專利名稱：一種超高錳鋼及其制備方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料領域，尤其是涉及了一種超高錳鋼及其制備方法。
背景技術：
高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的應用場合。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，適用于沖擊和高應力磨料磨損工況，例如，應用在破碎設備、挖掘設備等工程機械的抗沖擊和抗磨損的場合。隨著高強耐磨材料的發展，在高錳鋼的基礎上通過提高錳的含量得到性能更加優越的超高錳鋼。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，但是超高錳鋼不會出現早期斷裂現象；另外，超高錳鋼比高錳鋼的性價比高，超高錳鋼的使用壽命是高錳鋼的2倍左右。因此，超高錳鋼的發展和應用趨勢越來越受關注。因此，如何對超高錳鋼的成本和含量進行設計，并研究相應的熱處理工藝，以提高超高錳鋼的強度、硬度、沖擊韌性和耐磨性，更好地應用在工程機械中，是本領域技術人員需要解決的技術問題。

發明內容
本發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度、硬度、沖擊韌性和耐磨性。為了達到上述目的，本發明實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。優選地，所述C的含量為I. 15wt°/Tl. 34wt%。優選地，所述Mn的含量為16. 90wt% 18· 41wt%。優選地，所述Si的含量為O. 44wt% 0. 52wt%。優選地，所述Cr的含量為I. 45wt% 2. 45wt%。優選地，所述Mo的含量為O. 15wt% 0· 42wt%。優選地，所述Ti的含量為O. 15wt% 0. 22wt%。優選地,還包括O. 03wt% O. 05wt%的稀土元素。
本發明實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、對所述超高錳鋼鑄錠進行熱處理，具體為BI、將超高錳鋼鑄錠加熱至810°C 870°C進行第一次保溫處理，保溫時間為lh 3h ；B2、將步驟BI中超高錳鋼鑄錠繼續加熱至1050°C 1100°C進行第二次保溫處理，保溫時間為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進行時效處理，時效處理的保溫時間為2tT4h，在空氣中冷卻，得到超高錳鋼。優選地，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> 本發明提出的超高錳鋼，在傳統的高錳鋼基礎上增加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度和沖擊韌性，同時，添加了 Cr、Mo、V和B等合金兀素，能夠細化晶粒，改善碳化物的尺寸和分布形態，提聞超聞錳鋼的硬度和耐磨性。本發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進行第一次保溫處理，然后繼續加熱至1050°C 1100°C進行第二次保溫處理后進行水淬處理，然后在250 350°C進行時效處理，得到具有強度、沖擊韌性和耐磨性的超高錳鋼。綜上所述，本發明提出的超高錳鋼及其制備方法中，通過合理地設計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度和沖擊韌性，并且具有優越的耐磨性，可應用在具有高強度、高低沖擊的磨損工況的應用場合，適合于新型現代工程機械的應用需求。


圖I是本發明提出的一種超高錳鋼的熱處理工藝圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明提出的超高錳鋼及其制備方法進行清楚、完整地描述。本發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，從而降低鋼的耐磨性。本發明中，控制C含量為I. 0wt°n. 5wt%，優選為 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度和沖擊韌性；錳鋼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。本發明中，控制Mn含量為16. 5wt% 18. 5wt%，優選為16. 90wt% 18. 41wt%。
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，同時與Si結合又能提高抗腐蝕性和抗氧化性。本發明中，控制Si含量為 O. 4 O. 6wt%，優選為 O. 44wt% 0. 52wt%。Cr能夠與鋼中C結合形成(Fe、Cr) 3C等多型碳化物，這種碳化物以分散的硬質點存在與高錳鋼的基體中，可以提高高錳鋼的初始硬度。本發明中，控制Cr含量為I. 0wt% 2. 5wt%，優選為 I. 45wt% 2. 45wt%。Mo能夠細化鋼的晶粒，改善鋼的組織性能，Mo以碳化物的形式析出以提高鋼的強度、硬度和耐磨性。本發明中，控制Mo含量為O. lwt% 0. 5wt%，優選為O. 15wt% 0. 42wt%。V能夠固溶于奧氏體中，加入V后可以起到沉淀強化和細晶強化的作用，提高鋼的耐磨性。本發明中，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可細化晶粒，消除柱狀晶界，對晶界起強化作用。本發明中，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成為固體晶核，細化鋼的鑄態組織，提高鋼的強度和韌性。本發明中，控制V含量為O. Iwt0^O. 3wt%,優選為O. 15wt%^0. 