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CN111057946A - 一种(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰钢及其制作方法 - Google Patents

一种(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰钢及其制作方法 Download PDF

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CN111057946A
CN111057946A CN201911160876.1A CN201911160876A CN111057946A CN 111057946 A CN111057946 A CN 111057946A CN 201911160876 A CN201911160876 A CN 201911160876A CN 111057946 A CN111057946 A CN 111057946A
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steel
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medium manganese
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composite reinforced
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孟征兵
刘炜
殷鑫
邓耀德
唐祖田
吕霞
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Guilin University of Technology
Original Assignee
Guilin University of Technology
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Abstract

本发明涉及一种(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢及其制备方法，属于耐磨钢铁材料领域。该复合强化中锰耐磨钢按重量百分由以下化学成分组成:C:0.5‑1.6％、Si:0.1‑1.0％、Mn:6.0‑9.0％、Cr:3.5‑9.5％、Ti:0.01‑1.50％、B:0.001‑0.005％、Al:0.04‑0.10％、S:≤0.015％、P:≤0.015％，余量为铁和不可避免的杂质元素。制造方法是:冶炼‑模铸‑均匀化退火‑淬火‑回火。最终得到的组织为奥氏体、(Cr,Fe)7C3和TiC复合组织。(Cr,Fe)7C3和TiC颗粒的体积分数之和为10‑25％，平均尺寸为0.3‑7um。复合强化中锰耐磨钢硬度范围为49‑59HRC，冲击韧性Aku2≥33J/cm2，中、低应力冲击工况下耐磨性是普通中锰钢(Mn6)的3‑4倍。

Description

一种(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰钢及其制作方法
技术领域
本发明属于耐磨钢技术领域，特别涉及一种(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢及其制备方法。
背景技术
为了解决高锰钢在中、低应力冲击工况条件下耐磨性能不足的问题，上世纪 70年代研究开发了中锰耐磨钢。
中锰钢的基体组织为回火马氏体+残余奥氏体，其耐磨性能与加工硬化效果直接相关，即中锰钢在中、低应力冲击工况下的加工硬化效果越好其硬度越高，耐磨性能越好。
中锰耐磨钢主要用于矿石开采、钢铁冶金、农业生产和机械制造等相关领域，长期在中、低应力冲击工况下工作，对材料的硬度、冲击韧性、耐磨性等综合性能要求较高，尤其在应力环境中运行的中锰耐磨钢还会受到切削磨损的破坏，中锰耐磨钢表面的基体材料从母体剥落，造成表面疏松、多孔，并且物料的冲击会进一步加速切削磨损速度。
对广泛使用的中锰钢(Mn含量为5-11％)进行了改性和增强研究，主要倾向马氏体+残余奥氏体双相中锰耐磨钢，其热处理工艺为淬火+高温回火。近年来研究微合金元素增强中锰钢的耐磨性能，如专利ZL201711174760.4提供了一种球磨机用中锰钢衬板材料及其制备方法，其化学成分为:C:0.2-0.6％、 Mn:5.0-8.0％、Si:0.1-0.3％、P:≤0.015％、S:≤0.015％、Nb:0.01-0.05％、Cr:0.3-0.8％，其余为Fe及不开避免的杂质。该中锰耐磨钢硬度达55HRC，V型试样的冲击功为30J。但在中、低应力冲击工况下耐磨性能方面表现的不尽人意。近年来研究优化铸造工艺提高中锰钢的耐磨性能，如专利ZL201611241619.7提供了一种消失模铸造中锰钢耐磨板的制备方法，其化学成分为:C:1.0-1.1％、Mn:9.0-10.0％、Si:0.5-0.6％、P:≤0.03％、S:≤0.03％、Mo:0.5-0.9％、Cr:3.0-4.0％，其余为Fe及不开避免的杂质。该消失模铸造中锰钢除了冲击韧性好之外，在高应力冲击工况下具有一定的耐磨性，但中、低应力冲击工况下，耐磨性能表现的较差，不能满足工况要求。
