专利名称：耐磨钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种耐磨钢，尤其是含氮的锰系耐磨钢。
冶金矿山、建材、火电等许多工业生产部门中有大量原材料需经球磨机进行粉磨。球磨机衬板是消耗量很大的易损件，每年消耗几十万吨。通常球磨机衬板采用Mn13钢制造。Mn13钢是一个传统的应用广泛的耐磨钢，这种钢的锰含量高，其化学成分为C0.90～1.50%，Mn11.0～14.0%，Si0.30～1.0%，P≤0.09%，S≤0.05%。此种钢铸造以后经水韧处理后使用，要求其组织为单一奥氏体。在强冲击载荷作用下，Mn13钢工件表面发生冷态下塑性变形，钢中位错密度大量增加，出现位错塞积和缠结，并有形变孪晶出现。由于这些原因造成材料的加工硬化。奥氏体的初始硬度为HB190～230，加工硬化层硬度可达到HB500～800，硬化层厚度可达几毫米到十几毫米。这些特性使Mn13钢工件在破碎机、挖掘机和粉磨硬物料的大型球磨机上是很适用的。但是在中、低冲击的工况条件下，由于冲击载荷小，工件表面材料的加工硬化程度低，表面硬度常低于HB300～350，硬化层也很浅，耐磨性显得严重不足。而且Mn13钢由于钢中锰、碳含量高，奥氏体稳定性高，形变时很难出现ε’马氏体(即形变诱发的密排六方马氏体)，更难或根本不出现α’马氏体(即形变诱发的体心正方马氏体)，即马氏体的形成在加工硬化过程中只占有很小的比重，这大大降低了加工硬化的速度，硬度提高的程度也低。
为此工业界针对中小冲击负荷条件进行了提高耐磨性，开发新材料的研究。实验证明，降低奥氏体锰钢中的锰、碳含量，降低奥氏体的稳定性，形变时可以促进马氏体的转变，增加钢的强化能力，使钢除了由于位错和形变孪晶的作用之外，由于相变的结果提高了加工硬化速度和明显提高硬度。因此出现了一些较低锰碳含量的钢种，如美国的Mn8Mo、低碳Mn13Mo等钢种。但是含钼的钢种成本很高，而且耐磨性并没有大幅度的提高，不能大量推广使用。苏联专利SU1650756公开了一种耐磨钢，其主要成分为C0.6～0.8%，Mn0.7～1.7%，Cr1.3～1.6%，V1.1～1.5%，Nb0.6～0.9%，Co0.3～0.7%，在钢中使用了较钼更贵的钒、铌、钴等合金元素且含量较高，成本很高，且非奥氏体组织，不能保证工件的冲击韧性。中国专利87100948公开了一种用于制造研磨、破碎设备易磨损件的低锰耐磨钢，其主要化学成分为C0.37～0.52%，Mn0.9～2.0%，Si0.17～0.37%。这类中碳低合金钢是马氏体型钢，韧性差，抗冲击载荷能力低，且热处理工艺复杂，容易出现裂纹。
本发明目的就是要提供一种加工硬化性能好，既耐磨又有较高的冲击韧性和强度，而且生产工艺简单成本低的新钢种。
为了实现上述目的，提出了一种耐磨钢的发明，这种钢的主要特征是含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%。
根据对Mn13钢衬板的失效分析结果，要求新材料必须是奥氏体钢，应有好的塑性、韧性及较高的强度、较高的初始硬度及好的加工硬化能力，而且生产成本不应增加。所以本发明采用中等含量的锰，用铬和氮作为强化和提高加工硬化能力和耐磨性的合金元素。各成分含量的确定是基于以下考虑。
碳在锰钢中是促进奥氏体组织形成的元素，碳的固溶强化作用使钢的强度和初始硬度提高，从而提高钢的耐磨性。但碳含量超过1.20%以后会降低钢的韧性，另一方面高含量的碳使奥氏体稳定性增加并且提高奥氏体的层错能，对钢的加工硬化性能不利。高的碳含量也使水韧处理时得到单相奥氏体组织变得困难，高碳含量使ε’马氏体难以形成，α’马氏体更难形成。这些均不利于提高耐磨性。因此碳含量不能太高，以1.00～1.20%为宜。