22wt%0此外，控制Al、P、S等不可避免的雜質元素在較低的范圍內，在本發明中，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、大小和分布，又能細化鋼的晶粒，改善碳化物的形態和分布，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,稀土元素優選為乾基稀土元素。本發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、初始晶粒較細的等軸晶組織；B、對所述超高錳鋼鑄錠進行熱處理，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進行第一次保溫處理，保溫時間為lh 3h，B2、將步驟BI中超高錳鋼鑄錠繼續加熱至1050°C 1100°C進行第二次保溫處理，保溫時間為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進行時效處理，時效處理的保溫時間為2h 4h，在空氣中冷卻，得到超高錳鋼。優選技術方案中，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先奧氏體化；將上述超高錳鋼鑄錠繼續加熱至1050°C 1100°C進行第二次保溫處理后進行水淬處理，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行粒狀化，并經水淬將晶粒細化后的組織固定下來，最終形成了細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進行時效處理，提高第二相質點的數量，提高材料的硬度，使·奧氏體析出更多第二相質點，最終得到具有強度、沖擊韌性和耐磨性的超高錳鋼。本發明提出的超高錳鋼，在傳統的高錳鋼基礎上增加錳的含量，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度和沖擊韌性，同時，添加了 Cr、Mo、V和B等合金兀素，能夠細化晶粒，改善碳化物的尺寸和分布形態，提聞超聞錳鋼的硬度和耐磨性。本發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進行第一次保溫處理，然后繼續加熱至1050°C 1100°C進行第二次保溫處理后進行水淬處理，得到單一的奧氏體組織，然后在250 350°C進行時效處理，得到具有強度、沖擊韌性和耐磨性的超高錳鋼。為了進一步理解本發明，下面結合具體的實施例對本發明提供的超高錳鋼及其制備方法進行詳細描述，本發明的保護范圍不受以下實施例的限制。以下結合具體的實施方式對本發明實施例進行詳細說明。實施例I根據表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；將上述保溫的超高錳鋼鑄錠繼續加熱至1100°c，保溫2小時，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，在空氣中冷卻后得到超高錳鋼。實施例2根據表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；將上述保溫的超高錳鋼鑄錠繼續加熱至1090°C，保溫2. 5小時，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，在空氣中冷卻后得到超高錳鋼。實施例3根據表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；將上述保溫的超高錳鋼鑄錠繼續加熱至1070°C，保溫2小時，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，在空氣中冷卻后得到超高錳鋼。實施例4根據表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；將上述保溫的超高錳鋼鑄錠繼續加熱至1050°C，保溫3小時，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，在空氣中冷卻后得到超高錳鋼。將上述實施例I 4制備的超高錳鋼與比較例I 2的高錳鋼進行性能測試，結果如下表I本發明實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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求1-7任一項所述的超高錳鋼，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、按照權利要求1-8任一項所述的超高錳鋼的成分和含量進行鑄造，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、對所述超高錳鋼鑄錠進行熱處理，具體為 BI、將超高錳鋼鑄錠加熱至810°C 870°C進行第一次保溫處理，保溫時間為Ihlh ； B2、將步驟BI中超高錳鋼鑄錠繼續加熱至1050°C 1100°C進行第二次保溫處理，保溫時間為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進行時效處理，時效處理的保溫時間為2tT4h，在空氣中冷卻，得到超高錳鋼。
10.根據權利要求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。本發明還提出了一種超高錳鋼的制備方法。本發明提供的超高錳鋼中，提高了合金元素Mn的含量，同時添加了Cr、Mo、V、B、Ti等合金元素，提高了超高錳鋼的強度、硬度、沖擊韌性和耐磨性。
文檔編號C21D1/18GK102888564SQ20121035185
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月20日 優先權日2012年9月20日
發明者韓波, 孫偉, 朱文旭 申請人:三一重工股份有限公司