專利名稱：耐磨鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐磨鋼，尤其是含氮的錳系耐磨鋼。
冶金礦山、建材、火電等許多工業(yè)生產(chǎn)部門中有大量原材料需經(jīng)球磨機(jī)進(jìn)行粉磨。球磨機(jī)襯板是消耗量很大的易損件，每年消耗幾十萬(wàn)噸。通常球磨機(jī)襯板采用Mn13鋼制造。Mn13鋼是一個(gè)傳統(tǒng)的應(yīng)用廣泛的耐磨鋼，這種鋼的錳含量高，其化學(xué)成分為C0.90～1.50%，Mn11.0～14.0%，Si0.30～1.0%，P≤0.09%，S≤0.05%。此種鋼鑄造以后經(jīng)水韌處理后使用，要求其組織為單一奧氏體。在強(qiáng)沖擊載荷作用下，Mn13鋼工件表面發(fā)生冷態(tài)下塑性變形，鋼中位錯(cuò)密度大量增加，出現(xiàn)位錯(cuò)塞積和纏結(jié)，并有形變孿晶出現(xiàn)。由于這些原因造成材料的加工硬化。奧氏體的初始硬度為HB190～230，加工硬化層硬度可達(dá)到HB500～800，硬化層厚度可達(dá)幾毫米到十幾毫米。這些特性使Mn13鋼工件在破碎機(jī)、挖掘機(jī)和粉磨硬物料的大型球磨機(jī)上是很適用的。但是在中、低沖擊的工況條件下，由于沖擊載荷小，工件表面材料的加工硬化程度低，表面硬度常低于HB300～350，硬化層也很淺，耐磨性顯得嚴(yán)重不足。而且Mn13鋼由于鋼中錳、碳含量高，奧氏體穩(wěn)定性高，形變時(shí)很難出現(xiàn)ε’馬氏體(即形變誘發(fā)的密排六方馬氏體)，更難或根本不出現(xiàn)α’馬氏體(即形變誘發(fā)的體心正方馬氏體)，即馬氏體的形成在加工硬化過程中只占有很小的比重，這大大降低了加工硬化的速度，硬度提高的程度也低。
為此工業(yè)界針對(duì)中小沖擊負(fù)荷條件進(jìn)行了提高耐磨性，開發(fā)新材料的研究。實(shí)驗(yàn)證明，降低奧氏體錳鋼中的錳、碳含量，降低奧氏體的穩(wěn)定性，形變時(shí)可以促進(jìn)馬氏體的轉(zhuǎn)變，增加鋼的強(qiáng)化能力，使鋼除了由于位錯(cuò)和形變孿晶的作用之外，由于相變的結(jié)果提高了加工硬化速度和明顯提高硬度。因此出現(xiàn)了一些較低錳碳含量的鋼種，如美國(guó)的Mn8Mo、低碳Mn13Mo等鋼種。但是含鉬的鋼種成本很高，而且耐磨性并沒有大幅度的提高，不能大量推廣使用。蘇聯(lián)專利SU1650756公開了一種耐磨鋼，其主要成分為C0.6～0.8%，Mn0.7～1.7%，Cr1.3～1.6%，V1.1～1.5%，Nb0.6～0.9%，Co0.3～0.7%，在鋼中使用了較鉬更貴的釩、鈮、鈷等合金元素且含量較高，成本很高，且非奧氏體組織，不能保證工件的沖擊韌性。中國(guó)專利87100948公開了一種用于制造研磨、破碎設(shè)備易磨損件的低錳耐磨鋼，其主要化學(xué)成分為C0.37～0.52%，Mn0.9～2.0%，Si0.17～0.37%。這類中碳低合金鋼是馬氏體型鋼，韌性差，抗沖擊載荷能力低，且熱處理工藝復(fù)雜，容易出現(xiàn)裂紋。
本發(fā)明目的就是要提供一種加工硬化性能好，既耐磨又有較高的沖擊韌性和強(qiáng)度，而且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單成本低的新鋼種。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，提出了一種耐磨鋼的發(fā)明，這種鋼的主要特征是含C1.00～1.20%，Mn7.00～8.00%，Cr2.00～3.00%，Si0.50～1.00%，N0.10～0.15%，P≤0.09%，S≤0.05%。
根據(jù)對(duì)Mn13鋼襯板的失效分析結(jié)果，要求新材料必須是奧氏體鋼，應(yīng)有好的塑性、韌性及較高的強(qiáng)度、較高的初始硬度及好的加工硬化能力，而且生產(chǎn)成本不應(yīng)增加。所以本發(fā)明采用中等含量的錳，用鉻和氮作為強(qiáng)化和提高加工硬化能力和耐磨性的合金元素。各成分含量的確定是基于以下考慮。
碳在錳鋼中是促進(jìn)奧氏體組織形成的元素，碳的固溶強(qiáng)化作用使鋼的強(qiáng)度和初始硬度提高，從而提高鋼的耐磨性。但碳含量超過1.20%以后會(huì)降低鋼的韌性，另一方面高含量的碳使奧氏體穩(wěn)定性增加并且提高奧氏體的層錯(cuò)能，對(duì)鋼的加工硬化性能不利。高的碳含量也使水韌處理時(shí)得到單相奧氏體組織變得困難，高碳含量使ε’馬氏體難以形成，α’馬氏體更難形成。這些均不利于提高耐磨性。因此碳含量不能太高，以1.00～1.20%為宜。
錳是穩(wěn)定奧氏體的元素，降低錳含量有利于α’馬氏體的形成，對(duì)加工硬化，提高硬度和耐磨性均有利。但錳不可降得過低，否則鋼的強(qiáng)度和塑、韌性降低過多。由于氮在錳中溶解度較在鐵中高，為充分利用氮的作用，錳含量也不可過低。綜合考慮各種因素的影響，確定錳含量為7.00～8.00%。
