[发明专利]一种具有显著加工硬化能力的高硅奥氏体高锰钢

说明书

技术领域

本发明涉及高锰钢领域，具体涉及一种高硅含量奥氏体高锰钢及其制备方法。用该方法制备的奥氏体高锰钢具有屈服强度高，初次使用过程中不易产生较大变形，中低应力下加工硬化能力强的优点。

背景技术

磨损是机器最常见也是最大量的一种失效方式，据统计约60～80％的机械零件的失效由磨损引起。因而提高材料的耐磨性将能有效地节约材料，提高机器装备的使用性能和使用寿命，减少维修费用，这对于国民经济的发展具有重大意义。高锰钢(1.0～1.4％C，11～14％Mn)拥有显著的加工硬化能力和高的冲击韧性，在抵抗强冲击、大压力作用下的磨料磨损或凿削磨损方面具有其他材料难以比拟的耐磨性能。自英国人Hadfield于1882年发明以来，它就一直广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路、电力、煤炭等机械装备中。然而大量的试验和工程应用表明，高锰钢只有在高应力下才能发生显著的加工硬化，而对耐磨件服役条件而言，高应力工况不足5％，绝大部分都是在中低应力状态下工作。同时，高锰钢使用状态的组织为水韧处理后的单相奥氏体，屈服强度低，故在初次使用时易于产生严重的变形，造成较大的磨损，甚至使设备的功能丧失。因此普通高锰钢的应用领域受到限制。

目前，主要通过合金化及沉淀强化来提高普通高锰钢的屈服强度。Cr和Mo是国内外高锰钢中应用最广泛的元素，如我国的ZGMn13-4及ASTM中的C钢都含有2％左右的Cr，ZGMn13-5及ASTM中的E-1钢中含有1％左右的Mo。沉淀强化主要在加入Ti、V、Mo和Nb等强碳化物形成元素的基础上，再通过长时间的时效在奥氏体基体上弥散析出稳定的、难以分解的碳化物，如MoC，VC，V₄C₃以及Ti/NbC。这些方法的最大问题是显著增加了合金的成本，同时还恶化了合金的韧性，因此并未获得广泛应用。为了克服高锰钢在低应力条件下加工硬化能力差的问题，目前主要通过降低传统高锰钢中的Mn含量和碳含量，获得中锰钢，使传统稳定的奥氏体变成介稳的奥氏体，使其在中低应力条件下发生奥氏体γ→α′马氏体转变，促进加工硬化能力和抗磨性的提高。但中锰钢的韧性储备远低于高锰钢，同时高碳的α′马氏体韧性差，因此不宜在高应力条件下服役，中应力条件下也得慎用，仅适用于低应力下的抗磨件。因此提高高锰钢的屈服强度，降低其在使用过程中的变形和提高其在中低应力下服役的耐磨性，以及明确高锰钢异常加工硬化的主要机制，仍是高锰钢应用中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是针对已有技术存在的问题，提供一种屈服强度高，使用过程中不易于产生较大变形，中低应力下加工硬化能力强的高硅含量高锰钢及其制备方法。

在总结分析国内外研究成果的基础上，我们认为高锰钢的异常加工硬化的主要机制是孪晶变形后导致的伪孪晶的形成，较低的层错能和高含量的间隙原子C是伪孪晶形成的两个关键因素。因此在保证足够间隙原子数量的同时，进一步降低高锰钢的层错能SFE，降低孪晶/应力ε马氏体转变发生的临界应力，促进孪晶/应力ε马氏体在低应力下迅速转变，从而硬化基体，最终解决高锰钢因屈服强度低导致初次使用时的严重变形，以及中低应力下的加工硬化能力低和耐磨性差的问题。

Si是显著降低奥氏体层错能SFE的元素，在高锰钢中加入更多的Si，将能显著降低合金的SFE，有利于孪晶的发生，甚至应力诱发γ→ε马氏体转变。同时Si能显著强化基体，提高合金的屈服强度(50MPa/1％Si)。然而传统的观点认为高锰钢中的Si含量大于1％后将促进粗大枝晶和碳化物的形成，会降低高锰钢的冲击韧性，因此国内外的标准都规定Si含量必须≤1％。但需要指出的是上述结论是在高碳含量(1.1～1.3％)基础上得出的。在保证足够碳原子数量获得伪孪晶的条件下，降低碳含量，提高Si元素的含量，有望在显著降低合金SFE的同时，又不显著降低合金的塑韧性。

本发明提供的高硅含量高锰钢由以下方法制备。该制备方法是将熔炼获得的以Fe、Mn、Si和C作为主要化学成分的合金，经铸造或锻造或冷轧或热轧或冷拉后，在高于1050℃下保温至少0.5小时后水淬。合金中各元素的重量百分比含量为：C 0.3～1.0％，Mn 13～22％，Si 3～8％。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)合金及其制备的成本低。加入的Si元素价格便宜，而且合金不需要长时间的热处理工序，因而合金及其制备成本便宜。

2)中低应力下能迅速加工硬化，变形小，并且具有优良的力学性能。

附图说明

图1.本发明的一种合金与传统高锰钢的工程应力-应变曲线。