[发明专利]超高锰合金耐磨钢

说明书

本发明涉及一种耐磨铸钢的组成及其热处理工艺，尤其是指超高锰合金耐磨钢。

在背景技术中，用于受冲击载荷较大的耐磨件，如火力发电厂磨煤用风扇磨的冲击板、护勾、护甲和破碎机的板锤、锤头、齿板等，其它水泥、矿山等行业的破碎、粉磨设备上类似工况的耐磨件，至今仍使用高锰钢ZGMn13，这种高锰钢是英国人哈特菲尔德(Hadfield)于1882年发明的，其主要化学成分为锰Mn：10～14％，碳C：0.9～1.4％，硅Si：0.30～0.80％，磷P：＜0.09％，硫S：＜0.05％，余为铁Fe。这种钢经水韧处理后(处理温度Acm以上，约1050～1100℃)，其组织为单的奥氏体A，具有良好的韧性，其冲击韧性α_k≥147J/cm²，原始硬度并不高，布氏硬度HB≤229(可参阅GB5680-85)，但因其层错能较低，在冲击载荷较大的情况下易发生加工硬化，表面硬度可达HB450以上，具有优良的冲击耐磨性，至今象风扇磨冲击板等受冲击较大的耐磨件多用这种ZGMn13钢，但是多年来的实践表明，这种钢用于风扇式磨煤机的冲击板，因煤粒的冲击力较小而不能使其表面发生满意的加工硬化，使用后表面硬度＜HB350，不能发挥耐磨性潜力，因而使用寿命较短，如陕西省略阳发电厂风扇式磨煤机的冲击板，使用寿命仅500小时左右，造成设备检修频繁，金属材料大量浪费，既影响电厂的正常运行和发电，又使发电成本增加。国外对冲击板的材料选用依次为：高锰钢ZGMn13、低锰钢、高碳铸钢和低碳钢板。在国内，原水利电力部曾于1983年～1985年在山西省侯马电厂和安徽省325电厂进行ZGMn13、ZGMn6Cr₂、ZGMn13VTiMo、30SiMnCrMoV(精铸)、高铬铸铁-低碳钢复合、高铬铸铁镶铸等六种材料冲击板的对比试验，结果是高铬铸铁复合及镶铸冲击板取得了较好的效果，使用寿命是ZGMn13冲击板的1.5～3倍，但是因其制造工艺复杂，成本太高，质量难以控制，复合层结合的强度和结构存在一定的问题，在工作使用过程中，偶有断板飞车事故发生，而未能推广应用。申请人在1972年至1984年间，与陕西省略阳发电厂等单位合作，在风扇磨冲击板上试验过ZGMn13、ZG41Mn₂SiRe、ZG50Mn₂、ZG35Cr₂ MnMoTiB、ZG50CrSiMoV、ZGMn6Mo1、ZG2Mn10Ti、高铬铸铁复合材料等十几种材料，均未取得明显效果，使用寿命始终在500～600小时，最后电厂从经济上考虑选用ZG50Mn工作冲击板材料，近年来由于加强了管理和设备改进，冲击板的使用寿命可达600～700小时，但仍不能满足生产的需要和材料消耗的降低，此处ZG50Mn₂韧性差(α_k≈20J/cm²)，经常发生断板飞车事故，既给安全生产带来很大威胁，又造成很大经济损失，飞车一次直接损失约5万元以上。    

本发明的目的是为了克服上述背景技术中的不足之处，研制出超高锰合金耐磨钢，通过最佳组成配比和热处理，使其金相组织为在奥氏体A的基体上，弥散地分布着大量碳(氮)化物，保持较高韧性并提高强度，提高加工硬化能力，从而提高耐磨性，延长工件使用寿命，并获得突出的经济效益。

本发明的技术解决内容如下：

申请人对万能耐磨材质ZGMn13的应用作了全面的分析，其硬化机理主要是形成位错的大量堆积缠结和形成弯晶等，但未见有形变马氏体的形成，以往科技人员有这样的偏见，为了得到形变马氏体组织，在ZGMn13的基础上，减低锰Mn含量至7～9％，以降低奥氏体A稳定性，提高马氏体M转变温度Ms点(以期望在使用过程中、组织中形成应变马氏体而增加硬度)，提高碳(氮)化合物在奥氏体A析出的能力，从而提高加工硬化能力和耐磨性，  但在实践中，仍是因冲击力小，加工硬化能力达不到产生应变马氏体组织，耐磨性还是不理想。申请人在此研究的基础上，打破常规，提高含锰量至16～22％，扩大奥氏体区，更稳定奥氏体，提高奥氏体的溶解度，溶解更多的其它合金元素，适当提高碳含量，以促使更多的碳(氮)化合物的形成，用稀土元素作变质处理以细化晶粒、去气和改善夹杂物的形态和分布，提高冶金质量，并通过热处理获得奥氏体基体上弥散分布颗粒状碳(氮)化合物硬质点(HV1200～1800)的组织，组织中的硬质点可阻碍位错的滑移，形成更多的位错缠结，从而提高材料的加工硬化能力，同时组织中高硬度的质点可提高材料的耐磨性。