CN115852235A - 一种高抗拉强度高锰钢合金化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高抗拉强度高锰钢合金化的方法。方法包括：1）将锰铁、铬铁、硅铁和钼铁先在800℃‑850℃烘烤3‑4h；将钒铁、钛铁和稀土硅先在200‑300℃烘烤3‑4h；再按照各元素的质量百分比进行配料；所用石灰为块状；所用熔化期造渣剂为玻璃渣或为由氧化钙和二氧化硅等比例混合而得的混合物；2）配料完成后严格按熔炼要求进行熔炼、水韧处理和回火，完成所述高锰钢合金化。该方法在保留高锰钢具有较高硬度的同时，不仅能够提高耐磨性，抗拉强度及冲击韧性也大幅度提升，满足了高效清筛机挖掘链的抗拉性能和冲击韧性要求，减少了挖掘链被拉长需现场更换的频率，降低了材料损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种高抗拉强度高锰钢合金化的方法。
背景技术
近几年，为满足国内外大型养路机械市场需求，中国铁建装备大型养路机械集团公司致力于研发升级新产品，针对清筛系列产品，该公司在老产品的基础上研发升级了一款新产品——高效清筛机。该产品主要用于有砟线路的大修清筛作业，其可在不拆除轨排的情况下通过挖掘链运动将轨排下的道砟挖出，振动筛对挖出的道砟进行筛分，污土由旋转污土输送带抛至与之连挂的物料运输车内或线路两侧，清洁道砟可在线路的整个端面均匀回填。
高效清筛机整机结构分为筛分车组、挖掘车、后动力车三大部分。挖掘车的重要配件为挖掘链，其主要由扒板、链节、链销及扒指组成。其中扒板、链节的材料为ZGMn13Cr2。挖掘链的主要作业是将轨排下的道砟挖出，通过传送带将道砟传送至筛分车。挖掘链在作业运动时受到较大的拉力，作业工况条件十分恶劣。清筛机在作业过程中容易出现挖掘链被拉长的现象，停机更换配件，影响养路机械工作效率。因此要求挖掘链具有较高的抗拉强度,以保证其作业时不至于在短期内因强度不足而被拉长，所以只有从提高ZGMn13Cr2合金化高锰钢的各项力学性能指标入手，才能真正解决问题。
发明内容
本发明提供了一种高抗拉强度高锰钢合金化的方法。该方法在保留高锰钢具有较高硬度的同时，不仅能够提高耐磨性，抗拉强度及冲击韧性也大幅度提升，满足了高效清筛机挖掘链的抗拉性能和冲击韧性要求，减少了挖掘链被拉长需现场更换的频率，降低了材料损耗，减少大机停机误工时长，同时为公司节约了索赔配件成本。
本发明提供的高锰钢合金化的方法，包括：
1）将锰铁、铬铁、硅铁和钼铁先在800℃-850℃烘烤3-4h；
将钒铁、钛铁和稀土硅先在200-300℃烘烤3-4h；
再按照如下各元素的质量百分比进行配料：
C：0.9% ~ 1.2%、
Si：0.4% ~ 0.66%、
Mn：11.0% ~ 13.0%、
Cr：1.7% ~ 2.2%、
Ti：0.1% ~ 0.2%、
V：0.2% ~ 0.3%、
Mo：0.4% ~ 0.6%、
Re：0.05% ~ 0.1%、
P≤0.06%、
S≤0.04%、
余量为Fe和杂质；
所用石灰为块状；
所用熔化期造渣剂为玻璃渣或为由氧化钙和二氧化硅等比例混合而得的混合物；
2）配料完成后严格按熔炼要求进行熔炼、水韧处理和回火，完成所述高锰钢合金化。
上述方法中，本发明对原材料成分进行了微调并添加了部分强碳氮化物元素，如Cr、V、Ti、RE。该成分配比能够提高挖掘链的综合力学性能；此外，为了尽量减少原材料中Si含量，采用硅铁脱氧；
具体的，各元素的质量百分比可为如下配比1-4中任意一种；
