专利名称：高锰钢及其制备方法
技术领域：
本发明属于金属材料技术领域，尤其涉及一种高锰钢及其制备方法。
背景技术：
锰钢是一种高强度的钢材，主要用于需要承受冲击、挤压、物料磨损等恶劣工况条件，其破坏形式以磨损消耗为主，包括金属构件表面间相互接触并运动的摩擦磨损、其他金属或非金属物料打击金属表面的磨料磨损和流动气体或液体与金属接触导致的冲蚀磨损等。高锰钢在强烈的冲击、挤压条件下，表层迅速发生加工硬化现象而具有良好的耐磨性能，适用于冲击磨料磨损和高应力磨料磨损工况，常用于制造球磨机衬板、锤式破碎机锤头、颚式破碎机颚板、圆锥破碎机轧白壁、挖掘机斗齿、斗壁、铁道道岔、拖拉机和坦克的履带板、防弹钢板、保险箱钢板等抗冲击、抗磨损的铸件。为了提高高锰钢的耐磨性能，一般采取向高锰钢中加入Cr、Mo、V、Ti或稀土等合金元素，在高锰钢的奥氏体基体上获得弥散分布的碳化物颗粒的方法。如公开号为 CN1363714A在普通高猛钢中添加0. 15% 0. 4%的Μο、0· 035% 0. 095%的V和 2% 的Cr ；公开号为CN101250675A在高锰钢中添加0. 5% 1. 5%的W ；美国专利US4494988在 Μη13中加入4% 6%的Cr、4% 6%的Ni和一定含量的N。申请号为200510045639. 2的中国专利文献公开了一种稀土硼微合金化高锰钢， 按质量百分比其组成为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，该高锰钢的耐磨性较好，但其强度、抗冲击韧性较低，在应用中易出现破坏，寿命较短。申请号为200610134360.6的中国专利文献公开了一种超高性能耐磨高锰钢，包括1. 00wt% 1. 5衬％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，该高锰钢的硬度、冲击韧性等性能较好，但其耐磨性能提高不明显。申请号为200510041992.3的中国专利文献公开了一种用于耐磨铸件的含钨高猛钢，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和余量的铁。该高锰钢具有较好的耐磨性，但其强度、冲击韧性、延伸率等性能较差，在应用中易出现破坏，寿命较短，不适用于大、重、硬物料破碎的强烈冲击和强烈磨损的工况。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种高锰钢及其制备方法，本发明提供的高锰钢具有良好的强度、冲击韧性、延伸率等性能和耐磨性能，能够适用于不同强度冲击磨损工况条件，使用寿命较长。本发明提供了一种高锰钢，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。优选的，包括0·25wt% 0. 35wt%&Mo。优选的，包括0·0005wt% 0·RE。优选的，包括:0.0005 0. 015wt%^ Ni。优选的，包括0·0005wt% 0.Cu。本发明还提供了一种高锰钢的制备方法，包括以下步骤铸造工序铸造如上述技术方案所述的高锰钢；热处理工序将所述高锰钢升温至IOOiTC 120(TC进行第一次保温处理和第一次冷却处理；将所述经过第一次冷却处理后的高锰钢升温至250°C 450°C进行第二次保温处理和第二次冷却处理。优选的，所述第一次保温处理的保温时间为60min 120min。优选的，所述第一次冷却处理为水淬处理。优选的，所述第二次保温处理的保温时间为25min 30min。
优选的，所述第二次冷却处理为空冷处理。与现有技术相比，本发明提供的高锰钢包括1. 2wt% 1. 3衬％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。本发明在高锰钢的传统组分中加入Cr、Mo、B、Ti、RE、Ni、Cu等合金元素，不仅提高了高锰钢的耐磨性能，而且提高了高锰钢的强度、延伸率、抗冲击韧性等性能，得到的高锰钢不仅适用于中小冲击磨损工况，而且适用于强烈磨损工况，使用寿命较长。实验表明，本发明提供的高锰钢的耐磨性比ZGMnl3的耐磨性提高了 75%，其硬度可达246HB，冲击韧性可达172J/cm2，延伸率可达25 %，抗拉强度可达813MPa。
