專利名稱：一種超高錳鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料領(lǐng)域，尤其是涉及了一種超高錳鋼及其制備方法。
背景技術(shù)：
高錳鋼是一種高強(qiáng)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的應(yīng)用場(chǎng)合。高錳鋼在強(qiáng)烈的沖擊、擠壓條件下，表層迅速發(fā)生加工硬化現(xiàn)象而具有良好的耐磨性能，適用于沖擊和高應(yīng)力磨料磨損工況，例如，應(yīng)用在破碎設(shè)備、挖掘設(shè)備等工程機(jī)械的抗沖擊和抗磨損的場(chǎng)合。隨著高強(qiáng)耐磨材料的發(fā)展，在高錳鋼的基礎(chǔ)上通過提高錳的含量得到性能更加優(yōu)越的超高錳鋼。與高錳鋼相比，超高錳鋼的初始硬度比高錳鋼高，兩者鋼的沖擊韌性相差無幾，但是超高錳鋼不會(huì)出現(xiàn)早期斷裂現(xiàn)象；另外，超高錳鋼比高錳鋼的性價(jià)比高，超高錳鋼的使用壽命是高錳鋼的2倍左右。因此，超高錳鋼的發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)越來越受關(guān)注。因此，如何對(duì)超高錳鋼的成本和含量進(jìn)行設(shè)計(jì)，并研究相應(yīng)的熱處理工藝，以提高超高錳鋼的強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性和耐磨性，更好地應(yīng)用在工程機(jī)械中，是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種超高錳鋼及其制備方法，該方法制備的超高錳鋼具有較高的強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性和耐磨性。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供一種超高錳鋼，包括I. 0wt% I. 5wt% 的 C ；16. 5wt% 18. 5wt% 的 Mn ；O. 4wt% O. 6wt% 的 Si ；I. 0wt% 2. 5wt% 的 Cr ；O. lwt% O. 5wt% 的 Mo ；O. 15wt% 0. 3wt% 的 V ；0wt% O. 005wt% 的 B ;O. lwt% O. 3wt% 的 Ti ;余量為Fe。優(yōu)選地，所述C的含量為I. 15wt°/Tl. 34wt%。優(yōu)選地，所述Mn的含量為16. 90wt% 18· 41wt%。優(yōu)選地，所述Si的含量為O. 44wt% 0. 52wt%。優(yōu)選地，所述Cr的含量為I. 45wt% 2. 45wt%。優(yōu)選地，所述Mo的含量為O. 15wt% 0· 42wt%。優(yōu)選地，所述Ti的含量為O. 15wt% 0. 22wt%。優(yōu)選地,還包括O. 03wt% O. 05wt%的稀土元素。
本發(fā)明實(shí)施例提供一種超高錳鋼的制備方法，包括A、按照上述的超高錳鋼的成分和含量進(jìn)行鑄造，得到超高錳鋼鑄錠，其中，鑄造工序的澆注溫度為1400°C ^1500°C ；B、對(duì)所述超高錳鋼鑄錠進(jìn)行熱處理，具體為BI、將超高錳鋼鑄錠加熱至810°C 870°C進(jìn)行第一次保溫處理，保溫時(shí)間為lh 3h ；B2、將步驟BI中超高錳鋼鑄錠繼續(xù)加熱至1050°C 1100°C進(jìn)行第二次保溫處理，保溫時(shí)間為ltT3h，然后在水中快速冷卻至室溫；B3、將步驟B2中冷卻后的超高錳鋼鑄錠加熱至250°C 350°C進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理的保溫時(shí)間為2tT4h，在空氣中冷卻，得到超高錳鋼。優(yōu)選地，步驟BI中升溫速率小于70°C /h,步驟B2中升溫速率小于100°C /h?！?br> 本發(fā)明提出的超高錳鋼，在傳統(tǒng)的高錳鋼基礎(chǔ)上增加Mn的含量，Mn元素在鋼的基體中形成(Fe、Mn) 3C、Mn7C等多型碳化物，大幅度提高了超高錳鋼的強(qiáng)度和沖擊韌性，同時(shí)，添加了 Cr、Mo、V和B等合金兀素，能夠細(xì)化晶粒，改善碳化物的尺寸和分布形態(tài)，提聞超聞錳鋼的硬度和耐磨性。本發(fā)明提出的超高錳鋼的制備方法中，采用鑄造工序和熱處理工序制備超高錳鋼，鑄造工序中澆注溫度為1400 1500°C，得到組織較均勻、初始晶粒較細(xì)的等軸晶組織；在熱處理工序中，將超高錳鋼鑄錠加熱至810°C 870°C進(jìn)行第一次保溫處理，然后繼續(xù)加熱至1050°C 1100°C進(jìn)行第二次保溫處理后進(jìn)行水淬處理，然后在250 350°C進(jìn)行時(shí)效處理，得到具有強(qiáng)度、沖擊韌性和耐磨性的超高錳鋼。綜上所述，本發(fā)明提出的超高錳鋼及其制備方法中，通過合理地設(shè)計(jì)超高錳鋼的成分和含量以及熱處理工藝，提高了超高錳鋼的強(qiáng)度和沖擊韌性，并且具有優(yōu)越的耐磨性，可應(yīng)用在具有高強(qiáng)度、高低沖擊的磨損工況的應(yīng)用場(chǎng)合，適合于新型現(xiàn)代工程機(jī)械的應(yīng)用需求。


