本发明属于耐磨铸钢领域，具体涉及一种Cr-Al-Nb-V合金化的高耐磨高锰铸钢。
背景技术：
：耐磨高锰钢Mn13自发明已经有一百多年的历史，使用状态组织为奥氏体，在较大的冲击载荷或接触应力的使用状态下，表面迅速硬化，具有优异的耐冲击磨损性能。高锰奥氏体钢也因此难以变形和机加工，常以铸钢形式使用。随着实际工况对高锰奥氏体铸钢的耐磨性要求越来越高，各种改进型高锰钢的开发受到重视。如成功应用的改进型高锰钢ZG120Mn13Cr2、ZG120Mn17Cr2，由于加入了约2％(质量百分数)的Cr，提高了初始硬度和加工硬化能力，较Mn13高锰钢较大的提高了耐磨性；但过高的Cr含量显著降低冲击韧性。利用Mo代替Cr也可以提高耐磨性，但由于Mo元素昂贵，以Mo代Cr的高锰钢很少得到应用。此外，还有一些研究或专利CN105803322A、CN105779889A如添加Ti、W等强碳化物以形成大量的粗大硬质相如TiC、WC等以提高硬度，但同时也显著的降低了冲击韧性，反而不利于其冲击磨损性能的提高。本发明发现并利用了Cr-Al-Nb-V对高锰奥氏体的协同调控作用，开发了一种新型高耐磨高锰钢及其水韧处理工艺，显著提高高锰钢的耐冲击磨损性。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种Cr-Al-Nb-V合金化的高耐磨高锰铸钢。在化学成分上，通过Al合金化的思路，突破了以往的Cr含量限制，同时采用Nb-V复合微合金化，细化奥氏体晶粒尺寸，共同、显著提高了高锰钢的耐冲击磨损性。为了达到上述技术目标，本发明的技术方案具体如下：一种Cr-Al-Nb-V合金化的高耐磨高锰铸钢，化学成分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.％，余量为Fe和不可避免的杂质，均为重量百分数。优选地，化学成分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.％，余量为Fe和不可避免的杂质，均为重量百分数。优选地，化学成分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.％，余量为Fe和不可避免的杂质，均为重量百分数。优选地，Nb、V总量不高于0.30wt.％。优选地，Mn/C质量比控制不低于10。优选地，Al/Cr质量比不低于1:5。优选地，Nb/C质量比应控制为1:30～1:15，V/C质量比控制为1:12～1:8，V/Nb质量比控制为大于2。优选地，钢中Cr的碳化物尺寸在5微米以下，奥氏体晶粒在50～100微米。进一步地，提供一种上述Cr-Al-Nb-V合金化的高耐磨高锰铸钢的制备方法，其特征在于：按高锰钢成分和质量百分含量将原材料混合放入真空感应加热炉内，充分熔化后再保温8～10分钟制成高锰钢水，出炉后浇铸形成铸件，采用分段加热的热处理方式，首先将铸件以100-150℃/h的速度升温至750℃-850℃保温1～2小时，随后随炉加热继续将铸件升温至1000℃～1200℃保温1～4小时，最后出炉水冷到室温。本发明各元素的作用及配比依据如下：碳：较高的C含量是高锰钢耐磨性的重要保障，奥氏体中固溶的C可以保证高锰奥氏体的加工硬化能力，析出的C则增加高锰钢的硬度。本发明采用较高锰含量和Nb、V复合微合金的设计原则，奥氏体中固溶的C含量不低于1.10wt.％，总C含量随Nb、V总量同步增加。过高的C含量和Nb、V总量不利于冲击韧性的保证。因此，在Nb、V总量不高于0.30wt.％的前提下，本发明控制C含量为1.20～1.60wt.％。硅：钢中脱氧元素之一，具有固溶强化效果。本发明主要利用其脱氧作用，控制Si含量为0.25～0.75wt.％。