图1为本发明实施例提供的热处理工艺图。
具体实施例方式本发明 提供了一种高锰钢，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。本发明在高锰钢的传统组分中加入Cr、Mo、B、Ti、RE、Ni、Cu等合金元素，不仅提高了高锰钢的耐磨性能，而且提高了高锰钢的强度、延伸率、抗冲击韧性等性能，得到的高锰钢不仅适用于中小冲击磨损工况，而且适用于强烈磨损工况，使用寿命较长。本发明提供的高锰钢中含有C，C能够使得高锰钢兼具较高的硬度和韧性。所述C 的含量为1.2wt% 1.3wt%，优选为1.22wt% 1.28wt%。对于高锰钢来说，C含量过高时，组织中会产生网状碳化物，导致高锰钢的脆性增加；碳含量过低时，高锰钢的硬度会大幅下降，降低其耐磨性。Mn是奥氏体锰合金钢的主要成分。Mn —部分溶于奥氏体，增加过冷奥氏体的稳定性，提高其淬透性；另一部分存在与(Fe、Mn)3C、Mn7C等碳化物中，提高高锰钢的强度和冲击韧性。将Mn含量控制为12wt% 13wt%之间，经水韧处理后能够得到比较稳定的单一奥氏体组织，其工作表面受到冲击和磨损后会迅速形成高硬度的马氏体组织，从而大大提高高锰钢的硬度和耐磨性。在本发明中，所述Mn的含量优选为12. 2wt% 12. 8wt%，更优选为 12. 4wt% 12. 7wt%。Cr能够与C结合生成(Fe、Cr)3C等多型碳化物，这种碳化物以分散的硬质点存在于高锰钢的基体中，提高高锰钢的初始硬度。在本发明中，Cr的含量为2wt% 3wt%，优选为 2. 2wt % 2. 9wt %，最优选为 2. 5wt % 2. 8wt %。Si是改善碳化物结构和形态的主要元素，Si含量高时有助于共晶碳化物呈高度的MC型结构，有助于改善碳化物形态，提高高锰钢的强度和耐磨性，但是，Si含量过高时会降低高锰钢的韧性，因此，本发明中，Si含量为0. 4wt% 0. 6wt%，优选为0. 45wt% 0. 55wt %，更优选为 0. 49wt % 0. 54wt %。Mo的主要作用是增加高锰钢的淬透性，细化组织，提高基体的强度和韧性。在本发明中，Mo的含量为0. 2wt % 0. 4wt %，优选为0. 25wt % 0. 35wt %，更优选为0. 26wt % 0. 30wt%。B主要富集在奥氏体晶界处，可细化晶粒，消除柱状晶界，提高高锰钢的密度，对晶界起强化作用。在本发明中。8的含量为0.003衬％ 0.006衬％，优选为0.003 0. 0055wt %，更优选为 0. 0035wt % 0. 005wt %。M能够稳定奥氏体相，通过固溶强化改善高锰钢的强度、延伸率、冲击强度等机械性能。在本发明中，Ni的含量为0 0. 02wt%，优选为0. 0005wt% 0. 015wt%，更优选为 0. 001wt% 0. 013wt%。Cu作为奥 氏体稳定元素在高锰钢奥氏体中有较高的固溶度，在高锰钢合金中加入Cu可提高高锰钢的抗腐蚀性，从而减少腐蚀物质对高锰钢的腐蚀，提高设备的使用寿命。在本发明中，Cu的含量为0 0. 02wt%，优选为0. 0005wt% 0. 015wt%，更优选为 0. 001wt% 0. 013wt%。Ti在高锰钢中可形成钛的碳氮化合物，碳氮化合物在钢液凝固时成为固体晶核细化高锰钢的铸态组织，提高高锰钢的强度和韧性。但是，Ti含量过多时，会使Fe的γ相区缩小，不利于高锰钢的奥氏体化。在本发明中，Ti的含量为0.05衬％ 0.06衬％，优选为 0. 051wt% 0. 058wt%，更优选为 0. 052wt% 0. 055wt%。稀土元素RE既能够控制夹杂物的形态、大小和分布，又能够细化材料的晶粒，改善碳化物形态和分布，促使碳化物呈孤立状均勻分布，显著减少夹杂物，提高冶炼质量。