一种提高含V合金化高锰钢铸件耐磨性能的方法技术

本发明专利技术公开一种提高含V合金化高锰钢铸件耐磨性能的方法，属于高锰钢铸件热处理工艺技术领域。本发明专利技术所述方法将合金化高锰钢铸件加热至1150

【技术实现步骤摘要】
一种提高含V合金化高锰钢铸件耐磨性能的方法


[0001]本专利技术涉及一种提高含V合金化高锰钢铸件耐磨性能的方法，属于高锰钢铸件热处理工艺领域。

技术介绍

[0002]高锰钢拥有良好的加工硬化能力，在承受剧烈冲击时易形成表面硬化，芯部仍具极强韧性的特点，因此常用于矿山机械，如球磨机、破碎机衬板等。实践中发现高锰钢的抗冲击磨损能力只有在高应力载荷条件下才能凸显，并且因初始屈服强度较低，使用初期往往变形较严重，提前失效。随着现代技术发展，为满足高效、安全的生产工况，很多学者在高锰钢的合金化、热处理工艺、变质处理、预硬化处理等方面做了大量的研究工作，旨在进一步提升高锰钢的初始屈服强度及耐磨性，改善低应力载荷下加工硬化不足及高应力载荷下使用初期变形严重等问题。
[0003]合金化是一种提高高锰钢综合力学性能及耐磨性能的常用手段。近年来，Ti、V、Nb作为强碳、氮化物形成元素而被广泛运用于钢铁材料第二相强化研究中。微量添加Ti、V、Nb配合恰当的热处理工艺能使高锰钢在保持奥氏体基体的同时获得纳米至微米级的多尺度析出相。V的固溶度积相当大，时效过程中能以纳米至亚微米级碳氮化物大量析出，理论上能大大增加第二相强化增量。但实际热处理过程中，由于存在Ti、Nb在高温时的先析出相，V往往容易偏聚在尺寸较大的先析出相的边缘以异质形核的方式成为大尺寸复杂析出相的一部分，导致周围含V纳米至亚微米级析出相体积分数的减少。另一方面，V是一种非常昂贵的合金元素，价格约为Fe的一千倍，Ti的25倍，Nb的4倍。虽然在Ti
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V
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Nb合金化高锰钢中，V的质量分数占比通常只有0.3%左右，但却占原料成本的50%以上。

