本发明属于奥氏体合金材料冶炼领域，具体涉及一种高锰奥氏体型耐热钢合金材料及其制备方法。
背景技术：
奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18％、Ni 8％～25％、C约0.1％时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体不锈钢是工业上应用最广泛的不锈钢，具有良好的耐腐蚀性能和综合力学性能，其室温及低温韧性、塑性及焊接性大大高于铁素体不锈钢，在氧化性、中性及弱氧化性介质中具有优良的耐蚀性。
在奥氏体不锈钢中，镍是主要的奥氏体化元素，其主要作用是形成并稳定奥氏体，使不锈钢获得良好的强度、塑性和韧性。316L奥氏体不锈钢是目前广泛应用于生物医学领域中的不锈钢材料，其镍含量高达12％～15％。但镍元素具有潜在的致敏作用，对生物体具有致畸、致癌等危害，在1994年颁布的欧洲议会94/27/EC标准中，要求植入人体内的医用材料中镍含量不应超过0.05％，对于长期接触人体皮肤的金属材料，如首饰、手表、戒指、手镯等，其镍含量则以每周渗入皮肤含量不应超过0.5μg/cm2为最高限量。
另外镍是一种贵重的稀有元素，属于战略资源，奥氏体不锈钢的生产消耗了大量的镍元素，造成其产品价格居高不下，不利于节约资源型材料的发展。因此发展以其它元素代替镍或减少镍含量的低镍和无镍奥氏体不锈钢不仅有利于降低成本，节约昂贵的战略元素，而且可提高不锈钢的使用安全性。
因此以锰代替镍的奥氏体合金材料成为现有研究的热点，然而现有的奥氏体合金材料中锰的含量不高，很难达到10％以上，当以大量锰代替镍时，合金中铬的含量较低，低Cr钢不能作为耐酸不锈钢，Cr-Mn钢要得到纯奥氏体组织，必须增加钢中的含碳量，且镍的含量在低于5％以下时，合金材料的奥氏体型不稳定，不锈钢的力学性能较差，耐腐蚀性能也较弱，且低镍奥氏体不锈钢的表面很容易出现裂纹，导致所得不锈钢材料的品质较低。
技术实现要素：
本发明的目的就在于为了解决上述问题，而提供一种高锰奥氏体型耐热钢合金材料及其制备方法，采用高含量的锰和铬替代镍，能够获得力学性能得到很好的奥氏体合金钢材料，且所得材料的奥氏体结构稳定，不锈钢的耐腐蚀性能优秀，且钢材表面基本无裂纹，能够满足在复杂工作环境下的使用要求。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种高锰奥氏体型耐热钢合金材料，以重量百分比计，所述材料的元素组成包括：
C：0.12％～0.15％、Cr：20.00％～22.00％、Si：1.20％～1.50％、Mn：13.5％～16.50％、Ni：2.00％～5.00％、N：0.16％～0.20％、余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明的奥氏体型耐热钢合金材料的元素组成中，低碳钢含量为0.12～0.15％，但是铬含量高达20％以上，锰含量高达13.5～16.5％，而镍含量可达5％以上至2％，很好地节约了战略资源镍，且本发明的合金材料能够保持稳定的奥氏体型结构，耐腐蚀性能相当优秀，且钢材表面基本无裂纹，可获得高品质的奥氏体耐热合金钢。
进一步的，所述杂质为：以重量百分比计，P≤0.025％、S≤0.015％、B≤0.020％、Cu≤0.10％。
作为本发明优选的技术方案，所述合金材料的元素组成为：
C：0.15％、Cr：22.00％、Si：1.50％、Mn：14.50％、Ni：3.50％、N：0.18％，P：0.005％、S：0.005％、B：0.011％、Cu：0.08％、余量为Fe。该元素组成获得了最佳品质和性能的奥氏体不锈钢。
本发明提供的上述高锰奥氏体型耐热钢合金材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤A、取所需元素于非真空感应炉中熔炼；
步骤B、将步骤A中的钢水浇注至钢包转LF炉中精炼；
步骤C、将步骤B的钢水转至VD进行真空精炼，完成后浇注成钢锭；
步骤D、将步骤C的钢锭加热锻造制成锻件，步骤及工艺参数如下：将钢棒加热至1050～1060℃，保温1～2小时后升温至1175～1185℃保温3～4小时出炉锻造；
步骤E、将步骤D的锻件锻后空冷至室温；
