而且適用于強烈磨損工況，使用壽命較長。本發明提供的高錳鋼中含有C，C能夠使得高錳鋼兼具較高的硬度和韌性。所述C 的含量為1.2wt% 1.3wt%，優選為1.22wt% 1.28wt%。對于高錳鋼來說，C含量過高時，組織中會產生網狀碳化物，導致高錳鋼的脆性增加；碳含量過低時，高錳鋼的硬度會大幅下降，降低其耐磨性。Mn是奧氏體錳合金鋼的主要成分。Mn —部分溶于奧氏體，增加過冷奧氏體的穩定性，提高其淬透性；另一部分存在與(Fe、Mn)3C、Mn7C等碳化物中，提高高錳鋼的強度和沖擊韌性。將Mn含量控制為12wt% 13wt%之間，經水韌處理后能夠得到比較穩定的單一奧氏體組織，其工作表面受到沖擊和磨損后會迅速形成高硬度的馬氏體組織，從而大大提高高錳鋼的硬度和耐磨性。在本發明中，所述Mn的含量優選為12. 2wt% 12. 8wt%，更優選為 12. 4wt% 12. 7wt%。Cr能夠與C結合生成(Fe、Cr)3C等多型碳化物，這種碳化物以分散的硬質點存在于高錳鋼的基體中，提高高錳鋼的初始硬度。在本發明中，Cr的含量為2wt% 3wt%，優選為 2. 2wt % 2. 9wt %，最優選為 2. 5wt % 2. 8wt %。Si是改善碳化物結構和形態的主要元素，Si含量高時有助于共晶碳化物呈高度的MC型結構，有助于改善碳化物形態，提高高錳鋼的強度和耐磨性，但是，Si含量過高時會降低高錳鋼的韌性，因此，本發明中，Si含量為0. 4wt% 0. 6wt%，優選為0. 45wt% 0. 55wt %，更優選為 0. 49wt % 0. 54wt %。Mo的主要作用是增加高錳鋼的淬透性，細化組織，提高基體的強度和韌性。在本發明中，Mo的含量為0. 2wt % 0. 4wt %，優選為0. 25wt % 0. 35wt %，更優選為0. 26wt % 0. 30wt%。B主要富集在奧氏體晶界處，可細化晶粒，消除柱狀晶界，提高高錳鋼的密度，對晶界起強化作用。在本發明中。8的含量為0.003襯％ 0.006襯％，優選為0.003 0. 0055wt %，更優選為 0. 0035wt % 0. 005wt %。M能夠穩定奧氏體相，通過固溶強化改善高錳鋼的強度、延伸率、沖擊強度等機械性能。在本發明中，Ni的含量為0 0. 02wt%，優選為0. 0005wt% 0. 015wt%，更優選為 0. 001wt% 0. 013wt%。Cu作為奧 氏體穩定元素在高錳鋼奧氏體中有較高的固溶度，在高錳鋼合金中加入Cu可提高高錳鋼的抗腐蝕性，從而減少腐蝕物質對高錳鋼的腐蝕，提高設備的使用壽命。在本發明中，Cu的含量為0 0. 02wt%，優選為0. 0005wt% 0. 015wt%，更優選為 0. 001wt% 0. 013wt%。Ti在高錳鋼中可形成鈦的碳氮化合物，碳氮化合物在鋼液凝固時成為固體晶核細化高錳鋼的鑄態組織，提高高錳鋼的強度和韌性。但是，Ti含量過多時，會使Fe的γ相區縮小，不利于高錳鋼的奧氏體化。在本發明中，Ti的含量為0.05襯％ 0.06襯％，優選為 0. 051wt% 0. 058wt%，更優選為 0. 052wt% 0. 055wt%。稀土元素RE既能夠控制夾雜物的形態、大小和分布，又能夠細化材料的晶粒，改善碳化物形態和分布，促使碳化物呈孤立狀均勻分布，顯著減少夾雜物，提高冶煉質量。在本發明中，所述稀土元素包括 La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc 和 Y 中的一種或多種，優選為La。所述稀土元素的含量為0 0. 03wt%，優選為0. 00005wt% 0. 02wt%，更優選為 0. OOOlwt% 0. 015wt%，最優選為 0. 0005wt% 0. Olwt%。P是高錳鋼中不可避免的雜質成分，P會惡化高錳鋼的力學性能、抗磨性能和鑄造工藝性能。P在奧氏體中溶解度很小，在高溫下會形成二元磷共晶或三元磷共晶，磷共晶使高錳鋼性能下降。