在本发明中，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 中的一种或多种，优选为La。所述稀土元素的含量为0 0. 03wt%，优选为0. 00005wt% 0. 02wt%，更优选为 0. OOOlwt% 0. 015wt%，最优选为 0. 0005wt% 0. Olwt%。P是高锰钢中不可避免的杂质成分，P会恶化高锰钢的力学性能、抗磨性能和铸造工艺性能。P在奥氏体中溶解度很小，在高温下会形成二元磷共晶或三元磷共晶，磷共晶使高锰钢性能下降。在本发明中，P的含量低于0.007wt%，优选低于0.005wt%，越低越好。S是高锰钢中不可避免的杂质成分，S使得高锰钢脆性增加。在本发明中，S的含量低于0. 0092wt %，优选低于0. 008wt %，越低越好。本发明还公开了一种高锰钢的制备方法，包括以下步骤铸造工序铸造如上述技术方案所述的高锰钢；热处理工序将所述高锰钢升温至IOOiTC 120(TC进行第一次保温处理和第一次冷却处理；将所述经过第一次冷却处理后的高锰钢升温至250°C 450°C进行第二次保温处理和第二次冷却处理。本发明对所述高锰钢的铸造方法没有特殊限制，可以为砂型铸造、金属铸造等本领域技术人员熟知的方法。铸造得到高锰钢后，对所述高锰钢进行热处理，参见图1，图1为本发明实施例提供的热处理工艺图将所述高锰钢升温至1000°C 1200°C进行第一次保温处理和第一次冷却处理；将所述经过第一次冷却处理后的高锰钢升温至250°C 450°C进行第二次保温处理和第二次冷却处理。首先将高锰钢升温至IOOiTC 1200°C进行第一次保温处理，优选升温至 1050°C 1150°C，优选保温60min 120min，更优选保温80min lOOmin，然后进行第一次冷却处理。所述第一次冷却处理优选为水淬。继续将所述经过第一冷却处理后的高锰钢升温至250°C 450°C进行第二次保温处理，优选升温至300°C 400°C，优选保温25min 30min，更优选保温26min 28min，然后进行第二次冷却处理。所述第二次冷却处理优选为空冷。 经过上述热处理后，高锰钢中的合金化元素能够充分作用，从而获得强度、硬度、 抗冲击韧性及耐磨性等都较高的、综合机械性能良好的高锰钢材料。经过热处理后，将得到高锰钢材料在MLD-10型动载磨料磨损试验机上进行耐磨性实验，具体过程如下将高锰钢材料切割成IOmmX IOmmX 30mm的试样，磨料为Imm 2mm 的精制石英砂，流量为450mL/min，冲击功为5. OJ ；每隔30min测量一次磨损后的质量，共测量5次，磨损2h，以试样失重来判断耐磨性。结果表明，与普通高锰钢ZGMnl3相比，本发明提供的高锰钢的耐磨性能提高了 75%。将所述高锰钢材料进行硬度、冲击韧性、延伸率和抗拉强度的测试，结果表明，其硬度可达246HB，冲击韧性可达172J/cm2，延伸率可达25%，抗拉强度可达813MPa。为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的高锰钢及其制备方法进行详细描述。实施例1铸造如表1所述成分的高锰钢铸件；将所述高锰钢铸件升温至1130°C保温90min后，水淬冷却；继续升温至350°C保温 25min，空冷后得到高锰钢。按照上文所述方法对所述高锰钢进行性能测试，结果参见表2，表2为本发明实施例及比较例提供的高锰钢的性能测试结果。实施例2铸造如表1所述成分的高锰钢铸件；将所述高锰钢铸件升温至1100°C保温90min后，水淬冷却；继续升温至370°C保温 30min，空冷后得到高锰钢。按照上文所述方法对所述高锰钢进行性能测试，结果参见表2，表2为本发明实施例及比较例提供的高锰钢的性能测试结果。实施例3铸造如表1所述成分的高锰钢铸件；将所述高锰钢铸件升温至1150°C保温90min后，水淬冷却；继续升温至320°C保温 25min，空冷后得到高锰钢。