一种高强度高锰钢及其制备方法

一种高强度高锰钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种高强度高锰钢及其制备方法。

背景技术

随着现代工业的发展，大型设备如采矿设备、破碎设备和挖掘设备等 在冶金和矿山等行业应用愈加广泛，其抗磨配件重达几吨到几十吨，有效 厚度均在100mm以上。高锰钢广泛应用于大型设备的抗磨配件，但是随着 工业的发展，传统高锰钢已经难以满足工业需求。

目前，破碎齿主要采用改性高锰钢，该钢种由于韧性高和耐磨性好被 广泛应用于破碎齿等煤炭机械关键耐磨零部件，但是此种改性高锰钢的使 用寿命仍然较短。

随着高强耐磨材料的发展，研究者在对高锰钢中增加锰含量，加入微 量元素等方面做了大量工作，以寻求进一步提高高锰钢的力学性能、加工 硬化性能及耐磨性。

公开号为101250675A的中国专利公开了一种含钨超高锰钢的化学配 方和热处理工艺，其化学配方是在高锰钢的基础上提高锰含量，添加了W、 Cr和Re三种合金元素，此种高锰钢经过热处理后，在应用过程中强度、冲 击韧性和耐磨性仍然偏低。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种高强度高锰钢及其制备方法，本 发明提供的高锰钢具有较高的强度、冲击韧性和耐磨性。

有鉴于此，本发明公开了一种高强度高锰钢，包括：

1.0wt％～1.8wt％的C；

10wt％～18wt％的Mn；

0.4wt％～1.5wt％的Si；

1.0wt％～2.5wt％的Cr；

0.2wt％～1.0wt％的Mo；

0.4wt％～0.8wt％的Ti；

0～0.004wt％的S；

0～0.004wt％的P；

余量的Fe。

优选的，所述C的含量为1.2wt％～1.6wt％。

优选的，所述Mn的含量为12wt％～15wt％。

优选的，所述Si的含量为0.5wt％～1.0wt％。

优选的，所述Mo的含量为0.5wt％～0.8wt％。

优选的，所述Ti的含量为0.5wt％～0.6wt％。

本申请还提供了一种高强度高锰钢的制备方法，包括以下步骤：

a)、将如下成分的原料铸造，得到高锰钢铸锭：

1.0wt％～1.8wt％的C，10wt％～18wt％的Mn，0.4wt％～1.5wt％的Si， 1.0wt％～2.5wt％的Cr，0.2wt％～1.0wt％的Mo，0.4wt％～0.8wt％的Ti， 0～0.004wt％的S，0～0.004wt％的P和余量的Fe；

b)、将所述高锰钢铸锭进行热处理，具体为：

b01)、将所述高锰钢铸锭加热至500℃～700℃进行第一次保温处理和第 一次冷却；

b02)、将步骤b01)得到的高锰钢铸锭加热至1000℃～1100℃进行第二 次保温处理后水淬，得到高强度高锰钢。

优选的，所述第一次保温处理的时间为1h～3h，所述第一次冷却为空冷。

优选的，所述第二次保温处理的时间为30min～60min。

本发明提供的高锰钢在传统高锰钢的基础上提高锰的含量，锰元素在 钢的基体中形成(Fe、Mn)₃C、Mn₇C等碳化物，极大地提高了钢的强度 和冲击韧性，同时添加了Cr、Mo和Ti等合金元素，能够有效地细化晶粒， 改善碳化物的大小和形态，提高基体的强度和硬度。

本发明在制备高锰钢的过程中，经过铸造工序和热处理工序后得到了 高强度高锰钢。在热处理过程中，将经过铸造的高锰钢铸锭加热至 500℃～700℃进行第一次保温处理和第一次冷却，使高锰钢铸锭奥氏体化， 并析出碳化物，形成共析组织，同时细化晶粒为下一步水韧处理做准备； 然后将第一次冷却处理后的高锰钢铸锭加热至1000℃～1100℃进行第二次 保温处理和水淬冷却，此阶段的水韧处理使基体中的碳化物溶于奥氏体中， 形成单一的奥氏体组织，能够有效地提高高锰钢的强度和冲击韧性。

