CN100463992C - 锻造(轧制)耐磨奥氏体高锰钢及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
一种锻造(轧制)耐磨奥氏体高锰钢，它属于纯净Mn13钢，化学成分(wt%)为：C：1.0～1.3，Mn：10.0～13.0，Si＜0.5，S＜0.01，P＜0.01，改性剂0.2-0.6%，其余为Fe。其制造工艺是：采用电炉冶炼，获得磷、硫含量很低的纯净钢液，然后浇注成钢锭。锻造前对钢锭进行常规的固溶热处理。锻造时钢锭加热速度＜300℃/h，锻造温度区间900-1180℃。可利用锻后余热直接进行固溶处理也可以再重新加热到奥氏体化温度进行常规固溶处理作为锻件的最终热处理，获得单相奥氏体组织。锻造高锰钢的常规力学性能：σb≥1000MPa、σs≥600MPa、δ5≥30%、aKU≥250J/cm2，耐冲击磨损性能比传统ZGMn13钢提高1倍以上，耐滚动接触疲劳性能比传统ZGMn13钢提高60%以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种锻造(轧制)耐磨奥氏体高锰钢，它可用于制造冶金、矿山、建材等行业的耐磨零部件，也可用于制造铁路辙叉。
技术背景
经典的奥氏体高锰钢含～1.1％C，～13％Mn，由Steve Hadfield于1882年前推出，其大不列颠专利号No.200，1892年开始用于铸件。由于奥氏体高锰钢具有高韧性的同时具有优异的加工硬化能力，使它在受冲击磨损工作条件下表现出优异的耐磨性能，因此，它被广泛的应用于制作冶金、矿山、建材、煤炭、铁路、军工和机械等行业使用的耐磨件。一百多年来，人们为了进一步提高它的耐磨性能，对该钢进行了大量的理论研究和生产实践，从而派生出大量的再合金化奥氏体锰钢。1998年俄罗斯学者沃洛宁柯比较全面的总结了作为耐磨材料的奥氏体锰钢的研究成果，他把再合金化奥氏体锰钢分为三元系、无Cr四元系、含Cr四元系、无Cr五元系、含Cr五元系、无Cr六元系、含Cr六元系、无Cr七元素、含Cr七元素以及更复杂的合金系等10个系列，共列举了近70种成分奥氏体锰钢研究成果，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，可以说一百多年来研究人员几乎使用了所有的常用的合金化元素对其进行再合金化处理。
耐磨奥氏体锰钢锻造工艺性能十分差、机械加工困难是众所周知的事实，因此，一直以来耐磨奥氏体锰钢件都是铸造状态使用，无法获得锻态高锰钢耐磨件，这不利于高锰钢耐磨性能的进一步开发，在一定程度上限制了高锰钢的使用。这一方面人们曾经做了大量的研究工作和生产实践。有文献报道最早是Grigorkin等对锰含量高于传统高锰钢和碳含量低于传统高锰钢的不同成分系列奥氏体锰钢进行锻造试验，发现碳含量较低的奥氏体锰钢具有较好的可锻性能。我国的工程技术人员也成功的在实际生产中获得锻造高锰钢，但其碳含量比传统的高锰钢低，同时锻造工艺十分复杂，在实际工业生产中实现难度较大。然而，对于传统高锰钢来讲，碳含量降低会大大降低它的加工硬化能力和抗磨损使用性能。因此，为保证锻造高锰钢具有更加满意的耐磨使用性能，应当锻造制备碳和锰含量与传统高锰钢成分相当的奥氏体高锰钢。1981年波兰的Stanislaw Krol对传统耐磨奥氏体锰钢小试件进行热加工，得到力学性能十分优异的锻态高锰钢(抗拉强度提高20％、屈服强度提高100％、冲击韧度提高15％)。另外，其他学者也在这方面进行了试验研究工作，并且发现高锰钢经过热轧后，沿轧制方向碳化物奥氏体沿晶界大量析出，造成宏观条状组织，晶粒细化也不明显。可以说，这些试验都是停留在实验室的小试样，在实际生产中实现高锰钢的锻造是十分困难的，因此，锻造高锰钢在实际生产中一直没有得到广泛的应用。