按照上文所述方法对所述高锰钢进行性能测试，结果参见表2，表2为本发明实施例及比较例提供的高锰钢的性能测试结果。实施例4铸造如表1所述成分的高锰钢铸件；将所述高锰钢铸件升温至1170°C保温90min后，水淬冷却；继续升温至400°C保温 30min，空冷后得到高锰钢。按照上文所述方法对所述高锰钢进行性能测试，结果参见表2，表2为本发明实施例及比较例提供的高锰钢的性能测试结果。实施例5铸造如表1所述成分的高锰钢铸件；将所述高锰钢铸件升温至1130°C保温IOOmin后，水淬冷却；继续升温至350°C保温27min，空冷后得到高锰钢。按照上文所述方法对所述高锰钢进行性能测试，结果参见表2，表2为本发明实施例及比较例提供的高锰钢的性能测试结果。实施例6铸造如表1所述成分的高锰钢铸件；将所述高锰钢铸件升温至1130°C保温SOmin后，水淬冷却；继续升温至350°C保温 28min，空冷后得到高锰钢。按照上文所述方法对所述高锰钢进行性能测试，结果参见表2，表2为本发明实施例及比较例提供的高锰钢的性能测试结果。比较例1铸造如表1所述成分的ZGMn 13铸件；将所述高锰钢铸件升温至1130°C保温90min后，水淬冷却；继续升温至350°C保温 25min,空冷后得到ZGMnl3。按照上文所述方法对所述高锰钢进行性能测试，结果参见表2，表2为本发明实施例及比较例提供的高锰钢的性能测试结果。比较例2铸造如表1所述成分的ZGMn 13铸件；将所述高锰钢铸件进行水韧处理后得到ZGMnl3。 按照上文所述方法对所述高锰钢进行性能测试，结果参见表2，表2为本发明实施例及比较例提供的高锰钢的性能测试结果。表1实施例及比较例中高锰钢成分(wt % )
权利要求
1. 一种高锰钢，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.根据权利要求1所述的高锰钢，其特征在于，包括0.25wt% 0. 35衬％的临。
3.根据权利要求1所述的高锰钢，其特征在于，包括0.0005wt% 0. Olwt%的RE。
4.根据权利要求1所述的高锰钢，其特征在于，包括0.0005 0. 015衬％的Ni。
5.根据权利要求1所述的高锰钢，其特征在于，包括0.0005wt% 0. 015衬％的Cu。
6.一种高锰钢的制备方法，包括以下步骤铸造工序铸造如权利要求1 5任意一项所述的高锰钢；热处理工序将所述高锰钢升温至IOOiTC 120(TC进行第一次保温处理和第一次冷却处理；将所述经过第一次冷却处理后的高锰钢升温至250°C 450°C进行第二次保温处理和第二次冷却处理。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一次保温处理的保温时间为 60min 120mino
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一次冷却处理为水淬处理。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第二次保温处理的保温时间为 25min 30mino
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第二次冷却处理为空冷处理。
全文摘要
本发明提供了一种高锰钢，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。本发明还提供了一种高锰钢的制备方法。本发明在高锰钢中加入Cr、Mo、B、Ti、RE、Ni、Cu等合金元素，不仅提高了高锰钢的耐磨性能，而且提高了高锰钢的强度、延伸率、抗冲击韧性等性能。
文档编号C22C38/58GK102286703SQ20111024810
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月26日 优先权日2011年8月26日
发明者孙伟, 宁玲艳, 张佳 申请人:三一重型装备有限公司