锰：保障奥氏体稳定和加工硬化特性的关键合金元素，Mn/C质量比控制不低于10。本发明控制Mn含量为16.0～20.0wt.％。铬：Cr是耐腐蚀合金元素之一，也能显著提高高锰钢的硬度，但在常规高锰钢中加入容易在铸造冷却过程中形成粗大的Cr的碳化物，铸坯很脆，常导致开裂；并且这种粗大的碳化物很难通过水韧处理消除，从而显著降低冲击韧性。本发明控制Cr含量为3.00～5.00wt.％，突破了传统高锰钢的Cr含量限制。本发明通过Al合金化来减轻乃至消除其对冲击韧性的不利影响。铝：Al是耐腐蚀合金元素之一，也能抑制碳化物的形成，本发明发现高锰钢中Cr含量不低于3.00wt％，Al/Cr质量比不低于1:5时，Al对高锰奥氏体中Cr的碳化物的形成具有强烈的抑制作用。过低的Al含量，抑制碳化物形成的作用不显著；过高的Al含量降低密度较多，不利于耐磨钢的技术经济性。因此，本发明控制Al含量为1.00-2.00wt.％。铌：Nb在高锰钢的凝固过程中开始析出，在凝固后期和水韧处理中的固溶处理时与V协同析出，这些MC相不仅硬度高、可以增加硬度和耐磨性，还可以抑制奥氏体晶粒长大，提高冲击韧性。根据MC的固溶度积公式和细化晶粒的控制思路，Nb、C含量协同变化，Nb/C质量比应控制为1:30～1:15。因此，本发明控制Nb含量为0.04％～0.10％wt.。钒：一部分V与Nb协同析出，增加硬度和耐磨性，细化高锰奥氏体晶粒；另一部分V固溶，也提高高锰钢的硬度。根据MC的固溶度积公式和部分析出部分固溶的控制思路，V、Nb、C含量协同变化，V/C质量比控制为1:12～1:8，V、Nb总量不超过0.30wt.％，V/Nb质量比控制为大于2。因此，本发明控制V含量为0.10％～0.20wt.％。磷：钢中杂质元素，显著降低塑韧性，对于高锰钢而言，本发明控制其含量在0.030wt.％以内。硫：钢中杂质元素，显著降低塑韧性，对于高锰钢而言，本发明控制其含量在0.015wt.％以内。本发明的优点在于：本发明Cr-Al-Nb-V合金化的高耐磨高锰铸钢突破了传统高锰钢Cr含量的限制，采用Al合金化抑制粗大Cr碳化物的技术思路，使Cr的碳化物尺寸控制在5微米以下。同时采用Nb、V复合微合金化细化奥氏体晶粒，使奥氏体晶粒控制在50～100微米，不降低冲击韧性，但提高耐冲击磨损性能。铸坯经水韧处理后获得的耐冲击磨损性能比ZG120Mn17Cr2高30-50％以上。由于Cr、Al等耐腐蚀合金元素含量较高，在轻微腐蚀环境中，其耐冲击磨损磨蚀性能的优势更明显。具体实施方式下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明中很小的一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明实施例1#-3#钢的化学成分如表1所示。经真空感应炉冶炼后进行保护模铸，经1080℃保温3.5h的水韧处理后在MLD-10型动载磨料磨损试验机上进行冲击磨损实验。实验选用10kg冲头；冲击频率200次/min；冲击时间为0.5h、1h、1.5h；下试样为40Cr；转速200r/min；磨料为2～3mm石英砂；冲击功1.5J。将实例钢及ZG120Mn17Cr2钢制成10×10×30mm3的试样作为上料进行实验。实验前后分别将试样用丙酮溶液清洗后在精度为0.0001g的电子天平上称重，测得失重量。测得本发明所提供的实例钢耐1.5J冲击磨损性能分别比ZG120Mn17Cr2的高35％、38％和52％。表1化学成分编号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，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3