一种时效硬化型轻质高锰钢及其制备方法与流程

本发明属于钢铁材料生产，特别涉及一种轻质高锰钢及其制备方法。

背景技术：

1、在冶金矿山技术领域，耐磨件一直是非常重要且耗损率较高的零部件，主要应用于球磨机衬板、圆锥破碎机衬板及铲车铲齿等领域。工作环境复杂且工作量巨大，其性能和使用寿命直接影响矿山设备的工作效率和生产成本。目前我国耐磨件衬板广泛采用传统高锰钢，但是屈服强度和初始硬度较低，若无法充分发挥加工硬化作用，传统高锰钢的耐磨性难以满足矿山设备的使用需求。近些年来，出现一些超高锰钢衬板，如公开号cn102433508a的专利，提供了一种超高锰钢衬板及其制备方法，虽然其耐磨性比普通高锰钢提高30％，但在大型矿山设备上使用，由于其衬板的重量较大，故而增加能耗，导致其增加的耐磨性综合效果不那么明显；又如专利号cn1080327公开了低合金耐磨衬板及制造工艺，该发明由于添加价格昂贵的钼和铜，因此生产成本较高。

2、因此，有必要对耐磨件用高锰钢做进一步开发。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对于现有耐磨件用高锰钢存在的技术问题，提供了一种时效硬化型轻质高锰钢及其制备方法。本发明通过合理的成分设计和热处理工艺设计提供一种耐磨性较好、生产成本低、使用寿命长的轻质高锰钢及其制备方法。

2、本发明的技术方案之一为，一种时效硬化型轻质高锰钢，其化学成分质量百分比为1.3％～1.4％c、0.3％～0.6％si、28.0％～32.0％mn、8.5％～9.0％al、p<0.015％和s<0.015％，余量为fe及不可避免杂质。

3、本发明时效硬化型轻质高锰钢的化学成分的作用为：

4、c：碳是决定高锰钢力学性能和耐磨性的主要元素，作用是产生固溶强化并且促进奥氏体的形成。高锰钢的碳含量一般在0.9～1.5w.t.％，当含量过高(超过1.5w.t.％)时，高锰钢容易出现脆化；碳含量过低时，会导致耐磨性不足。本发明将碳含量设计为1.3％～1.4％是为了增加轻质超高锰钢的耐磨性以及在时效过程中控制析出的碳化物体积分数。

5、al：在钢液中控制铝元素的添加对于冶金过程十分困难，容易造成铸锭内部形成气孔，使材料不够致密。并且铝是缩小奥氏体区元素，为了在室温得到奥氏体组织，则必须控制好铝的含量。铝的加入能够显著降低材料密度以及为碳化物析出提供化学驱动力，因此，本发明将铝含量设计为8.5％～9.0％。

6、si：在常规含量范围内，硅的加入主要是辅助脱氧。当硅固溶于奥氏体中，影响碳在奥氏体中的溶解度，促进碳化物析出，一定程度上可以提高屈服强度。但是当硅含量较高时，导致碳化物沿晶界析出，使高锰钢产生大量的粗晶，降低冲击韧性和耐磨性，因此，本发明将硅含量设计为0.3％～0.6％。

7、mn：锰作为主要合金元素，扩大奥氏体相区，稳定奥氏体组织。大断面和结构复杂的铸件含锰量应高些，用于强烈冲击的铸件，则采用低碳和高锰，为此不降低冲击韧性的情况下提高耐磨性是轻质高锰钢发展的一个重要方向。因此，本发明将锰含量设计为28.0％～32.0％。

8、p和s：磷和硫作为有害元素，产生mns以及p的共晶，分布在晶界上，降低冲击韧性。随着p量的增加，铸件的使用寿命降低，在高锰钢中很容易出现c、mn的偏析，会加剧磷的有害作用，必须严格控制其含量。因此，本发明将磷和硫含量设计在0.015％以下。

