本發(fā)明屬于耐磨鑄鋼領(lǐng)域，具體涉及一種Cr-Al-Nb-V合金化的高耐磨高錳鑄鋼。
背景技術(shù)：
：耐磨高錳鋼Mn13自發(fā)明已經(jīng)有一百多年的歷史，使用狀態(tài)組織為奧氏體，在較大的沖擊載荷或接觸應(yīng)力的使用狀態(tài)下，表面迅速硬化，具有優(yōu)異的耐沖擊磨損性能。高錳奧氏體鋼也因此難以變形和機(jī)加工，常以鑄鋼形式使用。隨著實(shí)際工況對高錳奧氏體鑄鋼的耐磨性要求越來越高，各種改進(jìn)型高錳鋼的開發(fā)受到重視。如成功應(yīng)用的改進(jìn)型高錳鋼ZG120Mn13Cr2、ZG120Mn17Cr2，由于加入了約2％(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))的Cr，提高了初始硬度和加工硬化能力，較Mn13高錳鋼較大的提高了耐磨性；但過高的Cr含量顯著降低沖擊韌性。利用Mo代替Cr也可以提高耐磨性，但由于Mo元素昂貴，以Mo代Cr的高錳鋼很少得到應(yīng)用。此外，還有一些研究或?qū)＠鸆N105803322A、CN105779889A如添加Ti、W等強(qiáng)碳化物以形成大量的粗大硬質(zhì)相如TiC、WC等以提高硬度，但同時也顯著的降低了沖擊韌性，反而不利于其沖擊磨損性能的提高。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)并利用了Cr-Al-Nb-V對高錳奧氏體的協(xié)同調(diào)控作用，開發(fā)了一種新型高耐磨高錳鋼及其水韌處理工藝，顯著提高高錳鋼的耐沖擊磨損性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種Cr-Al-Nb-V合金化的高耐磨高錳鑄鋼。在化學(xué)成分上，通過Al合金化的思路，突破了以往的Cr含量限制，同時采用Nb-V復(fù)合微合金化，細(xì)化奧氏體晶粒尺寸，共同、顯著提高了高錳鋼的耐沖擊磨損性。為了達(dá)到上述技術(shù)目標(biāo)，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下：一種Cr-Al-Nb-V合金化的高耐磨高錳鑄鋼，化學(xué)成分C：1.20～1.60wt.％、Si：0.25～0.75wt.％、Mn：16.0～20.0wt.％、Cr：3.00～5.00wt.％、Al：1.00～2.00wt.％、Nb：0.04～0.10wt.％、V：0.10～0.20wt.％、P<0.03wt.％、S<0.015wt.％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，均為重量百分?jǐn)?shù)。優(yōu)選地，化學(xué)成分C：1.20～1.35wt.％、Si：0.25～0.35wt.％、Mn：16.0～18.0wt.％、Cr：3.00～3.50wt.％、Al：1.00～1.30wt.％、Nb：0.04～0.07wt.％、V：0.10～0.13wt.％、P<0.01wt.％、S<0.010wt.％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，均為重量百分?jǐn)?shù)。優(yōu)選地，化學(xué)成分C：1.50～1.60wt.％、Si：0.50～0.75wt.％、Mn：18.5～20.0wt.％、Cr：4.00～5.00wt.％、Al：1.60～2.00wt.％、Nb：0.08～0.10wt.％、V：0.15～0.20wt.％、P<0.03wt.％、S<0.015wt.％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，均為重量百分?jǐn)?shù)。優(yōu)選地，Nb、V總量不高于0.30wt.％。優(yōu)選地，Mn/C質(zhì)量比控制不低于10。優(yōu)選地，Al/Cr質(zhì)量比不低于1:5。優(yōu)選地，Nb/C質(zhì)量比應(yīng)控制為1:30～1:15，V/C質(zhì)量比控制為1:12～1:8，V/Nb質(zhì)量比控制為大于2。優(yōu)選地，鋼中Cr的碳化物尺寸在5微米以下，奧氏體晶粒在50～100微米。進(jìn)一步地，提供一種上述Cr-Al-Nb-V合金化的高耐磨高錳鑄鋼的制備方法，其特征在于：按高錳鋼成分和質(zhì)量百分含量將原材料混合放入真空感應(yīng)加熱爐內(nèi)，充分熔化后再保溫8～10分鐘制成高錳鋼水，出爐后澆鑄形成鑄件，采用分段加熱的熱處理方式，首先將鑄件以100-150℃/h的速度升溫至750℃-850℃保溫1～2小時，隨后隨爐加熱繼續(xù)將鑄件升溫至1000℃～1200℃保溫1～4小時，最后出爐水冷到室溫。本發(fā)明各元素的作用及配比依據(jù)如下：碳：較高的C含量是高錳鋼耐磨性的重要保障，奧氏體中固溶的C可以保證高錳奧氏體的加工硬化能力，析出的C則增加高錳鋼的硬度。本發(fā)明采用較高錳含量和Nb、V復(fù)合微合金的設(shè)計原則，奧氏體中固溶的C含量不低于1.10wt.％，總C含量隨Nb、V總量同步增加。