且中锰钢中添加的Mo、Nb等贵重合金元素极大的提高了中锰钢的生产成本。
基于此，期望获得一种耐磨中锰钢，该中锰钢使用Ti替代Mo、Nb等贵重元素，以较低的生产成本，在中锰钢中引入第二相耐磨相，提高中锰钢在中、低应力冲击工况下的加工硬化能力，实现既可以大幅度提高耐磨性能的同时又可以保障良好的使用性能。
发明内容
本发明的目的之一在于以较低的生产成本提供一种中、低应力冲击工况下高耐磨性能的中锰钢，该中锰耐磨钢硬度高、韧性佳、耐磨性能优异，具有广泛的应用范围。
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供了一种(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰钢及其制造方法。中低冲击条件下耐磨性能达到传统中锰钢(Mn6)的 3-4倍，并且使用性能满足相关设备的使用需求。
(二)技术方案为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢，其特征在于，化学组成按重量百分数含量:C:0.5-1.6％、Si:0.1-1.0％、Mn:6.0-9.0％、Cr:3.5-9.5％、Ti:0.01-1.50％、 B:0.001-0.005％、Al:0.04-0.10％、S:≤0.015％、P:≤0.015％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
本案中所述的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的各化学元素的设计原理如下所述:
C：C元素可固溶于铁中起固溶强化作用，同时可与铁及其它碳化物形成元素生成各种碳化物。在中、低应力冲击工况下，提高C的含量有利于提高钢材的耐磨性能；当C含量过高时，钢材的韧性难以满足要求，而碳含量偏低，钢材具有较好的韧性，但耐磨性不足。因此，在本发明所述的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的C的质量百分比在0.5-1.6％。
Si：首先在冶炼过程中，起到脱氧作用，可以在一定程度上提高Ti元素回收率；其次Si作为合金元素，当钢中Si含量在1.3％以下时，随Si元素含量的提高，可以提高钢材的强度、韧性以及塑性，一旦超过1.3％，增加Si含量则会急剧降低塑性韧性。因此，在本发明所述的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的Si的质量百分比在0.1-1.0％。
Mn：Mn是组成中锰钢的必要元素之一。锰元素在中锰钢中具有非常重要的地位，它不仅仅可以扩大中锰钢的γ相区，稳定中锰钢奥氏体组织；同时，锰元素还可以使中锰钢基体上的奥氏体组织层错能增加，在应力环境下促使奥氏体中产生机械孪晶，诱发塑性变形，从而提高中锰钢的耐磨性能。因此，在本发明所述的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的Mn的质量百分比在6.0-9.0％。
Cr：Cr可以提高钢的淬透性，并提高钢的强度和硬度。此外Cr与Fe形成连续固溶体，并且能够和钢中的碳元素形成多种碳化物(M3C、M7C3)。其中M7C3碳化物呈现孤立杆状结构，能够在提高基体硬度的同时保证较好的韧性。高硬度的M7C3型碳化物在磨损时起抗磨损骨架的作用，钢基体主要起支撑M7C3型碳化物的作用，因此提高Cr元素含量有利于促进耐磨性能的提高。因此，在本发明所述的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的Cr的质量百分比在3.5-9.5％。
Ti：Ti元素在中锰钢中能够细化基体组织晶粒，从而达到提高中锰钢的力学性能和耐磨性能的目的。而若Ti元素过量，会显著降低钢材的韧性。并且Ti与 C的亲合力极强，在凝固过程中形成高度弥散分布的、硬度极高的TiC颗粒。由于Ti与C的亲合力远大于Cr，故在凝固过程中初生M7C3的形成受到抑制，可有效阻止M7C3在晶界形核并长大成网状结构，形成的M7C3是不连续杆状或颗粒状。因此，在本发明所述的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的Ti的质量百分比在0.01-1.50％。
B：B在钢中的主要作用是增加钢的淬透性和提高钢的高温强度。因此，在本发明所述的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的B的质量百分比在 0.001-0.005％。