所述配比1为：C：1.05-1.16%、Si：0.6-0.65%、Mn：11.09-12.03%、Cr：1.72-1.97%、Ti：0.13-0.15%、V：0.21-0.23%、Mo：0.49-0.50%、P：0.016%、S：0.002%、Re：0.064-0.0071%；余量为Fe和杂质；
所述配比2为：C：1.05%、Si：0.6%、Mn：11.09%、Cr：1.97%、Ti：0.15%、V：0.23%、Mo：0.50%、P：0.016%、S：0.002%、Re：0.064%；余量为Fe和杂质；
所述配比3为：C：1.15%、Si：0.66%、Mn：12.37% 、Cr：1.99%、Ti：0.17%、V；0.27%、Mo：0.52%、P：0.008%、S：0.033%、Re：0.08%；余量为Fe和杂质；
所述配比4为：C：1.16%、Si：0.65%、Mn：12.03%、Cr：1.72%、Ti：0.13%、V：0.21%、Mo：0.49%、P：0.032%、S：0.004%、Re：0.071%；余量为Fe和杂质；
所述步骤2）熔炼步骤中，熔炼温度为1540℃-1560℃；具体可为1550℃；出炉温度为1480℃-1500℃；具体可为1490℃；
钢液浇注到铸件型腔的温度为1440℃-1460℃；具体可为1450℃。
具体的，所述熔炼可包括如下步骤：
I）熔化期：先加入废钢、生铁、回炉料，全部熔清后，先加入部分锰铁，再加入硅铁，然后加入造渣剂；扒渣，再造新渣；最后依次加入并熔化钼铁、铬铁、钒铁、锰铁、硅铁；扒渣，再造新渣；采用圆杯检验预脱氧情况；用温度计测量钢水温度（1540℃-1560℃）；化验钢水成分，合格后加入硅钙合金（0.2%）预脱氧和铝（0.2%）进行终脱氧；
II）将钛铁和稀土硅合金用铁皮包裹置于浇包中，采用冲入法加入钢水。然后加入草木灰或发热覆盖剂，搅拌，静置3～5分钟；
III）待钢液温度达到1440 ℃～1460℃时，将钢液浇注到铸件型腔。
所述步骤2）水韧处理步骤包括：
a、准备好两台热处理电阻炉，A炉、B炉；
将A炉加热炉温至400℃，B炉加热炉温至1080℃；
b、将所述铸件装入所述A炉中，并以60℃/h的升温速率升温至650±10℃保温2小时；该升温速率的选取，能够防止加热速度快导致高锰钢铸件产生热裂纹；
保温结束后，将所述A炉中的铸件迅速转入B炉中，以150℃/h的升温速率继续加热至1080±10℃保温1~1.5小时，保温结束后进行水淬，在所述水淬的同时保持工件不断移动。工件在冷却过程中不断移动，可以避免产生软点。
此处150℃/h升温速率的选取，目的是使高锰钢中的合金元素及其形成的化合物、碳化物都能溶入奥氏体形成固溶体，以利于后期热处理后使钢得到强化。
具体的，所述水淬中，水池中水重量为铸件重量的 20～22倍；
水淬前水温低于25℃；
水淬后水温不高于30℃。
上述条件可使水淬时具有更好的散热条件。此外，水池内壁布有通风搅拌装置，通入压缩空气对冷却水进行搅拌，使水池内水温更均匀。水池上方设有溢流口，热水从溢流口流出，冷水从水池底部流入，以保证冷却水水温不过高，从而保证高锰钢铸件淬火质量。
所述步骤2）回火步骤中，回火温度为300～350℃；
时间为5~6小时。
所述方法还包括：在所述回火步骤后出炉进行空冷。
另外，按照上述方法所得合金化的高锰钢，也属于本发明的保护范围。
本发明所述高锰钢具体可为高锰钢ZGMn13Cr2。
本发明的有益效果：
1）本发明所述热处理工艺让工件先在650±10℃进行等温处理，该过程可以促进奥氏体分解；然后在1080±10℃进行等温处理，该过程可以使奥氏体发生重结晶，起到细化晶粒的作用。
