專利名稱：鍛造(軋制)耐磨奧氏體高錳鋼及其制造工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鍛造(軋制)耐磨奧氏體高錳鋼，它可用于制造冶金、礦山、建材等行業的耐磨零部件，也可用于制造鐵路轍叉。
背景技術：
經典的奧氏體高錳鋼含～1.1％C，～13％Mn，由Steve Hadfield于1882年前推出，其大不列顛專利號No.200，1892年開始用于鑄件。由于奧氏體高錳鋼具有高韌性的同時具有優異的加工硬化能力，使它在受沖擊磨損工作條件下表現出優異的耐磨性能，因此，它被廣泛的應用于制作冶金、礦山、建材、煤炭、鐵路、軍工和機械等行業使用的耐磨件。一百多年來，人們為了進一步提高它的耐磨性能，對該鋼進行了大量的理論研究和生產實踐，從而派生出大量的再合金化奧氏體錳鋼。1998年俄羅斯學者沃洛寧柯比較全面的總結了作為耐磨材料的奧氏體錳鋼的研究成果，他把再合金化奧氏體錳鋼分為三元系、無Cr四元系、含Cr四元系、無Cr五元系、含Cr五元系、無Cr六元系、含Cr六元系、無Cr七元素、含Cr七元素以及更復雜的合金系等10個系列，共列舉了近70種成分奧氏體錳鋼研究成果，其中所涉及的再合金化元素有Cr、V、Ti、Nb、Ni、N、Al、Si、B、Zr、Mo、Cu和稀土等，可以說一百多年來研究人員幾乎使用了所有的常用的合金化元素對其進行再合金化處理。
耐磨奧氏體錳鋼鍛造工藝性能十分差、機械加工困難是眾所周知的事實，因此，一直以來耐磨奧氏體錳鋼件都是鑄造狀態使用，無法獲得鍛態高錳鋼耐磨件，這不利于高錳鋼耐磨性能的進一步開發，在一定程度上限制了高錳鋼的使用。這一方面人們曾經做了大量的研究工作和生產實踐。有文獻報道最早是Grigorkin等對錳含量高于傳統高錳鋼和碳含量低于傳統高錳鋼的不同成分系列奧氏體錳鋼進行鍛造試驗，發現碳含量較低的奧氏體錳鋼具有較好的可鍛性能。我國的工程技術人員也成功的在實際生產中獲得鍛造高錳鋼，但其碳含量比傳統的高錳鋼低，同時鍛造工藝十分復雜，在實際工業生產中實現難度較大。然而，對于傳統高錳鋼來講，碳含量降低會大大降低它的加工硬化能力和抗磨損使用性能。因此，為保證鍛造高錳鋼具有更加滿意的耐磨使用性能，應當鍛造制備碳和錳含量與傳統高錳鋼成分相當的奧氏體高錳鋼。1981年波蘭的Stanislaw Krol對傳統耐磨奧氏體錳鋼小試件進行熱加工，得到力學性能十分優異的鍛態高錳鋼(抗拉強度提高20％、屈服強度提高100％、沖擊韌度提高15％)。另外，其他學者也在這方面進行了試驗研究工作，并且發現高錳鋼經過熱軋后，沿軋制方向碳化物奧氏體沿晶界大量析出，造成宏觀條狀組織，晶粒細化也不明顯。可以說，這些試驗都是停留在實驗室的小試樣，在實際生產中實現高錳鋼的鍛造是十分困難的，因此，鍛造高錳鋼在實際生產中一直沒有得到廣泛的應用。