本發(fā)明中氮是合金元素，其含量雖少但作用很重要。氮的主要作用是細(xì)化晶粒、固溶強(qiáng)化、提高強(qiáng)度和沖擊韌性。氮有利于層錯(cuò)、形變孿晶、α’馬氏體和ε’馬氏體的形成，從而提高加工硬化能力和耐磨性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，氮的含量在0.10～0.15%范圍內(nèi)是合適的。
鉻是奧氏體錳鋼中最常用的合金元素，鉻經(jīng)過固溶處理后固溶于奧氏體中，增加鋼的強(qiáng)度。鋼中加入少量鉻可以彌補(bǔ)由于錳含量降低引起的強(qiáng)度性能的下降，使鋼的強(qiáng)度保持在較高的水平。此外鉻降低層錯(cuò)能，有利于層錯(cuò)、形變孿晶、α’馬氏體和ε’馬氏體的形成，有利于提高加工硬化能力和耐磨性。本發(fā)明中鉻含量為2.00～3.00%。
本發(fā)明中其它成分均控制在常規(guī)范圍內(nèi)。如硅為0.50～1.00%，有害成分P≤0.09%、S≤0.05%。
本發(fā)明耐磨鋼的冶煉、澆注與常規(guī)的Mn13相同，但由于本發(fā)明中鋼的錳含量較Mn13明顯降低且含有鉻，鑄態(tài)下組織中容易形成較多的碳化物。因此固溶處理(即水韌處理)的溫度要適當(dāng)提高，其下限溫度不低于1100℃，以1100～1130℃為宜，較Mn13鋼的處理溫度提高20～30℃。
由于本發(fā)明耐磨鋼的冶煉、鑄造、熱處理工藝簡(jiǎn)單，且本發(fā)明耐磨鋼的合金元素含量低，因此成本低(原材料中的鉻鐵為高碳鉻鐵，其價(jià)格和錳鐵基本一樣)，可以廣泛地應(yīng)用于中低沖擊磨損負(fù)荷工況條件的易耗件的生產(chǎn)，有良好的工業(yè)應(yīng)用前景和高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本發(fā)明耐磨鋼的最佳成分范圍為C1.10～1.20%、Mn7.50～8.00%、Cr2.00～2.50%、Si0.50～0.70%、N0.10～0.12%、P≤0.08%、S≤0.04%。生產(chǎn)上述成分的耐磨鋼可在最常用的堿性電弧爐或感應(yīng)電爐中冶煉。鋼水用鋁進(jìn)行終脫氧，鋁的加入量為鋼水重量的0.10～0.15%。鑄件經(jīng)水韌處理后使用。
經(jīng)測(cè)試，本發(fā)明耐磨鋼的機(jī)械性能如下σ0.2(MPa) σb(MPa) δ(%) ak(J/cm2)450～460 600～700 13～16 100～110可見新材料的σ0.2超過Mn13的水平(300MPa)，σb相當(dāng)于Mn13的水平(650MPa)，沖擊韌性和塑性指標(biāo)也都很高，能滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。特別是新材料在中、低沖擊磨料磨損工況條件下加工硬化性能很好，加工硬化速度快、硬化程度高，工作表面硬度可達(dá)到HV1070，大大超過相同條件下Mn13的耐磨性，在模擬球磨機(jī)的沖擊磨料磨損條件下，其磨損失重為0.38395g，而Mn13的磨損失重為0.67266g，耐磨性提高了75%。
權(quán)利要求
1.一種耐磨鋼，其特征于含有C 1.00～1.20%，Mn 7.00～8.00%，Cr 2.00～3.00%，Si 0.50～1.00%，N 0.10～0.15%，P≤0.09%， S≤0.50。
2.如權(quán)利要求1所述的耐磨鋼。其特征在于各組分的最佳范圍為C1.10～1.20%，Mn7.50～8.00%，Cr2.00～2.50%，Si0.50～0.70%，N0.10～0.12%，P≤0.08%，S≤0.04%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新的耐磨鋼，其化學(xué)成分為C1.00～1.20％，Mn7.00～8.00％，Cr2.00～3.00％，Si0.50～1.00％，N0.10～0.15％，P≤0.09％，S≤0.05％。用這種鋼制成的工件具有良好的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，在中、低沖擊負(fù)荷的工況條件下，具有良好的加工硬化性能，耐磨性能超過用傳統(tǒng)的Mn13制作的工件。這種鋼的冶煉、鑄造和熱處理工藝簡(jiǎn)單，而且合金元素含量低，成本也較低，有很好的工業(yè)應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
文檔編號(hào)C22C38/38GK1099810SQ9311760
公開日1995年3月8日 申請(qǐng)日期1993年9月11日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月11日
發(fā)明者陳希杰, 張釗, 陳韶春 申請(qǐng)人:武漢鋼鐵(集團(tuán))公司, 北京科技大學(xué)