過高的C含量和Nb、V總量不利于沖擊韌性的保證。因此，在Nb、V總量不高于0.30wt.％的前提下，本發(fā)明控制C含量為1.20～1.60wt.％。硅：鋼中脫氧元素之一，具有固溶強(qiáng)化效果。本發(fā)明主要利用其脫氧作用，控制Si含量為0.25～0.75wt.％。錳：保障奧氏體穩(wěn)定和加工硬化特性的關(guān)鍵合金元素，Mn/C質(zhì)量比控制不低于10。本發(fā)明控制Mn含量為16.0～20.0wt.％。鉻：Cr是耐腐蝕合金元素之一，也能顯著提高高錳鋼的硬度，但在常規(guī)高錳鋼中加入容易在鑄造冷卻過程中形成粗大的Cr的碳化物，鑄坯很脆，常導(dǎo)致開裂；并且這種粗大的碳化物很難通過水韌處理消除，從而顯著降低沖擊韌性。本發(fā)明控制Cr含量為3.00～5.00wt.％，突破了傳統(tǒng)高錳鋼的Cr含量限制。本發(fā)明通過Al合金化來減輕乃至消除其對沖擊韌性的不利影響。鋁：Al是耐腐蝕合金元素之一，也能抑制碳化物的形成，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)高錳鋼中Cr含量不低于3.00wt％，Al/Cr質(zhì)量比不低于1:5時，Al對高錳奧氏體中Cr的碳化物的形成具有強(qiáng)烈的抑制作用。過低的Al含量，抑制碳化物形成的作用不顯著；過高的Al含量降低密度較多，不利于耐磨鋼的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。因此，本發(fā)明控制Al含量為1.00-2.00wt.％。鈮：Nb在高錳鋼的凝固過程中開始析出，在凝固后期和水韌處理中的固溶處理時與V協(xié)同析出，這些MC相不僅硬度高、可以增加硬度和耐磨性，還可以抑制奧氏體晶粒長大，提高沖擊韌性。根據(jù)MC的固溶度積公式和細(xì)化晶粒的控制思路，Nb、C含量協(xié)同變化，Nb/C質(zhì)量比應(yīng)控制為1:30～1:15。因此，本發(fā)明控制Nb含量為0.04％～0.10％wt.。釩：一部分V與Nb協(xié)同析出，增加硬度和耐磨性，細(xì)化高錳奧氏體晶粒；另一部分V固溶，也提高高錳鋼的硬度。根據(jù)MC的固溶度積公式和部分析出部分固溶的控制思路，V、Nb、C含量協(xié)同變化，V/C質(zhì)量比控制為1:12～1:8，V、Nb總量不超過0.30wt.％，V/Nb質(zhì)量比控制為大于2。因此，本發(fā)明控制V含量為0.10％～0.20wt.％。磷：鋼中雜質(zhì)元素，顯著降低塑韌性，對于高錳鋼而言，本發(fā)明控制其含量在0.030wt.％以內(nèi)。硫：鋼中雜質(zhì)元素，顯著降低塑韌性，對于高錳鋼而言，本發(fā)明控制其含量在0.015wt.％以內(nèi)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明Cr-Al-Nb-V合金化的高耐磨高錳鑄鋼突破了傳統(tǒng)高錳鋼Cr含量的限制，采用Al合金化抑制粗大Cr碳化物的技術(shù)思路，使Cr的碳化物尺寸控制在5微米以下。同時采用Nb、V復(fù)合微合金化細(xì)化奧氏體晶粒，使奧氏體晶?？刂圃?0～100微米，不降低沖擊韌性，但提高耐沖擊磨損性能。鑄坯經(jīng)水韌處理后獲得的耐沖擊磨損性能比ZG120Mn17Cr2高30-50％以上。由于Cr、Al等耐腐蝕合金元素含量較高，在輕微腐蝕環(huán)境中，其耐沖擊磨損磨蝕性能的優(yōu)勢更明顯。具體實(shí)施方式下面將對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明中很小的一部分，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明實(shí)施例1#-3#鋼的化學(xué)成分如表1所示。經(jīng)真空感應(yīng)爐冶煉后進(jìn)行保護(hù)模鑄，經(jīng)1080℃保溫3.5h的水韌處理后在MLD-10型動載磨料磨損試驗機(jī)上進(jìn)行沖擊磨損實(shí)驗。實(shí)驗選用10kg沖頭；沖擊頻率200次/min；沖擊時間為0.5h、1h、1.5h；下試樣為40Cr；轉(zhuǎn)速200r/min；磨料為2～3mm石英砂；沖擊功1.5J。將實(shí)例鋼及ZG120Mn17Cr2鋼制成10×10×30mm3的試樣作為上料進(jìn)行實(shí)驗。實(shí)驗前后分別將試樣用丙酮溶液清洗后在精度為0.0001g的電子天平上稱重，測得失重量。測得本發(fā)明所提供的實(shí)例鋼耐1.5J沖擊磨損性能分別比ZG120Mn17Cr2的高35％、38％和52％。表1化學(xué)成分編號CSiMnCrAlNbVpS1#1.260.3516.53.751.210.050.130.0220.0082#1.350.2517.83.851.340.040.180.0280.0053#1.550.4218.94.651.80.10.150.0130.012以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3