综上所述，本发明通过设计合理的高锰钢的配方和热处理工艺，不仅 提高了高锰钢的强度和冲击韧性，并且还提高了高锰钢的耐磨性，从而获 得了强度、冲击韧性和耐磨性能都较高的综合机械性能良好的新材料。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行 进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发 明，并不用于限定本发明。

本发明实施例公开了一种高锰钢，包括：

1.0wt％～1.8wt％的C；

10wt％～18wt％的Mn；

0.4wt％～1.5wt％的Si；

1.0wt％～2.5wt％的Cr；

0.2wt％～1.0wt％的Mo；

0.4wt％～0.8wt％的Ti；

0～0.004wt％的S；

0～0.004wt％的P；

余量的Fe。

本发明提供的高锰钢中含有C，C使得高锰钢兼具较高的强度和韧性。 本发明中所述C的含量为1.0wt％～1.8wt％，优选为1.2wt％～1.6wt％。

Mn是奥氏体锰合金钢的主要成分，锰一部分固溶于奥氏体，增加过冷 奥氏体的稳定性，提高淬透性，另一部分存在于(Fe、Mn)₃C、Mn₇C等 碳化物中，极大地提高了钢的强度和冲击韧性，提高锰的含量会显著提高 合金的强度和硬度。在本发明中，Mn的含量为10wt％～18wt％，优选为 12wt％～15wt％。

Cr与钢中的碳结合，生成(Fe、Cr)₃C等多型化合物，这种碳化物以 分散的硬质点存在于钢的基体中，提高了钢的初始硬度。本发明中Cr的含 量为1.0wt％～2.5wt％，优选为1.5wt％～2.0wt％。

Si是改善碳化物结构和形态的主要元素，有助于改善碳化物形态，但 是硅的含量过高，将降低钢的韧性，因此，本发明中Si的含量为 0.4wt％～1.5wt％，优选为0.5wt％～1.0wt％。

Mo的主要作用是增加钢的淬透性，在钢中添加一定量的Mo可改善碳 化物在钢中的形态和分布，同时也形成MoC和Mo₂C，适量的Mo可改善 钢的组织性能，降低回火脆性，细化组织，提高基体的强度和韧性，因此， 本发明中Mo的含量为0.2wt％～1.0wt％，优选为0.5wt％～0.8wt％。

Ti在钢中形成碳氮化合物，碳氮化合物在钢液凝固时成为固体晶核， 细化钢的铸态组织，提高钢的强度和韧性。因此，本发明中Ti的含量为 0.4wt％～0.8wt％，优选为0.5wt％～0.6wt％。

P是高锰钢中不可避免的杂质成分，会恶化超高锰钢的力学性能、耐磨 性能和铸造性能。因此，本发明中P的含量低于0.004wt％，越低越好。

S是高锰钢中不可避免的杂质成分，S使得钢的脆性增加。在本发明中， S的含量低于0.004wt％，越低越好。

本发明还公开了一种高强度高锰钢的制备方法，包括以下步骤：

a)、将如下成分的原料铸造，得到高锰钢铸锭：

1.0wt％～1.8wt％的C，10wt％～18wt％的Mn，0.4wt％～1.5wt％的Si， 1.0wt％～2.5wt％的Cr，0.2wt％～1.0wt％的Mo，0.4wt％～0.8wt％的Ti， 0～0.004wt％的S，0～0.004wt％的P和余量的Fe；