Al：Al作为强脱氧剂与合金化元素加入钢中后，一方面能够更好的保护Ti 元素不被提前氧化，另一方面Al和钢中N能形成细小难溶的AlN颗粒，细化钢的晶粒，同时能够减少TiN颗粒的产生，从而显著的提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾向和时效倾向性。因此，在本发明所述的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的Al的质量百分比在0.04-0.10％。
需要说明的是，在本发明所述的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢中的杂质，会降低钢板的质量以及其使用寿命，然而，对杂质的控制过严将大幅增加生产成本。综合上述考虑，在本发明所述的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢中的杂质例如N、H以及O控制在:H≤5.0ppm、O≤0.0035％、N≤0.006％。
其中C、Ti、Cr的重量百分含量满足0.90≤C/Ti、5≤Cr/C；复合强化中锰耐磨钢微观组织由奥氏体、微米级(Cr,Fe)7C3和TiC颗粒构成。
其中微米级(Cr,Fe)7C3和TiC颗粒的体积分数总和可达10-25％，平均尺寸为 0.3-7um。
本发明还提供了上述(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
在中频感应炉内熔炼本发明材料，具体制造工艺步骤是:
步骤1：使用中频感应炉将低碳废钢与生铁加热至1550-1680℃；再将中碳铬铁、锰铁、硼铁、硅铁加入感应炉中融化并进行搅拌20分钟；然后加入Al 粉搅拌脱氧后，再加入钛铁搅拌，等钛铁熔化后，在钢水表面加入碱性造渣材料防止钢水二次氧化，钢水中元素的质量分数控制在:C:0.5-1.6％、Si:0.1-1.0％、 Mn:6.0-9.0％、Cr:3.5-9.5％、Ti:0.01-1.50％、B:0.001-0.005％、Al:0.04-0.10％、S: ≤0.015％、P:≤0.015％，余量为铁和不可避免的杂质元素；最后将温度降到 1500-1550℃保温15分钟，然后镇静10分钟后浇铸成形，空冷铸件1-3h后，切除冒口。
步骤2：将步骤1得到的铸造钢锭加热至1100-1150℃保温1h进行固溶处理，最后空冷至室温；
步骤3：将步骤2得到的钢锭加热至400-600℃保温30分钟，再加热至 960-1080℃保温30分钟，然后使用15％NaCl水溶液将钢锭冷却至室温；
步骤4：将步骤3得到的钢锭加热至200-400℃保温2h，空气冷至室温，即可得到(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢。
本发明的有益效果为:
1)本发明的一种(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢通过使用价格较低的 Ti替代V、Mo等贵重合金元素。可生成高硬度的碳化物(Cr,Fe)7C3显微硬度为 1300-1800HV，而TiC显微硬度可达3400HV)颗粒增强相，可明显提高材料的硬度和耐磨性，并且降低了生产成本。本发明的一种(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢可达到如下力学性能:硬度范围为49-59HRC，冲击韧性Aku2≥ 33J/cm2。
2)本发明一种(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢应用于低、中冲击工况磨损领域，加工硬化效果强于普通中锰钢(Mn6)，耐磨性是普通中锰钢的3-4倍，而且克服了奥氏体稳定性较差，出现耐磨性相对不足、工件延迟开裂等问题，改善了铸件的综合性能，便于规模化生产。
附图说明
图1为实施例1中(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢扫描电镜图；
图2为实施例1中(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢金相图；
图3为实施例1中(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的EDS图；
具体实施方式
实施例1：
本实施例的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的化学成分的重量百分比组成:C:1.0％、Si:0.4％、Mn:6.5％、Cr:6.0％、Ti:0.05％、B:0.004％、Al:0.04％、 S:≤0.005％、P:≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本实施例的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的制造，包括下列步骤:
步骤1：使用中频感应炉将低碳废钢与生铁加热至1550-1680℃并在此温度下保持5分钟；再将中碳铬铁、锰铁、硼铁、硅铁加入感应炉中融化并进行搅拌 10分钟；然后加入Al粉搅拌脱氧后，再加入钛铁搅拌，等钛铁熔化后，在钢水表面加入碱性造渣材料防止钢水二次氧化，钢水中元素的质量分数按实施例1 控制；最后将温度降到1500-1550℃的温度保温5分钟，然后镇静2分钟后浇铸成形，空冷铸件1-3h后，切除冒口。
步骤2：将步骤1得到的铸造钢锭加热至1100-1150℃保温1h进行固溶处理，最后空冷至室温；
步骤3：将步骤2得到的钢锭加热至400-600℃保温30分钟，再加热至960℃保温30分钟，然后使用15％NaCl水溶液将钢锭冷却至室温；
步骤4：将步骤3得到的钢锭加热至200-400℃保温2h，空气冷至室温，即可得到(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢。
为了说明问题，在中、低应力冲击工况下(实验室温度20-30℃)做了力学性能测试与对比磨损试验，采用MLD-10型动载冲击磨料磨损试验机，本试验动载载荷为10Kg，磨料为60-80目石英砂，石英砂流速为6Kg/h，冲击功3J，按国标GB/T12444-2006进行磨粒磨损试验。
经测试，本实施例制备的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的力学性能和耐磨性能为:硬度为50HRC,“V”型试样的冲击韧性aKu2≥30J/cm2，在低、中应力冲击工况下其耐磨性是普通中锰钢(Mn6)的3.1倍。
实施例2
本实施例的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的化学成分的重量百分比组成:C:1.0％、Si:0.4％、Mn:6.5％、Cr:6.0％、Ti:1.0％、B:0.004％、Al:0.04％、S: ≤0.005％、P:≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本实施例的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的制造，包括下列步骤:
步骤1：使用中频感应炉将低碳废钢与生铁加热至1550-1680℃并在此温度下保持5分钟；再将中碳铬铁、锰铁、硼铁、硅铁加入感应炉中融化并进行搅拌 10分钟；然后加入Al粉搅拌脱氧，再加入钛铁搅拌，等钛铁熔化后，在钢水表面加入碱性造渣材料防止钢水二次氧化，钢水中元素的质量分数按实施例2控制；最后将温度降到1500-1550℃的温度保温5分钟，然后镇静2分钟后浇铸成形，空冷铸件1-3h后，切除冒口。
步骤2：将步骤1得到的铸造钢锭加热至1100-1150℃保温1h进行固溶处理，最后空冷至室温；
步骤3：将步骤2得到的钢锭加热至400-600℃保温30分钟，再加热至1050℃保温30分钟，然后使用15％NaCl水溶液将钢锭冷却至室温；
步骤4：将步骤3得到的钢锭加热至200-400℃保温2h，空气冷至室温，即可得到(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢。
测试方法按照实施例1，经测试，本实施例制备的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的力学性能和耐磨性能为:硬度为53HRC,“V”型试样的冲击韧性 aKu2≥35J/cm2，在低、中应力冲击工况下其耐磨性是普通中锰钢(Mn6)的3.2 倍。
实施例3：
本实施例的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的化学成分的重量百分比组成:C:1.0％、Si:0.4％、Mn:6.5％、Cr:6.0％、Ti:1.25％、B:0.004％、Al:0.04％、 S:≤0.005％、P:≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本实施例的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的制造，包括下列步骤:
步骤1：使用中频感应炉将低碳废钢与生铁加热至1550-1680℃并在此温度下保持5分钟；再将中碳铬铁、锰铁、硼铁、硅铁加入感应炉中融化10分钟后加入Al粉搅拌脱氧合金化，再加入钛铁搅拌，等钛铁熔化后，在钢水表面加入碱性造渣材料防止钢水二次氧化，钢水中元素的质量分数按实施例1控制；最后将温度降到1500-1550℃的温度保温10分钟，然后镇静5分钟后浇铸成形，空冷铸件至温度低于100℃后，切除冒口。
步骤2：将步骤1得到的铸造钢锭加热至1100-1150℃保温1-2h进行固溶处理，最后空冷至室温；
步骤3：将步骤2得到的钢锭加热至400-600℃保温30-60分钟，再加热至 1020℃保温30-60分钟，然后使用15％NaCl水溶液将钢锭冷却至室温；
步骤4：将步骤3得到的钢锭加热至200-400℃保温1.5-2.5h，空气冷至室温，即可得到(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢。