2）第二阶段将铸件快速转入高温炉中加热，使高锰钢中的合金元素及其形成的化合物、碳化物都能溶入奥氏体形成固溶体。在高锰钢淬水快速冷却时这些固溶体来不及析出，存在于晶界处起到阻碍位错运动的作用，从而提高高锰钢的强度。
3）高锰钢经水韧处理后，组织为单相奥氏体或奥氏体加少量碳化物，具有良好的塑性和韧性，裂纹扩展速率很低，使用中不易断裂而安全可靠。
4）高锰钢的另一个主要特点是，在较大冲击载荷或接触应力的作用下，表面层迅速产生加工硬化，表面硬度急剧升高，因此具有良好的耐磨性；而内部则仍保持良好的韧度，能承受较大的冲击载荷而不致破裂。这类钢特别适用于冲击磨料磨损和高应力碾碎磨料磨损工况，常用于磨球机衬板、锤式破碎机锤头、挖掘机斗齿、铁道道岔、拖拉机和坦克的履带板等抗冲击、抗磨损的铸件。
附图说明
图1是本发明的高锰钢水韧处理工艺曲线；
图2是本发明实施例2水韧处理工艺曲线。
具体实施方式
本发明主要涉及高锰钢ZGMn13Cr2的熔炼工艺与热处理工艺探索，要求试样与铸件同炉浇注，每炉共浇注试样5根，拉伸试棒与铸件同炉进行水韧处理。下面结合附图1及具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
1）熔炼钢液时炉前检验成分的质量百分比为：C：1.05%、Si：0.6%、Mn：11.09%、Cr：1.97%、Ti：0.15%、V：0.23%、Mo：0.50%、P：0.016%、S：0.002%、Re：0.064%，余量为Fe及不可避免的杂质。
配料完成后严格按熔炼要求进行熔炼。
该熔炼步骤中，熔炼温度为1550℃；出炉温度为1490℃；
钢液浇注到铸件型腔的温度为1450℃。
该熔炼具体包括如下步骤：
I）熔化期：先加入废钢、生铁、回炉料，全部熔清后，先加入部分锰铁，再加入硅铁，然后加入造渣剂；扒渣，再造新渣；最后依次加入并熔化钼铁、铬铁、钒铁、锰铁、硅铁；扒渣，再造新渣；采用圆杯检验预脱氧情况；用温度计测量钢水温度（1550℃）；化验钢水成分，合格后加入硅钙合金（0.2%）预脱氧和铝（0.2%）进行终脱氧；
II）将钛铁和稀土硅合金用铁皮包裹置于浇包中，采用冲入法加入钢水。然后加入草木灰或发热覆盖剂，搅拌，静置3～5分钟；
III）待钢液温度达到1450℃时，将钢液浇注到铸件型腔。
2）水韧处理：
a、将A炉加热炉温至400℃，B炉加热炉温至1080℃；
b、将所述铸件装入所述A炉中，并以60℃/h的升温速率升温至640℃保温2小时；
保温结束后，将所述A炉中的铸件迅速转入B炉中，以150℃/h的升温速率继续加热至1070℃保温1.5小时，保温结束后进行水淬，在所述水淬的同时保持工件不断移动。
所述水淬中，水池中水重量为铸件重量的 20倍；
水淬前水温低于25℃；
水淬后水温不高于30℃。
水池内壁布有通风搅拌装置，通入压缩空气对冷却水进行搅拌，使水池内水温更均匀。水池上方设有溢流口，热水从溢流口流出，冷水从水池底部流入，以保证冷却水水温不过高，从而保证高锰钢铸件淬火质量。
3）回火：铸件冷却至30℃以下装炉进行回火，加热至300℃保温6小时，保温结束后进行空冷。
实施例2
1）熔炼钢液时炉前检验成分的质量百分比为：C：1.15%、Si：0.66%、Mn：12.37%、Cr：1.99%、Ti：0.17%、V：0.27%、Mo：0.52%、P：0.008%、S：0.033%、Re：0.08%，余量为Fe及不可避免的杂质。
配料完成后严格按熔炼要求进行熔炼。
该熔炼步骤中，熔炼温度为1540℃；出炉温度为1480℃；
钢液浇注到铸件型腔的温度为1440℃。
该熔炼具体包括如下步骤：
