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冶金、矿山等行业不断出现大型设备,如采矿、破碎、挖掘等设备,其耐磨配件重达几吨到几十吨。与传统高锰钢相比,超高锰钢(Mn>17%)拥有更强的加工硬化能力和较高的低温冲击韧性。因此被广泛应用在强载荷或挤压工况下,如破碎机锤头、大型球磨机衬板等。然而传统高锰钢(Hadfield steel)或超高锰钢由于较低的屈服强度和初始硬度等原因,在中低载荷下不能完全发挥其本身的特性就因变形而报废,不能满足这些大型厚壁耐磨件的要求。因此,本文基于高强度、高硬度、高韧性、低密度的设计原理,从成分设计、冶炼、铸造、热处理以及冲击磨损等角度研究高锰-高铝的圆锥破碎机衬板用轻质耐磨钢的制备工艺及磨损机理。研究了常规水韧处理和余热水韧处理对新型轻质耐磨钢(Fe-24Mn-7.1 Al-1.0C铸钢)的组织和性能的影响。结果表明：对中小壁厚的铸件,该轻质耐磨钏完全能采用此余热水韧处埋方式生产(余热温度必须大于850-C),其未溶碳化物级别W2,析出碳化物级别X2。余热处理后的冲击韧性值(V型缺口)达到108J/cm2,表面硬度为219HB(心部硬度为217HB),抗拉强度为784MPa,屈服强度408MPa,断后伸长率为53.8%。轻质耐磨钢的常规最佳水韧温度为1050℃,保温1h：冲击韧性为231.3J/cm2,硬度为205HB,抗拉强度为809MPa,屈服强度为410MPa,断后伸长率为59.6%。针对轻质耐磨钢仅采用水韧处理时的初始硬度和屈服强度不足的问题C未达到目标要求),提出了时效方法来提高其初始硬度和强度。优化出轻质耐磨钢的最佳热处理工艺：加热至1050℃保温1h水韧,再经550-℃时效2h,空冷处理。该工艺条件下奥氏体基体内细小碳化物弥散分布,力学性能明显改善,抗拉强度为825MPa,屈服强度为574MPa,冲击韧性为156J/cm2,硬度为271HB,断后伸长率为32%,使得硬度、强度、冲击韧性达到了最佳匹配值；与仅水韧处理相比屈服强度提高40.0%,硬度提高32.2%。对轻质耐磨钢的耐磨性进行检测,在同样磨损条件下,选择改性高锰钢Mn13Cr2为对比材料。结果表明：仅采用水韧处理后方式,轻质耐磨钢的耐磨性在0.5J-4J冲击功条件下均高于Mn13Cr2钢。在中低载荷条件下(0.5J-2J)是其1.09-1.17倍,而在高冲击功条件下(4J)为其1.4倍。轻质耐磨钢采用1050℃保温1h水韧处理+550℃温度时效2h后由于纳米级的K-碳化物析出,不仅改善了轻质耐磨钢铸铡的力学性能,而且存低冲击载荷下(0.5J)使其耐磨性达到最佳,为Mn13Cr2的2.09倍。最后通过对比轻质耐磨钢(Fe-24Mn-7.1Al-1.0C铸钢)和不含铝的超高锰钢(Fe-25Mn-1.1C铸钢)耐磨性、磨损表面形貌和亚表层微观组织,分析铝对超高锰钢的耐磨性、磨损机理、硬化机制的影响。结果表明：(1)铝的添加降低了奥氏体基体碳的活度和扩散系数,增加了碳的稳定性。时效过程中铝抑制了粗大的针状碳化物的析出,析出大量纳米级(Fe, Mn)3AlC的K-碳化物,提高了超高锰钢的耐磨性。(2)铝的添加对仅水韧处理后的磨损形貌影响不大。在时效过程,由于K-碳化物析出增加了基体的硬度,降低了轻质耐磨钢的磨损表面犁沟深和减少了剥落坑的数量。长时间时效后,粗大的K-碳化物会因冲击变形使其在晶界处破碎形成微裂纹,进而形成脆性块状脱落加剧其磨损量,降低了耐磨基体的均匀性。(3)铝增加了超高锰钢的层错能(从36.5mJ/m2提高至67.3mJ/m2),降低了加工硬化速率,强烈抑制了孪晶转变,改变了其加工硬化机制；轻质耐磨钢低冲击载荷下的磨损硬化机制：水韧时为位错缠结、位错墙；水韧+550℃时效后的磨损硬化机制为高密度位错墙、高密度位错缠结。