《高锰钢辙叉心轨的锻造(轧制)生产方法》(中国专利；申请号：2005101139525)公开的是一种普通高锰钢或经过合金化高锰钢锻造(轧制)高锰钢辙叉心轨的生产方法。其主要特点是该生产方法包括制得普通高锰钢或经过合金化的高锰钢铸锭，将铸锭锻造(轧制)成型后的毛坯直接进行水韧处理或在缓慢冷却后再重新加热进行水韧处理。其中，所述锻造(轧制)的始锻温度为≤1350℃，终锻(轧制)温度为≥900℃。但是，该生产方法没有对高锰钢或经过合金化高锰钢铸锭的磷和硫含量进行限定。众所周知，国标铸态高锰钢的磷和硫的含量都在0.03％左右，这样高的磷、硫含量的高锰钢根本无法锻造，其原因在于铸态高锰钢中的磷、硫和氧等杂质元素在奥氏体晶界偏析，并与锰形成低熔点的化合物甚至共晶物，从而使高锰钢在高温锻造过程中晶界过早产生熔化，因而其热塑性急剧下降。同时，锻造(轧制)的始锻温度和终锻温度的温度范围只有一端的数值有下限造成保护范围过宽，致使所属领域的技术人员无法实施该发明。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种锻造奥氏体高锰钢及其制造工艺，该发明不仅克服了现有技术存在的问题，并且解决了人们长期以来耐磨奥氏体锰钢件都是铸态使用的历史，同时为工程技术领域提供锻态的高锰钢耐磨零部件。
这种锻造或轧制耐磨奥氏体高锰钢，其化学成分(wt％)为：C 1.0～1.3，Mn 10.0～13.0，Si<0.5，S<0.01，P<0.01，改性剂0.2-0.6％，其余为Fe；锻造奥氏体高锰钢的常规力学性能：σb≥1000MPa、σs≥600MPa、δ5≥30％、aKU≥250J/cm2，耐冲击磨损性能比传统ZGMn13钢提高1倍以上，耐滚动接触疲劳性能比传统ZGMn13钢提高60％以上。
这种锻造或轧制耐磨奥氏体高锰钢制造工艺包括以下步骤：
a.采用电炉冶炼，并保证获得磷、硫含量很低的纯净钢液，在浇注前将改性剂加入到锭型中；所述的改性剂是70wt％稀土镁铁合金粉和30wt％硼铁合金粉混合物，混合粉的粒度小于50目，其作用是进一步降低钢液中硫和氧的含量，净化奥氏体晶界，并且改变奥氏体晶界处合金元素的成分分布状态，从而改善高锰钢的高温塑性，提高其锻造工艺性能；
b.锻造前将钢锭加热到1050—1100℃，保温2—5小时，进行常规固溶热处理；
c.锻造加热速度<300℃/h，加热温度1180—1200℃，锻造温度区间900—1180℃；利用锻后余热直接进行固溶处理，也可以再重新加热到奥氏体化温度进行常规固溶处理作为锻件的最终热处理，以获得单相奥氏体组织。
具体实施方式
实施例1
首先利用电弧炉熔炼高锰钢钢水，然后采用VOD和AOD工艺进行炉外精炼，使钢中的磷、硫含量降低到最低的水平，在浇注前将0.5％的改性剂加入钢液中，进行浇注。钢坯的化学成分(wt％)为：C 1.12，Mn 12.5，Si 0.35，S 0.005，P 0.008，其余为Fe。将钢锭加热到1050℃保温3h，水淬。然后进行锻造，锻造工艺为：钢锭的加热速度180℃/h，加热温度1200℃，保温0.5h，始锻温度1180℃，终锻温度950℃。最终热处理工艺为：将钢加热到1100℃保温3h进行水韧处理。锻件尺寸为150×200×1500mm，其机械性能为：σb＝1125MPa，σ0.2＝686MPa，δ5＝42％，aKU＝310J/cm2。将锻件机械加工成铁路辙叉叉芯的形状进行上道试验，初步使用结果很好，本试验正在进行中。