I）熔化期：先加入废钢、生铁、回炉料，全部熔清后，先加入部分锰铁，再加入硅铁，然后加入造渣剂；扒渣，再造新渣；最后依次加入并熔化钼铁、铬铁、钒铁、锰铁、硅铁；扒渣，再造新渣；采用圆杯检验预脱氧情况；用温度计测量钢水温度（1540℃）；化验钢水成分，合格后加入硅钙合金（0.2%）预脱氧和铝（0.2%）进行终脱氧；
II）将钛铁和稀土硅合金用铁皮包裹置于浇包中，采用冲入法加入钢水。然后加入草木灰或发热覆盖剂，搅拌，静置3～5分钟；
III）待钢液温度达到1440℃时，将钢液浇注到铸件型腔。
2）水韧处理：
a、将A炉加热炉温至400℃，B炉加热炉温至1080℃；
b、将所述铸件装入所述A炉中，并以60℃/h的升温速率升温至650℃保温2小时；
保温结束后，将所述A炉中的铸件迅速转入B炉中，以150℃/h的升温速率继续加热至1080℃保温1.5小时，保温结束后进行水淬，在所述水淬的同时保持工件不断移动。
所述水淬中，水池中水重量为铸件重量的 20倍；
水淬前水温低于25℃；
水淬后水温不高于30℃。
水池内壁布有通风搅拌装置，通入压缩空气对冷却水进行搅拌，使水池内水温更均匀。水池上方设有溢流口，热水从溢流口流出，冷水从水池底部流入，以保证冷却水水温不过高，从而保证高锰钢铸件淬火质量。
3）回火：铸件冷却至30℃以下装炉进行回火，加热至325℃保温6小时，保温结束后进行空冷。
实施例3
1）熔炼钢液时炉前检验成分的质量百分比为：C：1.16%、Si：0.65%、Mn：12.03%、Cr：1.72%、Ti：0.13%、V：0.21%、Mo：0.49%、P：0.032%、S：0.004%、Re：0.071%，余量为Fe及不可避免的杂质。
配料完成后严格按熔炼要求进行熔炼。
该熔炼步骤中，熔炼温度为1560℃；出炉温度为1500℃；
钢液浇注到铸件型腔的温度为1460℃。
该熔炼具体包括如下步骤：
I）熔化期：先加入废钢、生铁、回炉料，全部熔清后，先加入部分锰铁，再加入硅铁，然后加入造渣剂；扒渣，再造新渣；最后依次加入并熔化钼铁、铬铁、钒铁、锰铁、硅铁；扒渣，再造新渣；采用圆杯检验预脱氧情况；用温度计测量钢水温度（1560℃）；化验钢水成分，合格后加入硅钙合金（0.2%）预脱氧和铝（0.2%）进行终脱氧；
II）将钛铁和稀土硅合金用铁皮包裹置于浇包中，采用冲入法加入钢水。然后加入草木灰或发热覆盖剂，搅拌，静置3～5分钟；
III）待钢液温度达到1460℃时，将钢液浇注到铸件型腔。
2）水韧处理：
a、将A炉加热炉温至400℃，B炉加热炉温至1080℃；
b、将所述铸件装入所述A炉中，并以60℃/h的升温速率升温至660℃保温2小时；
保温结束后，将所述A炉中的铸件迅速转入B炉中，以150℃/h的升温速率继续加热至1090℃保温1.5小时，保温结束后进行水淬，在所述水淬的同时保持工件不断移动。
所述水淬中，水池中水重量为铸件重量的 20倍；
水淬前水温低于25℃；
水淬后水温不高于30℃。
水池内壁布有通风搅拌装置，通入压缩空气对冷却水进行搅拌，使水池内水温更均匀。水池上方设有溢流口，热水从溢流口流出，冷水从水池底部流入，以保证冷却水水温不过高，从而保证高锰钢铸件淬火质量。
3）回火：铸件冷却至30℃以下装炉进行回火，加热至350℃保温6小时，保温结束后进行空冷。
本发明实施例1～3制备得到的高锰钢铸件中基体组织为奥氏体+少量细小碳化物。另外，Cr、V、Ti、RE等合金元素在钢中也产生了极细小的沉淀物颗粒。细小碳化物与沉淀物颗粒在奥氏体晶粒内弥散分布使高锰钢的表面硬度和强度相较于传统高锰钢材料有较大提升。
对本发明实施例1～3制备的试样进行拉伸检测，每一工艺拉伸结果均为5根试棒之平均值，各项力学性能结果见表1：
表1、试样机械性能检测
