[发明专利]超高性能耐磨高锰钢及其生产方法

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，尤其涉及铸造行业耐磨件用钢及其生产方法。

背景技术

目前，人们所公知的耐磨高锰钢，大多是在现有普通高锰钢的基础上加入一些常用的合金元素来提高其耐磨性能，以提高高锰钢耐磨件的使用寿命。但其结果往往是：有些耐磨件的硬度提高了，可韧性却很低，易裂，无法保证其使用寿命；有些耐磨件韧性提高了，可硬度却很低，易磨损，也无法保证其使用寿命。总之，其综合机械性能变化不大，耐磨性能和使用寿命并不高。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种能克服现有耐磨高锰钢耐磨性能低下，提高其综合机械性能的超高性能耐磨高锰钢及其生产方法。

本发明超高性能耐磨高锰钢的化学成分为(按重量百分比计)C：1.00％～1.50％(优选为1.2％～1.25％)、Mn：10.5％～20.0％(优选为11％～14％)、Si：0.30％～0.80％(优选为0.40％～0.60％)、Cr：1.3％～2.8％(优选为1.5％～2.0％)、S≤0.040％、P≤0.070％、Ti：0.06％～0.20％(优选为0.08％～0.12％)、V：0.10％～0.40％(优选为0.15％～0.25％)、B：0.002％～0.010(优选为0.003％～0.006％，最佳0.005％)、Mg：0.06％～0.3％(优选为0.08％～0.15％)、RE：0.08％～0.4％(优选为0.1％～0.15％)、N：0.05％～0.2％(优选为0.08％～0.1％)，余量为铁。

本发明所述超高性能耐磨高锰钢的生产方法包括冶炼过程，其特点是：当钢水温度达到1500～1550℃，还原后5分钟加入氮和钙，出钢前10分钟插铝0.6～1kg/t加入钒和钛，加入量分别为2～5kg/t和4～10kg/t，出钢1/3时在罐中加入2～6kg/t稀土镁，出钢1/2时在罐中加入稀土硅1～4kg/t，出钢2/3时在罐中加入0.1～0.3kg/t硼，钢水的浇注温度控制在1430～1460℃。

本发明采用了新的合金化工艺过程，大大提高了普通高锰钢的耐磨性能和综合机械性能，而且生产工艺简单、操作方便，生产成本低，经济效益高，便于推广应用。

本发明钢种的成分和工艺设计理由：

碳：用来获得超高强度及硬度。高锰钢中碳决定耐磨性高低，当碳1.5％时，试样在冲击摩擦550小时以后，磨损0.3％；当碳1.0％时，试样在冲击摩擦550小时以后，磨损0.7％；当碳1.2％～1.3％时，试样在冲击摩擦550小时以后，磨损0.4％～0.5％；壁厚≥100时，韧性下降严重，易产生裂纹，每增加0.1％的碳，要降低ak值：40J/cm²，所以耐磨件的碳控制在1.2％～1.25％最佳，即综合机械性能最高(碳1.3％时铸态ak值近乎于0)。碳化物析出温度960℃，但水韧处理后碳1.3％，ak值≥120J/cm²。碳量增高扩大结晶间隔，使结晶组织粗大，使奥氏体中析出的碳化物也粗大且集中。碳高时应提高水韧处理温度或延长保温时间来充分均匀地固溶碳化物溶解碳化物。

锰：锰是稳定奥氏体的主要元素，也是增强淬透性元素，对F体有强化作用。高锰钢中锰含量11％增至14％时，钢的屈服强度并不受到影响，而能逐渐增强抗拉强度及延伸性。当锰增至15％时，已不在显著提高机械性能，反而会引起钢的收缩量增大，易产生缩孔和裂纹。(Mn/C)＞10可避免冷却时产生珠光体转变，保证奥氏体韧性。(Mn/C)＜10时可提高耐磨性。因此锰碳比＝10可提高得到较好的综合机械性能。防止开裂C％＝1.25～2.5(P)％降碳量。

硅：在低合金超高强度钢中显示出突出重要的做用，硅将回火温度提高后不仅得到共析ε-碳化物沉淀强化，而且由于应力消除，对韧性、抗H脆和应力腐蚀开裂、疲劳等性能非常有力。但硅对碳化物析出有促进做用，并有利于共析转变。硅＞0.8时将会使碳化物开始粗大，硅＞2.2碳化物急剧粗大并过量析出，固溶处理时晶粒粗大，导致韧性降低，硅0.5％最佳。

磷：磷的有害作用主要在于恶化高锰钢的力学性能、抗磨性能和铸造工艺性能。磷在奥氏体中溶解度很小，1005℃形成Fe+Fe₃P二元磷共晶；950℃形成Fe+Fe₃C+Fe₃P三元磷共晶。磷共晶使高锰钢性能(强度、朔性、韧性)下降。磷超过0.04％朔性抗拉强度急剧下降，越低越好。

硫：高温易脆，控制范围≤0.030，越低越好。