稀土硼微合金化高锰钢 【技术领域】
本发明属于金属材料技术领域，特别涉及一种稀土硼微合金化高锰钢。
背景技术
目前，我国每年消耗金属耐磨材料300万吨以上，其中高锰钢占很大比例。在冶金矿山、建材、工程机械、铁道运输等工业部门仍大量使用高锰钢。但现有的高锰钢在小冲击、低应力条件下不能充分加工硬化，而在高冲击条件下耐磨性低。
【发明内容】
针对现有高锰钢存在的问题，本发明提供一种稀土硼微合金化高锰钢。
本发明的高锰钢为含稀土、硼等元素的多元合金钢，其组成按质量百分比为：C 0.9～1.6，Mn 13～30，B 0.0005～0.02，Re 0.01～0.05，Si 0.3～1.0，S＜0.04，P＜0.07，余量为Fe。
本发明的稀土硼微合金化高锰钢还可以含有下列合金元素，其化学成分(质量％)为：Cr＜3，Mo＜2，Ni＜1，Cu＜1，V+Ti+Nb+Zr+N+Al+Ca＜2。
本发明主要化学成分选择依据是：
(1)碳：C在高锰钢中有两个作用，一是促使形成单相奥氏体组织，二是固溶强化，以获得高的力学性能。
(2)锰：Mn是稳定奥氏体的主要元素，在钢中有扩大奥氏体相区的作用。Mn在钢中大部分固溶于奥氏体中，形成代位式固溶体，使基体得到强化；但是由于Mn原子半径与Fe原子半径差别不大，因此强化作用较小。
(3)铬：Cr原子与Fe半径非常接近，可以形成连续固溶体，Cr溶于奥氏体后，可提高钢的屈服强度，但使延伸率有所降低。
(4)钼：Mo在奥氏体钢冷凝时，部分固溶于奥氏体中，部分分布在碳化物中，Mo在显著提高钢的屈服强度的同时，韧性不降低，甚至还有提高。
(5)镍：Ni固溶于高锰钢奥氏体中，对奥氏体的稳定性有重要作用，而且改善钢的低温韧性；在300～500℃间能抑制针状碳化物析出。镍对提高力学性能，改善工艺性能有显著的效果。
(6)铜：Cu在钢中产生析出强化作用，能提高钢的耐蚀性能。
(7)硼：B是表面活性元素，富集于奥氏体晶界处，主要存在于晶体缺陷位置。B使钢的密度提高。B在脱氧程度低的钢中可以起辅助脱氧作用。在一定加入量内，可以使冲击韧性提高，在低冲击磨料磨损条件下，硼含量较高时，可以提高耐磨性。
(8)稀土元素：Re在炼钢中起脱硫、去气、净化钢液的作用。在高锰钢中，Re和C之间可以形成RC、RC2、R2C3等几种类型的碳化物，熔点在2000℃以上，凝固过程中，作为弥散性的结晶核心，细化高锰钢的组织，使晶内碳化物形状由针状转向块状，晶界碳化物转向不连续的团块状。加入Re后，使高锰钢的强度、韧性、加工硬化能力都有提高，因而显著提高了耐磨性。
(9)钒：V在高锰钢中部分固溶于基体，其余以碳化物存在，V能有效地细化晶粒，增加碳化物硬质点，使高锰钢屈服强度显著提高，但塑性下降。
(10)钛：Ti能有效地细化晶粒。钛和钒同时加入高锰钢时，耐磨性有较大幅度提高。
(11)锆：Zr在奥氏体中溶解度很小，Zr和氧、硫、氮、氢地结合能力均很强，在钢中有脱氧、脱硫、去氢、去氮的作用。Zr是很强的碳化物形成元素，可以形成高熔点(3530℃)的ZrC。锆的高熔点化合物可以作为结晶核心，起细化结晶组织的作用。
(12)铌：Nb在钢中作用与V、Ti、Zr类似。Nb与C、N、O有很强的亲和力，形成碳化铌，实际钢中存在的是Nb4C3。钢中加Nb后可细化晶粒，Nb使高锰钢的强度性能明显增加，屈服强度提高近1倍。在受到冲击负荷时，钢的强化速度提高很快，因而很耐磨。
(13)氮：N溶于奥氏体中形成间隙式固溶体，使钢得到强化。N也与V、Ti、Cr、Al等都有很强的亲和力，高温反应生成的化合物熔点高，且晶体结构、点阵常数和奥氏体类似或相近，其化合物极易在钢中形成结晶核心，起到细化晶粒的作用。
(14)铝：Al的脱氧能力很强，高锰钢中的铝是作为脱氧剂加入的，当钢中磷含量较高时，提高铝含量能减少磷的有害作用。但是，Al降低高锰钢的冲击韧性。
(15)硅：Si通常不作为合金元素加入，在常规含量范围内起辅助脱氧作用，其含量小于1％时对力学性能无明显影响。
(16)钙：Ca是造渣材料带入而残留钢中的，其含量微小，对力学性能无影响。
(17)磷：P在高锰钢中是有害元素，必须严格控制其含量。
(18)硫：S在高锰钢中与Mn结合生成高熔点硫化锰，且硫化锰大部分进入熔渣之中，钢中残留硫量很低。
本发明的工艺流程为：配料——熔炼——出钢——加变质剂——浇注。
炉料由炼钢生铁、废钢和铁合金组成。在生产中硼铁合金最好用含硼生铁代替，这样使含硼生铁中的硼得到合理利用，又能降低高锰钢的成本。熔炼炉采用三相电弧炉或碱性中频感应电炉，根据炉中各元素的烧损情况，调整炉料组成，要求出钢温度≥1550℃，变质剂采用稀土硅铁合金，其组成按质量百分比为：Re24～30％，Si30～40％，余量为Fe。浇注温度为1400～1480℃。
本发明充分发挥了高锰钢碳、锰含量高，有加工硬化的特点，同时加入其它多种合金元素，分别有固熔强化、沉淀强化等效果。通过实验证明用本发明的稀土硼微合金化高锰钢生产鄂式破碎机的鄂板，破碎铁合金时，耐磨性比现有的高锰钢提高50％以上；用本发明高锰钢生产φ2.7m×2.1m镍矿球磨机衬板使用寿命超过2年，其耐磨性比普通高锰钢提高1倍以上。
【具体实施方式】
例1：鄂式破碎机鄂板用的高锰钢
其组成按质量百分比为：C 1.01，Si 0.69，Mn 13.13，P 0.034，S 0.02，Cr 1.07，B 0.0008，Re 0.02，余量为Fe。
其制备方法按前述方法操作，制备的高锰钢水韧处理后的力学性能：HB＝205，aK＝141J/cm2。
例2：球磨机衬板用高锰钢
其组成按重量百分比为：C 1.58，Si 0.77，Mn 18.57，P 0.04，S 0.03，Cr 2.57，B 0.005，Re 0.015，微量元素还有Nb，Al，Ca，余量为Fe。
其工艺过程依前述方法操作，制备的高锰钢经水韧处理后的力学性能：HB＝230，aK＝150J/cm2。