《高錳鋼轍叉心軌的鍛造(軋制)生產方法》(中國專利；申請號2005101139525)公開的是一種普通高錳鋼或經過合金化高錳鋼鍛造(軋制)高錳鋼轍叉心軌的生產方法。其主要特點是該生產方法包括制得普通高錳鋼或經過合金化的高錳鋼鑄錠，將鑄錠鍛造(軋制)成型后的毛坯直接進行水韌處理或在緩慢冷卻后再重新加熱進行水韌處理。其中，所述鍛造(軋制)的始鍛溫度為≤1350℃，終鍛(軋制)溫度為≥900℃。但是，該生產方法沒有對高錳鋼或經過合金化高錳鋼鑄錠的磷和硫含量進行限定。眾所周知，國標鑄態高錳鋼的磷和硫的含量都在0.03％左右，這樣高的磷、硫含量的高錳鋼根本無法鍛造，其原因在于鑄態高錳鋼中的磷、硫和氧等雜質元素在奧氏體晶界偏析，并與錳形成低熔點的化合物甚至共晶物，從而使高錳鋼在高溫鍛造過程中晶界過早產生熔化，因而其熱塑性急劇下降。同時，鍛造(軋制)的始鍛溫度和終鍛溫度的溫度范圍只有一端的數值有下限造成保護范圍過寬，致使所屬領域的技術人員無法實施該發明。
發明內容
為了克服現有技術存在的上述不足，本發明提供一種鍛造奧氏體高錳鋼及其制造工藝，該發明不僅克服了現有技術存在的問題，并且解決了人們長期以來耐磨奧氏體錳鋼件都是鑄態使用的歷史，同時為工程技術領域提供鍛態的高錳鋼耐磨零部件。
這種鍛造或軋制耐磨奧氏體高錳鋼，其化學成分(wt％)為C 1.0～1.3，Mn 10.0～13.0，Si＜0.5，S＜0.01，P＜0.01，改性劑0.2-0.6％，其余為Fe；鍛造奧氏體高錳鋼的常規力學性能σb≥1000MPa、σs≥600MPa、δ5≥30％、aKU≥250J/cm2，耐沖擊磨損性能比傳統ZGMn13鋼提高1倍以上，耐滾動接觸疲勞性能比傳統ZGMn13鋼提高60％以上。
這種鍛造或軋制耐磨奧氏體高錳鋼制造工藝包括以下步驟a.采用電爐冶煉，并保證獲得磷、硫含量很低的純凈鋼液，在澆注前將改性劑加入到錠型中；所述的改性劑是70wt％稀土鎂鐵合金粉和30wt％硼鐵合金粉混合物，混合粉的粒度小于50目，其作用是進一步降低鋼液中硫和氧的含量，凈化奧氏體晶界，并且改變奧氏體晶界處合金元素的成分分布狀態，從而改善高錳鋼的高溫塑性，提高其鍛造工藝性能；b.鍛造前將鋼錠加熱到1050-1100℃，保溫2-5小時，進行常規固溶熱處理；c.鍛造加熱速度＜300℃/h，加熱溫度1180-1200℃，鍛造溫度區間900-1180℃；利用鍛后余熱直接進行固溶處理，也可以再重新加熱到奧氏體化溫度進行常規固溶處理作為鍛件的最終熱處理，以獲得單相奧氏體組織。
具體實施例方式
實施例1首先利用電弧爐熔煉高錳鋼鋼水，然后采用VOD和AOD工藝進行爐外精煉，使鋼中的磷、硫含量降低到最低的水平，在澆注前將0.5％的改性劑加入鋼液中，進行澆注。鋼坯的化學成分(wt％)為C 1.12，Mn 12.5，Si 0.35，S 0.005，P 0.008，其余為Fe。將鋼錠加熱到1050℃保溫3h，水淬。然后進行鍛造，鍛造工藝為鋼錠的加熱速度180℃/h，加熱溫度1200℃，保溫0.5h，始鍛溫度1180℃，終鍛溫度950℃。最終熱處理工藝為將鋼加熱到1100℃保溫3h進行水韌處理。鍛件尺寸為150×200×1500mm，其機械性能為σb＝1125MPa，σ0.2＝686MPa，δ5＝42％，aKu＝310J/cm2。將鍛件機械加工成鐵路轍叉叉芯的形狀進行上道試驗，初步使用結果很好，本試驗正在進行中。