锰是稳定奥氏体的元素，降低锰含量有利于α’马氏体的形成，对加工硬化，提高硬度和耐磨性均有利。但锰不可降得过低，否则钢的强度和塑、韧性降低过多。由于氮在锰中溶解度较在铁中高，为充分利用氮的作用，锰含量也不可过低。综合考虑各种因素的影响，确定锰含量为7.00～8.00%。
本发明中氮是合金元素，其含量虽少但作用很重要。氮的主要作用是细化晶粒、固溶强化、提高强度和冲击韧性。氮有利于层错、形变孪晶、α’马氏体和ε’马氏体的形成，从而提高加工硬化能力和耐磨性。根据实验，氮的含量在0.10～0.15%范围内是合适的。
铬是奥氏体锰钢中最常用的合金元素，铬经过固溶处理后固溶于奥氏体中，增加钢的强度。钢中加入少量铬可以弥补由于锰含量降低引起的强度性能的下降，使钢的强度保持在较高的水平。此外铬降低层错能，有利于层错、形变孪晶、α’马氏体和ε’马氏体的形成，有利于提高加工硬化能力和耐磨性。本发明中铬含量为2.00～3.00%。
本发明中其它成分均控制在常规范围内。如硅为0.50～1.00%，有害成分P≤0.09%、S≤0.05%。
本发明耐磨钢的冶炼、浇注与常规的Mn13相同，但由于本发明中钢的锰含量较Mn13明显降低且含有铬，铸态下组织中容易形成较多的碳化物。因此固溶处理(即水韧处理)的温度要适当提高，其下限温度不低于1100℃，以1100～1130℃为宜，较Mn13钢的处理温度提高20～30℃。
由于本发明耐磨钢的冶炼、铸造、热处理工艺简单，且本发明耐磨钢的合金元素含量低，因此成本低(原材料中的铬铁为高碳铬铁，其价格和锰铁基本一样)，可以广泛地应用于中低冲击磨损负荷工况条件的易耗件的生产，有良好的工业应用前景和高的经济价值。
根据试验结果，本发明耐磨钢的最佳成分范围为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%。生产上述成分的耐磨钢可在最常用的碱性电弧炉或感应电炉中冶炼。钢水用铝进行终脱氧，铝的加入量为钢水重量的0.10～0.15%。铸件经水韧处理后使用。
经测试，本发明耐磨钢的机械性能如下σ0.2(MPa) σb(MPa) δ(%) ak(J/cm2)450～460 600～700 13～16 100～110可见新材料的σ0.2超过Mn13的水平(300MPa)，σb相当于Mn13的水平(650MPa)，冲击韧性和塑性指标也都很高，能满足工业应用的需要。特别是新材料在中、低冲击磨料磨损工况条件下加工硬化性能很好，加工硬化速度快、硬化程度高，工作表面硬度可达到HV1070，大大超过相同条件下Mn13的耐磨性，在模拟球磨机的冲击磨料磨损条件下，其磨损失重为0.38395g，而Mn13的磨损失重为0.67266g，耐磨性提高了75%。
权利要求
1.一种耐磨钢，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.如权利要求1所述的耐磨钢。其特征在于各组分的最佳范围为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
本发明公开了一种新的耐磨钢，其化学成分为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％。用这种钢制成的工件具有良好的强度、塑性和冲击韧性，在中、低冲击负荷的工况条件下，具有良好的加工硬化性能，耐磨性能超过用传统的Mn13制作的工件。这种钢的冶炼、铸造和热处理工艺简单，而且合金元素含量低，成本也较低，有很好的工业应用前景和经济价值。
文档编号C22C38/38GK1099810SQ9311760
公开日1995年3月8日 申请日期1993年9月11日 优先权日1993年9月11日
发明者陈希杰, 张钊, 陈韶春 申请人:武汉钢铁(集团)公司, 北京科技大学