在本發明中，P的含量低于0.007wt%，優選低于0.005wt%，越低越好。S是高錳鋼中不可避免的雜質成分，S使得高錳鋼脆性增加。在本發明中，S的含量低于0. 0092wt %，優選低于0. 008wt %，越低越好。本發明還公開了一種高錳鋼的制備方法，包括以下步驟鑄造工序鑄造如上述技術方案所述的高錳鋼；熱處理工序將所述高錳鋼升溫至IOOiTC 120(TC進行第一次保溫處理和第一次冷卻處理；將所述經過第一次冷卻處理后的高錳鋼升溫至250°C 450°C進行第二次保溫處理和第二次冷卻處理。本發明對所述高錳鋼的鑄造方法沒有特殊限制，可以為砂型鑄造、金屬鑄造等本領域技術人員熟知的方法。鑄造得到高錳鋼后，對所述高錳鋼進行熱處理，參見圖1，圖1為本發明實施例提供的熱處理工藝圖將所述高錳鋼升溫至1000°C 1200°C進行第一次保溫處理和第一次冷卻處理；將所述經過第一次冷卻處理后的高錳鋼升溫至250°C 450°C進行第二次保溫處理和第二次冷卻處理。首先將高錳鋼升溫至IOOiTC 1200°C進行第一次保溫處理，優選升溫至 1050°C 1150°C，優選保溫60min 120min，更優選保溫80min lOOmin，然后進行第一次冷卻處理。所述第一次冷卻處理優選為水淬。繼續將所述經過第一冷卻處理后的高錳鋼升溫至250°C 450°C進行第二次保溫處理，優選升溫至300°C 400°C，優選保溫25min 30min，更優選保溫26min 28min，然后進行第二次冷卻處理。所述第二次冷卻處理優選為空冷。 經過上述熱處理后，高錳鋼中的合金化元素能夠充分作用，從而獲得強度、硬度、 抗沖擊韌性及耐磨性等都較高的、綜合機械性能良好的高錳鋼材料。經過熱處理后，將得到高錳鋼材料在MLD-10型動載磨料磨損試驗機上進行耐磨性實驗，具體過程如下將高錳鋼材料切割成IOmmX IOmmX 30mm的試樣，磨料為Imm 2mm 的精制石英砂，流量為450mL/min，沖擊功為5. OJ ；每隔30min測量一次磨損后的質量，共測量5次，磨損2h，以試樣失重來判斷耐磨性。結果表明，與普通高錳鋼ZGMnl3相比，本發明提供的高錳鋼的耐磨性能提高了 75%。將所述高錳鋼材料進行硬度、沖擊韌性、延伸率和抗拉強度的測試，結果表明，其硬度可達246HB，沖擊韌性可達172J/cm2，延伸率可達25%，抗拉強度可達813MPa。為了進一步說明本發明，以下結合實施例對本發明提供的高錳鋼及其制備方法進行詳細描述。實施例1鑄造如表1所述成分的高錳鋼鑄件；將所述高錳鋼鑄件升溫至1130°C保溫90min后，水淬冷卻；繼續升溫至350°C保溫 25min，空冷后得到高錳鋼。按照上文所述方法對所述高錳鋼進行性能測試，結果參見表2，表2為本發明實施例及比較例提供的高錳鋼的性能測試結果。實施例2鑄造如表1所述成分的高錳鋼鑄件；將所述高錳鋼鑄件升溫至1100°C保溫90min后，水淬冷卻；繼續升溫至370°C保溫 30min，空冷后得到高錳鋼。按照上文所述方法對所述高錳鋼進行性能測試，結果參見表2，表2為本發明實施例及比較例提供的高錳鋼的性能測試結果。實施例3鑄造如表1所述成分的高錳鋼鑄件；將所述高錳鋼鑄件升溫至1150°C保溫90min后，水淬冷卻；繼續升溫至320°C保溫 25min，空冷后得到高錳鋼。按照上文所述方法對所述高錳鋼進行性能測試，結果參見表2，表2為本發明實施例及比較例提供的高錳鋼的性能測試結果。實施例4鑄造如表1所述成分的高錳鋼鑄件；將所述高錳鋼鑄件升溫至1170°C保溫90min后，水淬冷卻；繼續升溫至400°C保溫 30min，空冷后得到高錳鋼。按照上文所述方法對所述高錳鋼進行性能測試，結果參見表2，表2為本發明實施例及比較例提供的高錳鋼的性能測試結果。實施例5鑄造如表1所述成分的高錳鋼鑄件；將所述高錳鋼鑄件升溫至1130°C保溫IOOmin后，水淬冷卻；繼續升溫至350°C保溫27min，空冷后得到高錳鋼。