[发明专利]一种N微合金化高锰钢及其热处理方法和应用

说明书

本发明提出了一种N微合金化高锰钢及其热处理方法及应用，所述N微合金化高锰钢的化学成分及其质量百分比为：碳：1.2％～1.5％；锰：11％～15％；硅：0.2％～0.6％；铬：3％～5％；氮：0.02％～0.08％；磷≤0.03％；硫≤0.02％；其余为Fe和其它不可避免的杂质。所述N微合金化高锰钢的热处理方法为水韧处理，将铸态钢以100～150℃/h的速度升温至1000℃～1150℃奥氏体化温度，加热并保温1～3h，将试样从加热炉中取出，并全部浸入水中进行冷却；最终本发明得到的N微合金化高锰钢具有较高的初始屈服强度和抗拉强度，且塑性韧性良好。

技术领域

本发明属于钢铁材料制备技术领域，具体涉及一种N微合金化高锰钢及其热处理方法。

背景技术

高锰钢由于具有高的碳含量和锰含量，经过水韧处理之后可在室温获得完全奥氏体组织，使其具有良好的冲击韧性。且高锰钢层错能较低，具有良好的加工硬化能力，特别是在承受高应力冲击载荷时，可发生快速的加工硬化，具有独特的抗冲击性能和耐磨损性能，常作为耐磨材料应用于建筑、采矿、铁路等工业领域。

但高锰钢的初始硬度和屈服强度比较低，在低应力冲击载荷下加工硬化能力不能得到充分发挥，耐磨性能较差。学者们向高锰钢中加入Nb、V、Ti、W等元素对高锰钢进行合金化处理，从细化晶粒、形成高硬度耐磨相等方面来提高钢的强度和耐磨性。申请公布号为CN113941430A的专利公开了一种辙叉用铸造合金化高锰钢及其热处理方法，通过添加Mo、V、Ni、稀土等合金元素并采用水韧加时效处理的热处理工艺，使高锰钢的屈服强度达到420～450MPa。申请公布号为CN109487047A的专利公开了一种提高合金化高锰钢铸件性能的方法，采用Ti-V-Nb合金化并结合分段加热保温的热处理工艺，使高锰钢中析出纳米级和微米级的双尺度沉淀相，从而提升了高锰钢的屈服强度和表面硬度。但Nb、V、Ti等合金元素的价格昂贵，使合金化高锰钢的生产成本较高，且采用时效或分段加热保温的热处理工艺，其工艺步骤繁杂，在工业实际应用中会降低高锰钢工件的生产效率，增加生产成本，从而影响生产经济效益。

减少贵重合金元素的使用，而使其屈服强度和硬度保持在一个较高水平，是高锰钢领域的一个重要研究方向。N作为一种成本低廉、容易获得的元素，加入到钢中可以减少贵重金属的添加同时不会对环境造成负面影响。目前，在对奥氏体钢中加入氮元素的研究主要集中在奥氏体不锈钢上，比如Cr-Ni-N系不锈钢和Cr-Mn-N系不锈钢，对于向耐磨高锰钢中加入氮元素的相关研究报道还比较少。申请公布号为CN115261743A的专利中公开了一种含氮高锰奥氏体钢，但其成分体系与耐磨高锰钢不同，相对于传统高锰钢具有较低的碳含量和更高的锰含量，并加入Al、N合金元素，主要适用于超低温环境，而不作为耐磨材料使用。申请公布号为CN114393181A的专利公开了一种氮含量在0.10～0.18wt％的辙叉用超高强塑韧高锰钢，其Cr元素和Cu元素添加量较高，且在铸造过程后需经历自由锻与模锻过程，不适用于尺寸较大、形状复杂的耐磨工件。综上，为适应工业设备大型化、高效化的发展，亟需生产出综合性能良好的高锰钢材料，对于N微合金化耐磨高锰钢的研发和应用还需要进一步探索。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中高锰钢材料存在的问题，提供一种N微合金化高锰钢及其热处理方法和应用，克服传统高锰钢的不足，降低生产成本，提高高锰钢的初始屈服强度和硬度，从而提高其在冲击工况下的耐磨性能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种N微合金化高锰钢，其化学成分及其质量百分比为：碳(C)：1.2％～1.5％；锰(Mn)：11％～15％；硅(Si)：0.2％～0.6％；铬(Cr)：3％～5％；氮(N)：0.02％～0.08％；磷(P)≤0.03％；硫(S)≤0.02％；其余为Fe和其它不可避免的杂质。