圖I是本發(fā)明提出的一種超高錳鋼的熱處理工藝圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明提出的超高錳鋼及其制備方法進(jìn)行清楚、完整地描述。本發(fā)明提供了一種超高錳鋼，包括I. 0wt% I. 5wt% 的 C ；16. 5wt% 18. 5wt% 的 Mn ；O. 4wt% O. 6wt% 的 Si ;I. 0wt% 2. 5wt% 的 Cr ；O. lwt% O. 5wt% 的 Mo ；O. 15wt% 0. 3wt% 的 V ；0wt% O. 005wt% 的 B ；O. lwt% O. 3wt% 的 Ti ;
余量為Fe。在上述的超高錳鋼中，C能夠使得超高錳鋼兼具較高的硬度和韌性；對(duì)于高錳鋼來說，C含量過高時(shí)，組織中會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)狀碳化物，導(dǎo)致高錳鋼的脆性增加，碳含量過低時(shí)，高錳鋼的硬度會(huì)大幅下降，從而降低鋼的耐磨性。本發(fā)明中，控制C含量為I. 0wt°n. 5wt%，優(yōu)選為 I. 15wt% l. 34wt%0Mn是奧氏體錳合金鋼的主要成分，Mn 一部分溶于奧氏體，增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，提高其淬透性，另一方面存在與(Fe、Mn) 3C、Mn7C等多型碳化物中，可以大幅度提高高錳鋼的強(qiáng)度和沖擊韌性；錳鋼經(jīng)水韌處理后能夠得到比較穩(wěn)定的單一奧氏體組織，其工作表面受到?jīng)_擊和磨損后會(huì)迅速誘變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。本發(fā)明中，控制Mn含量為16. 5wt% 18. 5wt%，優(yōu)選為16. 90wt% 18. 41wt%。
Si是改善碳化物結(jié)構(gòu)和形態(tài)的主要元素，Si含量高時(shí)有助于共晶碳化物呈高度的MC型結(jié)構(gòu)，有助于改善碳化物形態(tài)，提高高錳鋼的強(qiáng)度和耐磨性，但是，Si含量過高時(shí)會(huì)降低高錳鋼的韌性，同時(shí)與Si結(jié)合又能提高抗腐蝕性和抗氧化性。本發(fā)明中，控制Si含量為 O. 4 O. 6wt%，優(yōu)選為 O. 44wt% 0. 52wt%。Cr能夠與鋼中C結(jié)合形成(Fe、Cr) 3C等多型碳化物，這種碳化物以分散的硬質(zhì)點(diǎn)存在與高錳鋼的基體中，可以提高高錳鋼的初始硬度。本發(fā)明中，控制Cr含量為I. 0wt% 2. 5wt%，優(yōu)選為 I. 45wt% 2. 45wt%。Mo能夠細(xì)化鋼的晶粒，改善鋼的組織性能，Mo以碳化物的形式析出以提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。本發(fā)明中，控制Mo含量為O. lwt% 0. 5wt%，優(yōu)選為O. 15wt% 0. 42wt%。V能夠固溶于奧氏體中，加入V后可以起到沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用，提高鋼的耐磨性。本發(fā)明中，控制V含量為O. 15wt% 0. 3wt%。B主要富集在奧氏體晶界處，添加少量的B可細(xì)化晶粒，消除柱狀晶界，對(duì)晶界起強(qiáng)化作用。本發(fā)明中，控制B含量為0wt9T0. 005wt%。Ti在鋼中形成碳鈦化合物，碳鈦化合物在鋼液凝固時(shí)成為固體晶核，細(xì)化鋼的鑄態(tài)組織，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。本發(fā)明中，控制V含量為O. Iwt0^O. 3wt%,優(yōu)選為O. 15wt%^0. 22wt%0此外，控制Al、P、S等不可避免的雜質(zhì)元素在較低的范圍內(nèi)，在本發(fā)明中，控制Al的含量為 O. 03 O. 12wt%, Ρ〈0· 05wt%, S〈0. 01wt%,稀土元素能夠控制夾雜物的形態(tài)、大小和分布，又能細(xì)化鋼的晶粒，改善碳化物的形態(tài)和分布，促使碳化物孤立狀均勻分布，顯著減小夾雜物，提高鋼的綜合性能。