一種具有顯著加工硬化能力的高矽奧氏體高錳鋼的製作方法

2023-05-07 14:08:36

專利名稱：：一種具有顯著加工硬化能力的高矽奧氏體高錳鋼的製作方法
技術領域：
：本發明涉及高錳鋼領域，具體涉及一種高矽含量奧氏體高錳鋼及其製備方法。用該方法製備的奧氏體高錳鋼具有屈服強度高，初次使用過程中不易產生較大變形，中低應力下加工硬化能力強的優點。
背景技術：
：磨損是機器最常見也是最大量的一種失效方式，據統計約60~80%的機械零件的失效由磨損引起。因而提高材料的耐磨性將能有效地節約材料，提高機器裝備的使用性能和使用壽命，減少維修費用，這對於國民經濟的發展具有重大意義。高錳鋼(1.0~1.4%C，ll14%Mn)擁有顯著的加工硬化能力和高的衝擊韌性，在抵抗強衝擊、大壓力作用下的磨料磨損或鑿削磨損方面具有其他材料難以比擬的耐磨性能。自英國人Hadfield於1882年發明以來，它就一直廣泛應用於冶金、礦山、建材、鐵路、電力、煤炭等機械裝備中。然而大量的試驗和工程應用表明，高錳鋼只有在高應力下才能發生顯著的加工硬化，而對耐磨件服役條件而言，高應力工況不足5%，絕大部分都是在中低應力狀態下工作。同時，高錳鋼使用狀態的組織為水韌處理後的單相奧氏體，屈服強度低，故在初次使用時易於產生嚴重的變形，造成較大的磨損，甚至使設備的功能喪失。因此普通高錳鋼的應用領域受到限制。目前，主要通過合金化及沉澱強化來提高普通高錳鋼的屈服強度。Cr和Mo是國內外高錳鋼中應用最廣泛的元素，如我國的ZGMnl3-4及ASTM中的C鋼都含有2%左右的Cr，ZGMnl3-5及ASTM中的E-l鋼中含有1%左右的Mo。沉澱強化主要在加入Ti、V、Mo和Nb等強碳化物形成元素的基礎上，再通過長時間的時效在奧氏體基體上彌散析出穩定的、難以分解的碳化物，如MoC，VC，V4C3以及Ti/NbC。這些方法的最大問題是顯著增加了合金的成本，同時還惡化了合金的韌性，因此並未獲得廣泛應用。為了克服高錳鋼在低應力條件下加工硬化能力差的問題，目前主要通過降低傳統高錳鋼中的Mn含量和碳含量，獲得中錳鋼，使傳統穩定的奧氏體變成介穩的奧氏體，使其在中低應力條件下發生奧氏體Y—oc'馬氏體轉變，促進加工硬化能力和抗磨性的提高。但中錳鋼的韌性儲備遠低於高錳鋼，同時高碳的a'馬氏體韌性差，因此不宜在高應力條件下服役，中應力條件下也得慎用，僅適用於低應力下的抗磨件。因此提高高錳鋼的屈服強度，降低其在使用過程中的變形和提高其在中低應力下服役的耐磨性，以及明確高錳鋼異常加工硬化的主要機制，仍是高錳鋼應用中亟待解決的問題。
發明內容本發明的目的就是針對已有技術存在的問題，提供一種屈服強度高，使用過程中不易於產生較大變形，中低應力下加工硬化能力強的高矽含量高錳鋼及其製備方法。在總結分析國內外研究成果的基礎上，我們認為高錳鋼的異常加工硬化的主要機制是孿晶變形後導致的偽孿晶的形成，較低的層錯能和高含量的間隙原子c是偽孿晶形成的兩個關鍵因素。因此在保證足夠間隙原子數量的同時，進一步降低高錳鋼的層錯能SFE，降低孿晶/應力s馬氏體轉變發生的臨界應力，促進孿晶/應力s馬氏體在低應力下迅速轉變，從而硬化基體，最終解決高錳鋼因屈服強度低導致初次使用時的嚴重變形，以及中低應力下的加工硬化能力低和耐磨性差的問題。Si是顯著降低奧氏體層錯能SFE的元素，在高錳鋼中加入更多的Si，將能顯著降低合金的SFE，有利於孿晶的發生，甚至應力誘發Y—s馬氏體轉變。同時Si能顯著強化基體，提高合金的屈服強度(50MPa/l%Si)。