测试方法按照实施例1，经测试，本实施例制备的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的力学性能和耐磨性能为:硬度为55HRC,“V”型试样的冲击韧性 Aku2≥37J/cm2，在低、中应力冲击工况下其耐磨性是普通中锰钢(Mn6)的3-4 倍。
实施例4：
本实施例的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的化学成分的重量百分比组成:C:1.0％、Si:0.4％、Mn:6.5％、Cr:6.0％、Ti:0.75％、B:0.004％、Al:0.04％、 S:≤0.005％、P:≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本实施例的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的制造，包括下列步骤:
步骤1：使用中频感应炉将低碳废钢与生铁加热至1600℃并在此温度下保持 5分钟；再将中碳铬铁、锰铁、硼铁、硅铁加入感应炉中融化10分钟后加入Al 粉搅拌脱氧合金后，再加入钛铁搅拌，等钛铁熔化后，在钢水表面加入碱性造渣材料防止钢水二次氧化，钢水中元素的质量分数按实施例1控制；最后将温度降到1520℃的温度保温10分钟，然后镇静5分钟后浇铸成形，空冷铸件3h后，切除冒口。
步骤2：将步骤1得到的铸造钢锭加热至1100-1150℃保温1.5h进行固溶处理，最后空冷至室温；
步骤3：将步骤2得到的钢锭加热至400-600℃保温40分钟，再加热至1050℃保温40分钟，然后使用15％NaCl水溶液将钢锭冷却至室温；
步骤4：将步骤3得到的钢锭加热至200-400℃保温2h，空气冷至室温，即可得到(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢。
测试方法按照实施例1，经测试，本实施例制备的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的力学性能和耐磨性能为:硬度为59HRC,“V”型试样的冲击韧性 Aku2≥39J/cm2；通过冲击磨料磨损试验机测试表明：在低、中应力冲击工况下其耐磨性是普通中锰钢(Mn6)的3.9倍。
将实施例4制备的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢应用于鄂式破碎机的中锰钢衬板，对比磨损性能发现，在低、中应力冲击工况下耐磨性能是Mn6 的3.9倍，是专利ZL201711174760.4中的中锰钢衬板的3.5倍。
上述实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (4)

1.一种(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢，其特征在于，化学组成按重量百分含量为:C:0.5-1.6％、Si:0.1-1.0％、Mn:6.0-9.0％、Cr:3.5-9.5％、Ti:0.01-1.50％、B:0.001-0.005％、Al:0.04-0.10％、S:≤0.015％、P:≤0.015％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
2.权利要求1所述的(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢的制备方法，所述制备方法依次包括:冶炼-模铸-均匀化退火-淬火-回火；其中:
步骤1：使用中频感应炉将低碳废钢与生铁加热至1550-1680℃；再将中碳铬铁、锰铁、硼铁、硅铁加入感应炉中融化10分钟后加入金属Al粉进行脱氧合金化，再加入钛铁，等钛铁熔化后，在钢水表面加入碱性造渣材料防止钢水二次氧化，最后将温度降到1500-1550℃保温10分钟，然后镇静5分钟后浇铸成形，空冷铸件至温度低于100℃后，切除冒口；
步骤2：将步骤1得到的铸造钢锭进行均匀化退火，加热至1100-1150℃根据铸件厚度保温1-2h，最后空冷至室温；
步骤3：将步骤2得到的钢锭加热至400-600℃保温30-60分钟，再加热至960-1080℃保温30-60分钟，然后使用15％NaCl水溶液将钢锭冷却至室温；
步骤4：将步骤3得到的钢锭加热至200-400℃保温1.5-2.5h，空气冷至室温。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，热处理后得到奥氏体、微米级(Cr,Fe)7C3和TiC复合组织，微米级(Cr,Fe)7C3和TiC颗粒的体积分数总和为10-25％，平均尺寸为0.3-7um。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，(Cr,Fe)7C3和TiC复合强化中锰耐磨钢可达到如下力学性能:硬度范围为49-59HRC，冲击韧性Aku2≥33J/cm2，中、低应力冲击条件下耐磨性是普通中锰钢(Mn6)的3-4倍。
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