实施例2
首先慎重选取炼钢所用原材料，并严格控制其中的磷、硫的含量，保证磷、硫含量都分别小于0.01％。利用中频感应炉熔炼高锰钢钢水，在浇注前将0.5％的复合稀土化合物加入锭型中，然后进行浇注。钢坯的化学成分(wt％)为：C 1.24，Mn 13.3，Si 0.32，S 0.008，P 0.008，其余为Fe。将钢锭加热到1050℃保温3h后水淬。然后进行锻造，锻造工艺为：钢锭的加热速度250℃/h，加热温度1200℃，始锻温度1180℃，终锻温度980℃，将其锻造成25kg重的锤头。锻造后将锻件直接淬入水中进行水韧处理。锻造高锰钢锤头比同成分铸态锤头使用寿命提高1.2倍。
实施例3
首先慎重选取炼钢所用原材料，并严格控制其中的磷、硫含量，保证磷、硫含量都分别小于0.01％。利用中频感应炉熔炼高锰钢钢水，在浇注前将0.6％的改性剂加入锭型中，之后进行浇注。钢坯的化学成分(wt％)为：C 1.11，Mn 13.4，Si 0.22，S 0.007，P 0.008，其余为Fe。将钢锭加热到1050℃保温3h后水淬。然后进行轧制，轧制工艺为：钢锭的加热速度250℃/h，加热温度1200℃，始轧温度1180℃，终轧温度1000℃，将其轧制成厚度为30mm的钢板，轧制后将钢板直接淬入水中进行水韧处理。将轧制钢板进行少量的机械加工，其中，包括切边和钻孔，制造成挖掘机抓斗齿板，收到很好的使用效果。
Claims (2)
1.一种锻造或者轧制耐磨奥氏体高锰钢，其特征是：其化学成分(wt％)为：C 1.0～1.3，Mn 10.0～13.0，Si<0.5，S<0.01，P<0.01，其余为Fe；锻造或者轧制耐磨奥氏体高锰钢的常规力学性能：σb≥1000MPa、σs≥600 MPa、δ5≥30％、aKU≥250 J/cm2，耐冲击磨损性能比传统ZGMn13钢提高1倍以上，耐滚动接触疲劳性能比传统ZGMn13钢提高60％以上；
其制造工艺如下：
(1)其锻造工艺是.：
a.采用电炉冶炼，并保证获得磷、硫含量很低的纯净钢液，在浇注前将改性剂0.2-0.6wt％加入到锭型中；
b.锻造前将钢锭加热到1050—1100℃，保温2—5小时，进行水淬处理；
c.锻造加热速度<300℃/h，加热温度1180—1200℃，锻造温度区间900—1180℃；再重新加热到奥氏体化温度进行水韧处理作为锻件的最终热处理，以获得单相奥氏体组织；
(2)其轧制工艺是：
a.采用电炉冶炼，并保证获得磷、硫含量很低的纯净钢液，在浇注前将改性剂0.2-0.6wt％加入到锭型中；
b.轧制前将钢锭加热到1050℃，保温3小时，进行水淬处理；
c.轧制加热速度为250℃/h，加热温度1200℃，始轧温度1180℃，终轧温度1000℃，利用轧制后余热直接进行水韧处理，以获得单相奥氏体组织。
2.根据权利要求1所述的锻造或者轧制耐磨奥氏体高锰钢，其特征是：所述的改性剂是70wt％稀土镁铁合金粉和30wt％硼铁合金粉混合物，混合粉的粒度小于50目。
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