b)、将所述高锰钢铸锭进行热处理，具体为：

b01)、将所述高锰钢铸锭加热至500℃～700℃进行第一次保温处理和第 一次冷却；

b02)、将步骤b01)得到的高锰钢铸锭加热至1000℃～1100℃进行第二 次保温处理后水淬，得到高强度高锰钢。

步骤a)为铸造工序，本发明对步骤a)所述的铸造方法没有特殊限制， 可以为砂型铸造或金属铸造等本领域技术人员熟知的方法。

步骤b)为热处理工序，在得到高锰钢铸锭后，将上述高锰钢铸锭进行 热处理。首先将上述高锰钢铸锭加热至500℃～700℃进行第一次保温处理和 第一次冷却，此过程使高锰钢铸锭的组织奥氏体化，并使钢中的碳化物析 出，获得共析组织，同时能够细化晶粒为下一步水韧处理做准备。为了确 保充分奥氏体化，作为优选方案，上述第一次保温的保温时间为1h～3h，上 述第一次冷却的冷却方式为空冷。

最后将第一次冷却后的高锰钢加热至1000℃～1100℃进行第二次保温 处理后水淬，此阶段为水韧处理，在此阶段基体中的碳化物溶于奥氏体中， 在室温下获得单一的奥氏体组织，上述第二次保温处理的保温时间优选为 30min～60min。上述加热的温度优选为1050℃～1100℃。

本发明的高锰钢在传统高锰钢的基础上提高锰的含量，Mn元素在钢的 基体中形成(Fe、Mn)₃C、Mn₇C等碳化物，极大地提高了钢的强度和冲 击韧性，同时添加了Cr、Mo和Ti等合金元素，能够有效地细化晶粒，改 善碳化物的大小和形态，提高基体的强度、硬度和韧性。

本发明在制备高锰钢的过程中，经过铸造工序和热处理工序后得到了 高强度高锰钢。在热处理过程中，将经过铸造的高锰钢铸锭加热至 500℃～700℃进行第一次保温处理和第一次冷却，使高锰钢铸锭奥氏体化； 并析出碳化物，形成共析组织，同时细化晶粒为下一步水韧处理做准备； 然后将第一次冷却处理后的高锰钢铸锭加热至1000℃～1100℃进行第二次 保温处理和水淬冷却，此阶段的水韧处理使基体中的碳化物溶于奥氏体中， 形成单一的奥氏体组织，能够有效地提高高锰钢的强度和冲击韧性。

综上所述，本发明通过设计合理的高锰钢的配方和热处理工艺，不仅 提高了高锰钢的强度和冲击韧性，并且还提高了高锰钢的耐磨性，从而获 得了强度、冲击韧性和耐磨性能都较高的综合机械性能良好的新材料。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的超高锰钢及 其制备方法进行详细介绍，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

制备高锰钢铸锭，铸锭成分列于表1；

将上述高锰钢铸锭加热至600℃保温2h，空冷至室温；将空冷后的高 锰钢铸锭重新加热至1020℃保温40min，水冷后得到高锰钢。

实施例2

制备高锰钢铸锭，铸锭成分列于表1；

将上述高锰钢铸锭加热至650℃保温1.5h，空冷至室温；将空冷后的高 锰钢铸锭重新加热至1070℃保温60min，水冷后得到高锰钢。

实施例3

制备高锰钢铸锭，铸锭成分列于表1；

将上述高锰钢铸锭加热至610℃保温2.5h，空冷至室温；将空冷后的高 锰钢铸锭重新加热至1000℃保温45min，水冷后得到高锰钢。

实施例4

制备高锰钢铸锭，铸锭成分列于表1；

将上述高锰钢铸锭升温至500℃保温1h，空冷至室温；将空冷后的高 锰钢铸锭重新加热至1050℃保温50min，水冷后得到高锰钢。

实施例5

制备高锰钢铸锭，铸锭成分列于表1；

将上述高锰钢铸锭升温至620℃保温2h，空冷至室温；将空冷后的高 锰钢铸锭重新加热至1080℃保温55min，水冷后得到高锰钢。

将实施例1～5制备的高锰钢进行性能测试，编号依次为A、B、C、D 和E，测试结果列于表2。

表1 实施例1～5中高锰钢的成分含量表(wt％)

表2 本发明实施例1～5制备的高锰钢的性能测试结果

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。