本發(fā)明中，控制稀土元素的含量為O. 03wt°/T0. 05wt%的稀土元素,稀土元素優(yōu)選為乾基稀土元素。本發(fā)明還提出了一種超高錳鋼的制備方法，包括A、按照上述的超高錳鋼的成分和含量進(jìn)行鑄造，得到超高錳鋼鑄錠，其中，鑄造工序的澆注溫度為1400°C 1500°C，得到組織較均勻、初始晶粒較細(xì)的等軸晶組織；B、對(duì)所述超高錳鋼鑄錠進(jìn)行熱處理，如圖I所述的熱處理工藝圖，具體為BI、將步驟A中超高錳鋼鑄錠加熱至810°C 870°C進(jìn)行第一次保溫處理，保溫時(shí)間為lh 3h，B2、將步驟BI中超高錳鋼鑄錠繼續(xù)加熱至1050°C 1100°C進(jìn)行第二次保溫處理，保溫時(shí)間為ltT3h，然后在水中快速冷卻至室溫，
B3、將步驟B2中水淬冷卻后的超高錳鋼鑄錠加熱至250°C 350°C進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理的保溫時(shí)間為2h 4h，在空氣中冷卻，得到超高錳鋼。優(yōu)選技術(shù)方案中，步驟BI中升溫速率小于70°C /h,步驟B2中升溫速率小于IOO0C /h。首先，將超高錳鋼鑄錠加熱至810°C 870°C進(jìn)行第一次保溫處理，超高錳鋼鑄錠在810-870°C固溶，基本上消除鑄態(tài)組織，使碳化物均勻化分布，保證部分碳化物逐漸溶解在奧氏體中，該熱處理過程可理解為預(yù)先奧氏體化；將上述超高錳鋼鑄錠繼續(xù)加熱至1050°C 1100°C進(jìn)行第二次保溫處理后進(jìn)行水淬處理，由于含有合金元素，其溶解溫度高，碳化物在第二次升溫保溫階段進(jìn)行粒狀化，并經(jīng)水淬將晶粒細(xì)化后的組織固定下來，最終形成了細(xì)化的奧氏體和其中有彌散分布碳化物第二相組織；然后在250 350°C進(jìn)行時(shí)效處理，提高第二相質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量，提高材料的硬度，使·奧氏體析出更多第二相質(zhì)點(diǎn)，最終得到具有強(qiáng)度、沖擊韌性和耐磨性的超高錳鋼。本發(fā)明提出的超高錳鋼，在傳統(tǒng)的高錳鋼基礎(chǔ)上增加錳的含量，錳元素在鋼的基體中形成(Fe、Mn) 3C、Mn7C等多型碳化物，大幅度提高了超高錳鋼的強(qiáng)度和沖擊韌性，同時(shí)，添加了 Cr、Mo、V和B等合金兀素，能夠細(xì)化晶粒，改善碳化物的尺寸和分布形態(tài)，提聞超聞錳鋼的硬度和耐磨性。本發(fā)明提出的超高錳鋼的制備方法中，采用鑄造工序和熱處理工序制備超高錳鋼，鑄造工序中澆注溫度為1400 1500°C，得到組織較均勻、初始晶粒較細(xì)的等軸晶組織；在熱處理工序中，將超高錳鋼鑄錠加熱至810°C 870°C進(jìn)行第一次保溫處理，然后繼續(xù)加熱至1050°C 1100°C進(jìn)行第二次保溫處理后進(jìn)行水淬處理，得到單一的奧氏體組織，然后在250 350°C進(jìn)行時(shí)效處理，得到具有強(qiáng)度、沖擊韌性和耐磨性的超高錳鋼。為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的超高錳鋼及其制備方法進(jìn)行詳細(xì)描述，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實(shí)施例的限制。以下結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例I根據(jù)表I中的成分制備超高錳鋼鑄錠。將上述超高錳鋼鑄錠加熱至810°C，保溫2. 5小時(shí)；將上述保溫的超高錳鋼鑄錠繼續(xù)加熱至1100°c，保溫2小時(shí)，然后在水中快速冷卻至室溫；將上述水淬冷卻后的鑄錠加熱至250°C，保溫4小時(shí)，在空氣中冷卻后得到超高錳鋼。實(shí)施例2根據(jù)表I中的成分制備超高錳鋼鑄錠。將上述超高錳鋼鑄錠加熱至830°C，保溫3小時(shí)；將上述保溫的超高錳鋼鑄錠繼續(xù)加熱至1090°C，保溫2. 5小時(shí)，然后在水中快速冷卻至室溫；將上述水淬冷卻后的鑄錠加熱至280°C，保溫3小時(shí)，在空氣中冷卻后得到超高錳鋼。實(shí)施例3根據(jù)表I中的成分制備超高錳鋼鑄錠。將上述超高錳鋼鑄錠加熱至860°C，保溫I. 5小時(shí)；將上述保溫的超高錳鋼鑄錠繼續(xù)加熱至1070°C，保溫2小時(shí)，然后在水中快速冷卻至室溫；將上述水淬冷卻后的鑄錠加熱至300°C，保溫2. 5小時(shí)，在空氣中冷卻后得到超高錳鋼。實(shí)施例4根據(jù)表I中的成分制備超高錳鋼鑄錠。將上述超高錳鋼鑄錠加熱至870°C，保溫I小時(shí)；將上述保溫的超高錳鋼鑄錠繼續(xù)加熱至1050°C，保溫3小時(shí)，然后在水中快速冷卻至室溫；將上述水淬冷卻后的鑄錠加熱至350°C，保溫2小時(shí)，在空氣中冷卻后得到超高錳鋼。將上述實(shí)施例I 4制備的超高錳鋼與比較例I 2的高錳鋼進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果如下表I本發(fā)明實(shí)施例中超高錳鋼與比較例中高錳鋼的成分(單位wt%)