實施例2首先慎重選取煉鋼所用原材料，并嚴格控制其中的磷、硫的含量，保證磷、硫含量都分別小于0.01％。利用中頻感應爐熔煉高錳鋼鋼水，在澆注前將0.5％的復合稀土化合物加入錠型中，然后進行澆注。鋼坯的化學成分(wt％)為C 1.24，Mn 13.3，Si 0.32，S 0.008，P 0.008，其余為Fe。將鋼錠加熱到1050℃保溫3h后水淬。然后進行鍛造，鍛造工藝為鋼錠的加熱速度250℃/h，加熱溫度1200℃，始鍛溫度1180℃，終鍛溫度980℃，將其鍛造成25kg重的錘頭。鍛造后將鍛件直接淬入水中進行水韌處理。鍛造高錳鋼錘頭比同成分鑄態錘頭使用壽命提高1.2倍。
實施例3首先慎重選取煉鋼所用原材料，并嚴格控制其中的磷、硫含量，保證磷、硫含量都分別小于0.01％。利用中頻感應爐熔煉高錳鋼鋼水，在澆注前將0.6％的改性劑加入錠型中，之后進行澆注。鋼坯的化學成分(wt％)為C 1.11，Mn 13.4，Si 0.22，S 0.007，P 0.008，其余為Fe。將鋼錠加熱到1050℃保溫3h后水淬。然后進行軋制，軋制工藝為鋼錠的加熱速度250℃/h，加熱溫度1200℃，始軋溫度1180℃，終軋溫度1000℃，將其軋制成厚度為30mm的鋼板，軋制后將鋼板直接淬入水中進行水韌處理。將軋制鋼板進行少量的機械加工，其中，包括切邊和鉆孔，制造成挖掘機抓斗齒板，收到很好的使用效果。
權利要求
1.一種鍛造(軋制)耐磨奧氏體高錳鋼，其特征是其化學成分(wt％)為C 1.0～1.3，Mn 10.0～13.0，Si＜0.5，S＜0.01，P＜0.01，改性劑0.2-0.6％，其余為Fe；鍛造奧氏體高錳鋼的常規力學性能σb≥1000MPa、σs≥600MPa、δ5≥30％、aKU≥250J/cm2，耐沖擊磨損性能比傳統ZGMn13鋼提高1倍以上，耐滾動接觸疲勞性能比傳統ZGMn13鋼提高60％以上。
2.一種制造權利要求1所述的鍛造(軋制)耐磨奧氏體高錳鋼的工藝，其特征是a.采用電爐冶煉，并保證獲得磷、硫含量很低的純凈鋼液，在澆注前將改性劑加入到錠型中；b.鍛造前將鋼錠加熱到1050-1100℃，保溫2-5小時，進行常規固溶熱處理；c.鍛造加熱速度＜300℃/h，加熱溫度1180-1200℃，鍛造溫度區間900-1180℃；利用鍛后余熱直接進行固溶處理，也可以再重新加熱到奧氏體化溫度進行常規固溶處理作為鍛件的最終熱處理，以獲得單相奧氏體組織。
3.根據權利要求2所述的鍛造(軋制)耐磨奧氏體高錳鋼的制造工藝，其特征是所述的改性劑是70wt％稀土鎂鐵合金粉和30wt％硼鐵合金粉混合物，混合粉的粒度小于50目。
全文摘要
一種鍛造(軋制)耐磨奧氏體高錳鋼，它屬于純凈Mn13鋼，化學成分(wt％)為C 1.0～1.3，Mn 10.0～13.0，Si＜0.5，S＜0.01，P＜0.01，改性劑0.2－0.6％，其余為Fe。其制造工藝是采用電爐冶煉，獲得磷、硫含量很低的純凈鋼液，然后澆注成鋼錠。鍛造前對鋼錠進行常規的固溶熱處理。鍛造時鋼錠加熱速度＜300℃/h，鍛造溫度區間900－1180℃。可利用鍛后余熱直接進行固溶處理也可以再重新加熱到奧氏體化溫度進行常規固溶處理作為鍛件的最終熱處理，獲得單相奧氏體組織。鍛造高錳鋼的常規力學性能σ
文檔編號B22D27/00GK101074469SQ20071006215
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月12日 優先權日2007年6月12日
發明者張福成, 呂博, 厚如軍, 張明, 王天生 申請人:燕山大學