技术实现思路

[0004]为解决以上所提到的问题，本专利技术提供一种提高含V合金化高锰钢铸件耐磨性能的方法，利用预时效
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回溶
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再时效的热处理工艺，达到减轻V在时效过程中易偏聚并依附于先析出相形核，成为微米级复杂析出相的一部分而大量消耗的情况；添加N元素使其在再时效过程中更多的以纳米至亚微米级含V碳氮化物析出，增加第二相的体积分数从而提高合金化高锰钢铸件的综合力学性能及耐磨性能，具体包括以下步骤：（1）水韧处理：将高锰钢铸件加热至1150
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50℃，保温2h后水淬。
[0005]（2）预时效处理：将步骤（1）处理后的高锰钢铸件加热至450
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50℃并保温1h，随后空冷至室温。
[0006]（3）回溶处理：将炉温预热到700~850℃后，将步骤（2）处理后的高锰钢铸件放入炉内保温并保温15min，随后水淬。
[0007]（4）再时效处理：将步骤（3）处理后的高锰钢铸件加热至450
±
50℃并保温1h，随后空冷至室温。
[0008]所述合金化高锰钢的成分质量百分比为：C:0.9%~1.1%、N:0.08%~0.10%、Mn:16.5%
~18.5%、Cr:1.8%~2.0%、Si:0.7~0.9%、Ti:0.08%~0.10%、V:0.40%~0.55%、Nb:0.15%~0.25%、Cu:0.45%~0.55%、Ni:0.2%~0.3%、Mo:0.45%~0.60%、P<0.02%、S<0.02%，其余为Fe。
[0009]本专利技术所述高锰钢铸件通过常规方法制备得到，优选的，所述高锰钢铸件的制备方法为：按合金成分质量百分比准备原料，先将纯铁与石墨电极加入坩埚中加热至1450℃以上，依次加入铬铁、硅铁和锰铁，继续升温至熔化，然后加入剩余的合金材料进行熔炼，接着将电炉中的钢水经出钢口倒入钢包内，加盖，底吹氮气使钢液搅拌均匀，最后进行浇铸。
[0010]优选的，本专利技术所述铸造合金化高锰钢进行水韧处理时的升温速率不超过75℃/h，淬火水温不得超过40℃，淬火时间大于30min。
[0011]优选的，本专利技术所述预时效处理及再时效处理时：升温速率为145~155℃/h。
[0012]优选的，本专利技术步骤（3）所述回溶处理后，淬火水温不得超过40℃，淬火时间大于30min。
[0013]本专利技术所述方法获得的合金化高锰钢铸件基体为奥氏体组织，析出大量纳米至微米级碳氮化物；微米级析出相对比传统水韧加时效处理V在外层的聚集形核情况大大改善，并在周围形成了更多弥散分布的亚微米级碳氮化钒。
[0014]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：由于微米级TiN颗粒易于直接从液相中析出，固溶处理往往对此类析出相效果不佳；后续时效处理时，此类先析出微米级第二相相界面往往与基体成非共格关系，能量较高，合金元素易偏聚，为非均匀形核提供了形核条件因此，大量的Nb、V元素以先析出微米级第二相为核心，包裹形核及长大，整体成为大尺寸多元析出相。此类大尺寸多元析出相的增加，使得材料均匀性变差，实际工况下易导致显微裂纹形核，降低了材料的塑韧性。另一方面，Nb、V以此种方式的消耗，减少其以纳米至亚微米尺度的析出量，降低了成分设计预期的第二相强化增量，不利于材料屈服强度的提升。
[0015]本专利技术方法的进一步改进在于通过水韧处理加预时效处理使得基体中非平衡析出大量弥散的纳米至亚微米级碳氮化物；随后的回溶处理使得微米级析出相边缘的富V碳氮化物部分溶解并且V以较快速度扩散，分布更加均匀，水淬使扩散后固溶的V来不及形核析出；最终的再时效处理由于温度较低，V元素在基体中的固溶度非常低，导致其以纳米至亚微米级的尺寸析出，这样便保证了V元素充分的以纳米至亚微米级的碳氮化物析出，一方面周围大量的亚微米级析出相能给与微米级析出相更好的支撑作用，增加其抵抗磨粒嵌入的能力。另一方面第二相体积分数的上升，加大了第二相强化增量。综合以上两方面，本专利技术方法能有效提高合金化高锰钢的综合力学性能及耐磨性能。本专利技术提供的含V合金化高锰钢铸件，亚微米级析出相体积分数增加，分布更加均匀；在低、中、高冲击载荷下，其耐磨性能均优于传统单级时效的铸件。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的热处理工艺流程示意图。
[0017]图2为实施案例4与对照例的金相组织对比图，(a)预时效
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再时效处理(b)传统单级时效处理。
[0018]图3 为实施案例4与对照例的SEM图及EDS面扫图对比，(a)预时效
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再时效处理后微米级析出相SEM形貌图，(b)a区V元素面扫图，(c)传统单级时效处理后微米级析出相
SEM形貌图(d)，c区V元素面扫图。
[0019]图4为实施案例4的TEM形貌图及选区衍射花样图。
[0020]图5为工程应力应变曲线。
实施方式
[0021]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。
[0022]（1）高锰钢成分质量百分比为：C:0.92%、N:0.09%、Mn:18.60%、Cr本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高含V合金化高锰钢铸件耐磨性能的方法，其特征在于：合金成分的设计及热处理工艺的改进，热处理工艺具体包括以下步骤：（1）水韧处理：将高锰钢铸件加热至1150
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50℃，保温2h后水淬；（2）预时效处理：将步骤（1）处理后的高锰钢铸件加热至450
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50℃并保温1h，随后空冷至室温；（3）回溶处理：将炉温预热到700~850℃后，将步骤（2）处理后的高锰钢铸件放入炉内保温并保温15min，随后水淬；（4）再时效处理：将步骤（3）处理后的高锰钢铸件加热至450
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50℃并保温1h，随后空冷至室温；所述合金化高锰钢的成分质量百分比为：C:0.9%~1.1%、N:0.08%~0.10%、Mn:16.5%~18.5%、Cr:1.8%~2.0%、Si:0.7~0.9%、Ti:0.08%~0.10%、V:0.40%~0.55%、Nb:0.15%~0.25%、Cu:0.45%~0.55%、Ni:0.2%~0.3%、Mo:0.45...

【专利技术属性】
技术研发人员：山泉，王睿，李祖来，陈欣，伏豪，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：