9、进一步的，上述时效硬化型轻质高锰钢密度为6.61～6.64g/cm3。

10、本发明的技术方案之二为，上述时效硬化型轻质高锰钢的制备方法，步骤如下：

11、(1)对高锰钢进行冶炼：

12、按照上述的高锰钢质量配比配料，先将纯铁以及碳、硅和锰元素熔化，待温度升至1570～1585℃时加入铝元素；冶炼时间为1～1.5h，在1530℃～1560℃出钢；再在1400℃～1450℃的温度范围内浇注入模具型腔中，当铸件表面温度不超过400℃时，将铸件进行分离；

13、(2)时效处理：

14、将铸件以70～100℃/h的加热速度升温到1030～1060℃，保温1.5-3h，之后水冷至室温；之后以50～70℃/h的加热速度升温到540～560℃，保温1-3h，之后空冷至室温。

15、进一步的，上述时效硬化型轻质高锰钢的制备方法，制得的轻质高锰钢抗拉强度为818.7～1088.5mpa，屈服强度为743.2～1030.9mpa。

16、进一步的，上述时效硬化型轻质高锰钢的制备方法，制得的轻质高锰钢断后伸长率为8.4～33.3％，冲击韧性(v型缺口)为33～96j/cm2，硬度为240～293hb。

17、进一步的，上述时效硬化型轻质高锰钢的制备方法，制得的轻质高锰钢在低冲击载荷(0.5j)下，磨损百分比为0.56～0.65％；在高冲击载荷(4j)下，磨损百分比为0.41～0.52％。

18、本发明与现有技术相比具有如下优点：

19、1.本发明优化了合金设计，具有较低的密度，该高锰钢密度在6.63g/cm3左右，比传统高锰钢密度降低15％～20％。除此之外，本发明的钢种还具有优异的硬度、强度和耐磨性。

20、2.本发明的铸件中不含有铜和钼等贵重金属，与中低合金耐磨铸件相比，本发明铸件成本明显降低，其性价比较高。

技术特征：

1.一种时效硬化型轻质高锰钢，其特征在于，其化学成分质量百分比为1.3％～1.4％c、0.3％～0.6％si、28.0％～32.0％mn、8.5％～9.0％al、p<0.015％和s<0.015％，余量为fe及不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的时效硬化型轻质高锰钢，其特征在于，高锰钢密度为6.61～6.64g/cm3。

3.权利要求1所述的时效硬化型轻质高锰钢的制备方法，其特征在于，步骤如下：

4.根据权利要求3所述的时效硬化型轻质高锰钢的制备方法，其特征在于，制得的轻质高锰钢抗拉强度为818.7～1088.5mpa，屈服强度为743.2～1030.9mpa。

5.根据权利要求3所述的时效硬化型轻质高锰钢的制备方法，其特征在于，制得的轻质高锰钢断后伸长率为8.4～33.3％，冲击韧性为33～96j/cm2，硬度为240～293hb。

6.根据权利要求3所述的时效硬化型轻质高锰钢的制备方法，其特征在于，制得的轻质高锰钢在低冲击载荷下，磨损百分比为0.56～0.65％；在高冲击载荷下，磨损百分比为0.41～0.52％。

技术总结
本发明的目的是针对于现有耐磨件用高锰钢存在的技术问题，提供了一种时效硬化型轻质高锰钢及其制备方法。本发明高锰钢其化学成分质量百分比为1.3％～1.4％C、0.3％～0.6％Si、28.0％～32.0％Mn、8.5％～9.0％Al、P<0.015％和S<0.015％，余量为Fe及不可避免杂质。本发明通过合理的成分设计和热处理工艺设计提供一种耐磨性较好、生产成本低、使用寿命长的轻质高锰钢及其制备方法。

技术研发人员：张科明,王永金,杨光,齐海龙,母镕
受保护的技术使用者：鞍钢集团矿业有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12