按照上文所述方法對所述高錳鋼進行性能測試，結果參見表2，表2為本發明實施例及比較例提供的高錳鋼的性能測試結果。實施例6鑄造如表1所述成分的高錳鋼鑄件；將所述高錳鋼鑄件升溫至1130°C保溫SOmin后，水淬冷卻；繼續升溫至350°C保溫 28min，空冷后得到高錳鋼。按照上文所述方法對所述高錳鋼進行性能測試，結果參見表2，表2為本發明實施例及比較例提供的高錳鋼的性能測試結果。比較例1鑄造如表1所述成分的ZGMn 13鑄件；將所述高錳鋼鑄件升溫至1130°C保溫90min后，水淬冷卻；繼續升溫至350°C保溫 25min,空冷后得到ZGMnl3。按照上文所述方法對所述高錳鋼進行性能測試，結果參見表2，表2為本發明實施例及比較例提供的高錳鋼的性能測試結果。比較例2鑄造如表1所述成分的ZGMn 13鑄件；將所述高錳鋼鑄件進行水韌處理后得到ZGMnl3。 按照上文所述方法對所述高錳鋼進行性能測試，結果參見表2，表2為本發明實施例及比較例提供的高錳鋼的性能測試結果。表1實施例及比較例中高錳鋼成分(wt % )
權利要求
1. 一種高錳鋼，包括1.2wt% 1.C ； 12wt% ；0. 4wt%~ 0. 6wt%^ Si ； 2wt% Cr ；0. 2wt% 0. 4wt%^Mo ； 0. 003wt % 0. 006wt % 的 B ; 0. 05wt% 0.Ti ；0 0.RE ；0 0.Ni ；0 0.Cu ；0 0. 0092wt%^ S ； 0 0.P ；余量的Fe。
2.根據權利要求1所述的高錳鋼，其特征在于，包括0.25wt% 0. 35襯％的臨。
3.根據權利要求1所述的高錳鋼，其特征在于，包括0.0005wt% 0. Olwt%的RE。
4.根據權利要求1所述的高錳鋼，其特征在于，包括0.0005 0. 015襯％的Ni。
5.根據權利要求1所述的高錳鋼，其特征在于，包括0.0005wt% 0. 015襯％的Cu。
6.一種高錳鋼的制備方法，包括以下步驟鑄造工序鑄造如權利要求1 5任意一項所述的高錳鋼；熱處理工序將所述高錳鋼升溫至IOOiTC 120(TC進行第一次保溫處理和第一次冷卻處理；將所述經過第一次冷卻處理后的高錳鋼升溫至250°C 450°C進行第二次保溫處理和第二次冷卻處理。
7.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述第一次保溫處理的保溫時間為 60min 120mino
8.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述第一次冷卻處理為水淬處理。
9.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述第二次保溫處理的保溫時間為 25min 30mino
10.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述第二次冷卻處理為空冷處理。
全文摘要
本發明提供了一種高錳鋼，包括1.2wt％～1.3wt％的C；12wt％～13wt％的Mn；0.4wt％～0.6wt％的Si；2wt％～3wt％的Cr；0.2wt％～0.4wt％的Mo；0.003wt％～0.006wt％的B；0.05wt％～0.06wt％的Ti；0～0.03wt％的RE；0～0.02wt％的Ni；0～0.02wt％的Cu；0～0.0092wt％的S；0～0.007wt％的P；余量的Fe。本發明還提供了一種高錳鋼的制備方法。本發明在高錳鋼中加入Cr、Mo、B、Ti、RE、Ni、Cu等合金元素，不僅提高了高錳鋼的耐磨性能，而且提高了高錳鋼的強度、延伸率、抗沖擊韌性等性能。
文檔編號C22C38/58GK102286703SQ20111024810
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月26日 優先權日2011年8月26日
發明者孫偉, 寧玲艷, 張佳 申請人:三一重型裝備有限公司