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權(quán)利要求
1. 一種超高錳鋼，其特征在于，包括I. Owt% l. 5wt% 的 C ；16.5wt% 18. 5wt% 的 Mn ；0.4.t% O.6wt% 的 Si ;1.Owt% 2. 5wt% 的 Cr ；0.lwt% 0. 5wt% 的 Mo ；O.15wt% 0. 3wt% 的 V ；0wt% 0. 005wt% 的 B ；0.lwt% 0. 3wt% 的 Ti ； 余量為Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超高錳鋼，其特征在于， 所述C的含量為I. 15wt% l. 34wt%0
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超高錳鋼，其特征在于， 所述 Mn 的含量為 16. 90wt%^18. 41wt%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超高錳鋼，其特征在于， 所述Si的含量為O. 44wt%"0. 52wt%0
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超高錳鋼，其特征在于， 所述Cr的含量為I. 45wt% 2. 45wt%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超高錳鋼，其特征在于， 所述Mo的含量為O. 15wt% 0. 42wt%0
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超高錳鋼，其特征在于， 所述Ti的含量為O. 15wt%"0. 22wt%0
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的超高錳鋼，其特征在于， 還包括O. 03wt% 0· 05wt%的稀土元素。
9.一種超高錳鋼的制備方法，其特征在于，包括 A、按照權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的超高錳鋼的成分和含量進(jìn)行鑄造，得到超高錳鋼鑄錠，其中，鑄造工序的澆注溫度為1400°C ^1500°C ； B、對(duì)所述超高錳鋼鑄錠進(jìn)行熱處理，具體為 BI、將超高錳鋼鑄錠加熱至810°C 870°C進(jìn)行第一次保溫處理，保溫時(shí)間為Ihlh ； B2、將步驟BI中超高錳鋼鑄錠繼續(xù)加熱至1050°C 1100°C進(jìn)行第二次保溫處理，保溫時(shí)間為Ihlh，然后在水中快速冷卻至室溫； B3、將步驟B2中冷卻后的超高錳鋼鑄錠加熱至250°C 350°C進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理的保溫時(shí)間為2tT4h，在空氣中冷卻，得到超高錳鋼。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超高錳鋼的制備方法，其特征在于，步驟BI中升溫速率小于700C /h，步驟B2中升溫速率小于100°C /h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超高錳鋼，包括1.0wt%~1.5wt%的C；6.5wt%~18.5wt%的Mn；0.4wt%~0.6wt%的Si；1.0wt%~2.5wt%的Cr；0.1wt%~0.5wt%的Mo；0.15wt%~0.3wt%的V；0wt%~0.005wt%的B；0.1wt%~0.3wt%的Ti；余量為Fe。本發(fā)明還提出了一種超高錳鋼的制備方法。本發(fā)明提供的超高錳鋼中，提高了合金元素Mn的含量，同時(shí)添加了Cr、Mo、V、B、Ti等合金元素，提高了超高錳鋼的強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性和耐磨性。
文檔編號(hào)C21D1/18GK102888564SQ20121035185
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者韓波, 孫偉, 朱文旭 申請(qǐng)人:三一重工股份有限公司