[发明专利]一种Cr‑Al‑Nb‑V合金化的高耐磨高锰铸钢

说明书

技术领域

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。

发明内容

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.％。