步骤F、将步骤E的锻件表面处理，对成品锻件表面进行加工处理，消除表面缺陷并使锻件尺寸、形状、表面质量满足设计要求，制得成品锻件；
步骤G、将步骤F的成品锻件上取样检验力学性能，进行对应的力学性能试验。
进一步的，所述步骤G的力学性能试验如下：
1)试样热处理，将成品锻件放置在温度为1140±10℃，保温1.0～2.0h后进行水冷；
2)力学性能，经过步骤1)的成品锻件，其屈服强度Rp0.2≥490Mpa、抗拉强度Rm≥890Mpa、伸长率A≥45％、断面收缩率Z≥65％。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的高锰奥氏体型耐热钢合金材料，可以大大节约镍的含量，镍含量可以降至5％以下，而锰的含量可高达16.5％，另外本发明中铬的含量可占20.00～22.00％，所得合金材料具有稳定的奥氏体型，且材料的耐腐蚀性能相当优秀，钢材表面基本无裂纹，能达到复杂环境下材料性能的要求，有良好的经济效益和社会效益，适合推广使用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
一种高锰奥氏体型耐热钢合金材料，以重量百分比计，所述材料的元素组成为：
C：0.12％、Cr：20.00％、Si：1.20％、Mn：13.5％、Ni：2.00％、N：0.16％、余量为Fe和不可避免的杂质。其中，所述杂质以重量百分比计，为：P：0.025％、S：0.015％、B：0.020％、Cu：0.10％。
上述合金材料的制备方法包括如下步骤：
步骤A、取所需元素于非真空感应炉中熔炼；
步骤B、将步骤A中的钢水浇注至钢包中，然后转LF炉中精炼；
步骤C、将步骤B的钢水转至VD进行真空精炼，精炼完成后浇注成钢锭；
步骤D、将步骤C的钢锭加热锻造制成锻件，其工艺为：将钢锭加热至1050～1060℃，保温1～2小时后再升温至1175～1185℃下保温3～4小时出炉锻造；
步骤E、将步骤D的锻件锻造后空冷至室温；
步骤F、将步骤E的锻件表面处理，对成品锻件表面进行加工处理，消除表面缺陷并使锻件尺寸、形状、表面质量满足设计要求，制得成品锻件；
步骤G、将步骤F的成品锻件上取样检验力学性能，进行对应的力学性能试验。
力学性能试验操作如下：
1)试样热处理，将成品锻件放置在温度为1140℃，保温1.0h后进行水冷；
2)力学性能，经过步骤1)的成品锻件，其屈服强度Rp0.2为490Mpa、抗拉强度Rm为890Mpa、伸长率A为45％、断面收缩率Z为65％。
所述合金材料具有稳定的奥氏体型，该合金材料具有优异的耐酸、碱腐蚀的性能和耐氯离子腐蚀性能，且所得合金材料经过200次试验，其表面裂纹率仅为0.6％。
实施例2
一种高锰奥氏体型耐热钢合金材料，以重量百分比计，所述材料的元素组成为：
C：0.15％、Cr：22.00％、Si：1.50％、Mn：14.50％、Ni：3.50％、N：0.18％、余量为Fe和不可避免的杂质。其中，所述杂质以重量百分比计，为：P：0.005％、S：0.005％、B：0.011％、Cu：0.08％。
上述合金材料的制备方法参照实施例1，该合金材料经力学性能试验，结果为：屈服强度Rp0.2为532Mpa、抗拉强度Rm为903Mpa、伸长率A为49％、断面收缩率Z为68％。
上述合金材料具有稳定的奥氏体型，该合金材料具有优异的耐酸、碱腐蚀的性能和耐氯离子腐蚀性能，且所得合金材料经过500次试验，其表面裂纹率仅为0.2％。
实施例3
一种高锰奥氏体型耐热钢合金材料，以重量百分比计，所述材料的元素组成为：
C：0.14％、Cr：21.00％、Si：1.35％、Mn：16.50％、Ni：5.00％、N：0.20％、余量为Fe和不可避免的杂质。其中，所述杂质以重量百分比计，为：P：0.019％、S：0.012％、B：0.013％、Cu：0.09％。
上述合金材料的制备方法参照实施例1，该合金材料经力学性能试验，结果为：屈服强度Rp0.2为498Mpa、抗拉强度Rm为897Mpa、伸长率A为46％、断面收缩率Z为66％。
上述合金材料具有稳定的奥氏体型，该合金材料具有优异的耐酸、碱腐蚀的性能和耐氯离子腐蚀性能，且所得合金材料经过300次试验，其表面裂纹率仅为0.4％。