查《GB/T5680-2010》得ZGMn13Cr2的各项力学性能指标为屈服强度≥390MPa, 抗拉强度≥735MPa，断后伸长率≥20%。表1所列本发明的高锰钢各项力学性能均满足国家标准。
由表1分析可得，本发明的高锰钢经水韧处理后，热处理工艺温度接近工艺曲线下限或上限，所获得的试样机械性能都不是最好。针对高效清筛机的挖掘链使用工况，要求挖掘链具有较高的抗拉强度，但也需具有较好的塑性、韧性。综合考虑后，本发明最终确定扒板、链节高锰钢的热处理工艺为实施例2，其热处理工艺曲线见图2。
本发明成功后，企业对高抗拉强度高锰钢挖掘链进行了批量生产，并装车用于铁路养护作业中。经实践验证得，本发明生产的高抗拉强度高锰钢满足高效清筛机挖掘链的作业要求，避免了背景技术中所述的原高锰钢挖掘链在作业过程中由于抗拉强度低而被拉长的现象。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种高抗拉强度高锰钢合金化的方法，包括：
1）将锰铁、铬铁、硅铁和钼铁先在800℃-850℃烘烤3-4h；
将钒铁、钛铁和稀土硅先在200-300℃烘烤3-4h；
再按照如下各元素的质量百分比进行配料：
C：0.9% ~ 1.2%、
Si：0.4% ~ 0.66%、
Mn：11.0% ~ 13.0%、
Cr：1.7% ~ 2.2%、
Ti：0.1% ~ 0.2%、
V：0.2% ~ 0.3%、
Mo：0.4% ~ 0.6%、
Re：0.05% ~ 0.1%、
P≤0.06%、
S≤0.04%、
余量为Fe和杂质；
所用石灰为块状；
所用熔化期造渣剂为玻璃渣或为由氧化钙和二氧化硅等比例混合而得的混合物；
2）配料完成后严格按熔炼要求进行熔炼、水韧处理和回火，完成所述高锰钢合金化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2）熔炼步骤中，熔炼温度为1540℃-1560℃；出炉温度为1480-1500℃；
钢液浇注到铸件型腔的温度为1440℃-1460℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤2）水韧处理包括：
a、准备好两台热处理电阻炉，A炉、B炉；
将A炉加热炉温至400℃，B炉加热炉温至1080℃；
b、将所述铸件装入所述A炉中，并以60℃/h的升温速率升温至650±10℃保温2小时；
保温结束后，将所述A炉中的铸件迅速转入B炉中，以150℃/h的升温速率继续加热至1080±10℃保温1~1.5小时，保温结束后进行水淬，在所述水淬的同时保持工件不断移动。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述水淬中，水池中水重量为铸件重量的20～22倍；
水淬前水温低于25℃；
水淬后水温不高于30℃。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于：所述步骤2）回火步骤中，回火温度为300～350℃；
时间为5~6小时。
6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：在所述回火步骤后出炉进行空冷。
7.权利要求1-6任一所述方法所得合金化的高锰钢。
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2022
- 2022-12-07 CN CN202211563615.6A patent/CN115852235A/zh active Pending
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