然而傳統的觀點認為高錳鋼中的Si含量大於1%後將促進粗大枝晶和碳化物的形成，會降低高錳鋼的衝擊韌性，因此國內外的標準都規定Si含量必須《"/。。但需要指出的是上述結論是在高碳含量(1.11.3%)基礎上得出的。在保證足夠碳原子數量獲得偽孿晶的條件下，降低碳含量，提高Si元素的含量，有望在顯著降低合金SFE的同時，又不顯著降低合金的塑韌性。本發明提供的高矽含量高錳鋼由以下方法製備。該製備方法是將熔煉獲得的以Fe、Mn、Si和C作為主要化學成分的合金，經鑄造或鍛造或冷軋或熱軋或冷拉後，在高於105(TC下保溫至少0.5小時後水淬。合金中各元素的重量百分比含量為C0.31.0%，Mnl3~22%，Si3~8%。與現有技術相比，本發明具有如下優點1)合金及其製備的成本低。加入的Si元素價格便宜，而且合金不需要長時間的熱處理工序，因而合金及其製備成本便宜。2)中低應力下能迅速加工硬化，變形小，並且具有優良的力學性能。圖1.本發明的一種合金與傳統高錳鋼的工程應力一應變曲線。圖2.本發明的一種合金與傳統高錳鋼衝擊變形量和衝擊面硬度的關係。具體實施例方式下面給出實施例，以對本發明作進一步說明。實施例1U將由Fe、Mn、Si和C元素組成的合金鑄造後，鑄錠再經過鍛造成①15的棒材，經1100。C保溫30min水淬後，加工成用於衝擊試驗的①10X10的試樣及10X10X55的U型缺口試樣，以及拉伸的圓形棒材。試樣在50J的低能量衝擊100次後，測量其高度變形量(試樣衝擊前後的高度差與試樣衝擊前高度的比值)和衝擊面的顯微硬度HV。實驗結果為3個試樣的平均值。按同樣的方法製備了傳統高錳鋼作為比較例。合金的化學分析成分和試驗結果見附表。tableseeoriginaldocumentpage5權利要求1、一種中低應力下具有良好加工硬化性能的高矽奧氏體高錳鋼，該合金由Fe、Mn、Si和C元素組成，其特徵在於各元素的重量百分比含量為C0.3～1.0％，Mn13～22％，Si3～7％，其餘為鐵和不可避免的雜質。2、一種製備權利要求1所述的高矽奧氏體高錳鋼的方法，是將熔煉獲得的以Fe、Mn、Si和C作為主要化學成分的合金，經鑄造或鍛造或冷軋或熱軋或冷拉後，在高於105(TC下固溶處理0.52小時後水淬，其特徵在於室溫下的組織由單相的奧氏體組成，各元素的重量百分比含量為C0.3~1.0%，Mnl322%，Si37%，其餘為鐵和不可避免的雜質。3、根據權利要求2所述的高矽奧氏體高錳鋼的製備方法，其特徵在於固溶處理的溫度為U00115(TC，時間為0.51.5小時。4、根據權利要求2所述的高矽奧氏體高錳鋼的製備方法，其特徵在於各元素的重量百分比含量為C0.40.8%，Mn14~18%，Si46%，其餘為鐵和不可避免的雜質。全文摘要本發明提供了一種具有顯著加工硬化能力的高矽奧氏體高錳鋼及其製備方法。該方法是將熔煉獲得的以Fe、Mn、Si和C作為主要化學成分的合金，經鑄造或鍛造或冷軋或熱軋或冷拉後，在高於1050℃下固溶處理0.5～2小時後水淬，其特徵在於室溫下的組織由單相的奧氏體組成，各元素的重量百分比含量為C0.3～1.0％，Mn13～22％，Si3～7％，其餘為鐵和不可避免的雜質。經本發明製備的高矽奧氏體高錳鋼在中低應力下的加工硬化能力比傳統高錳鋼更強，且變形小。文檔編號C22C38/04GK101492785SQ20091005854公開日2009年7月29日申請日期2009年3月9日優先權日2009年3月9日發明者葉建建,彭華備,文玉華,寧李申請人:四川大學