用于高应力凿削磨蚀的合金的制作方法

1.本发明涉及用于高应力凿削磨蚀应用的金属合金，特别是锰钢。
2.本发明主要是针对采矿设备衬板，特别是破碎机衬板而开发的，并且下文将参考本技术进行描述。然而，应了解，本发明不限于此特定使用领域。


背景技术：

3.在整个说明书中对现有技术的任何讨论决不应被视为承认此类现有技术是广为人知的或构成所述领域的公知常识的一部分。
4.锰钢通常由约12重量％锰、1.2重量％碳和其余余量的铁、添加剂和附带杂质构成，并且广泛用于需要高抗冲击性和/或高抗磨损性的应用。锰钢的一个使其特别适用于这些应用的特性是它们在反复承受应力时加工硬化的能力。然而，在此加工硬化工艺期间，锰钢在相对软的状态下经受高水平的应变，并且在实现足够的加工硬化之前，在操作的早期阶段期间可能会经历不期望的变形。
5.一些冶金学家试图通过调整锰钢组成，将更硬的碳化物颗粒引入锰钢的微观结构中来解决这些早期使用的变形。这些组合物通常包括较高碳含量和金属添加剂，以形成碳化物颗粒，例如碳化钒(vc)。然而，这些碳化物颗粒倾向于沿着铁质基体的晶界形成，这明显降低了锰钢的韧度特性。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服或改善现有技术的至少一个缺点，或提供有用的替代方案。
7.根据本发明的第一方面，提供一种具有经热处理的微观结构的锰钢合金，其包含：
8.(a)由以下构成的合金组合物：
9.锰：12到30重量％；
10.碳：1.0到2.0重量％；
11.铬：4.5到7.0重量％；
12.钼：0.0到3.0重量％；和
13.铁和杂质：余量，和
14.(b)奥氏体铁质基体，和
15.(c)在整个所述奥氏体铁质基体中的成型耐火颗粒，使得≥10％的所述成型耐火颗粒位于所述奥氏体铁质基体的晶体内，而不是位于所述晶体之间的晶界处，
16.其中所述成型耐火颗粒是铬、锆、铪、钽、钼和钨中任何一种或多种的碳化物和/或硼化物和/或氮化物的化合物。
17.成型耐火颗粒可在锰钢合金的制造期间通过常规手段例如沉淀形成。
18.在某些实施例中，在制造期间将另外的碳和/或硼和/或氮添加到所述组合物中。在进一步的实施例中，选择添加的碳和/或硼和/或氮的量以促进耐火颗粒的形成。
19.在进一步的实施例中，≥15％、≥20％、≥25％、≥30％、≥35％、≥40％、≥45％、
≥50％、≥55％、≥60％、≥65％、≥70％、≥75％、≥80％、≥85％、≥90％或≥95％的成型耐火颗粒位于所述奥氏体铁质基体的晶体内，而不是位于所述晶体之间的晶界处。
20.在某些实施例中，合金组合物包含在约12重量％与26重量％之间的锰。
21.在进一步的实施例中，合金组合物包含在一定范围内的锰，在所述范围内下限为(wt％)：12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28或29；且上限为(以下限为准)(wt％)：29、28、27、26、25、24、23、22、21、20、19、18、17、16、15、14或13。
22.在某些实施例中，合金组合物包含在约1.25重量％与1.50重量％之间的碳。
23.在进一步的实施例中，合金组合物包含在一定范围内的碳，在所述范围内下限为(wt％)：1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35、1.40、1.45、1.50、1.55、1.60、1.65、1.70、1.75、1.80、1.85、1.90或1.95；且上限为(以下限为准)(wt％)：2.00、1.95、1.90、1.85、1.80、1.75、1.70、1.65、1.60、1.55、1.50、1.45、1.40、1.35、1.30、1.25、1.20、1.15、1.10或1.05。
24.在某些实施例中，合金组合物包含在约5重量％与6重量％之间的铬。
25.在进一步的实施例中，合金组合物包含在一定范围内的铬，在所述范围内下限为(wt％)：4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8或6.9；且上限为(以下限为准)(wt％)：7.0、6.9、6.8、6.7、6.6、6.5、6.4、6.3、6.2、6.1、6.0、5.9、5.8、5.7、5.6、5.5、5.4、5.3、5.2、5.1、5.0、4.9、4.8、4.7或4.6。
26.在某些实施例中，合金组合物包含大于5重量％且小于或等于7重量％的铬。
27.在进一步的实施例中，合金组合物包含铬，其在大于(wt％)4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9或5且上限为(wt％)7.0、6.9、6.8、6.7、6.6、6.5、6.4、6.3、6.2、6.1、6.0、5.9、5.8、5.7、5.6、5.5、5.4、5.3、5.2或5.1的范围内。
28.在某些实施例中，合金组合物包含在约0.5重量％与2.0重量％之间的钼。
29.在进一步的实施例中，合金组合物包含在一定范围内的钼，在所述范围内下限为(wt％)：0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8或2.9；且上限为(以下限为准)(wt％)：3.0、2.9、2.8、2.7、2.6、2.5、2.4、2.3、2.2、2.1、2.0、1.9、1.8、1.7、1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2或0.1。
30.在进一步的实施例中，合金组合物包含钼，其小于、或小于或等于(重量％)：2.9、2.8、2.7、2.6、2.5、2.4、2.3、2.2、2.1、2.0、1.9、1.8、1.7、1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2或0.1。
31.在某些实施例中，≥50％的成型耐火颗粒是碳化铬和/或硼化铬和/或氮化铬。
32.在进一步的实施例中，≥55％、≥55％、≥60％、≥65％、≥70％、≥75％、≥80％、≥85％、≥90％或≥95％的成型耐火颗粒是碳化铬和/或硼化铬和/或氮化铬。
33.在进一步的实施例中，≥50％、≥55％、≥60％、≥65％、≥70％、≥75％、≥80％、≥85％、≥90％或≥95％的成型耐火颗粒是碳化铬。
34.在某些实施例中，杂质包括以下中的一种或多种：
35.硅：≤1.00重量％；
36.硫：≤0.20重量％；
37.镍：≤0.15重量％；
38.硼：≤0.10重量％；
39.钨：≤0.10重量％；
40.磷：≤0.05重量％；
41.铜：≤0.05重量％；
42.钛：≤0.05重量％；和
43.钒：≤0.05重量％。
44.在进一步的实施例中，杂质可以包括硅，其浓度小于或等于(重量％)：0.90、0.80、0.70、0.60、0.50、0.40、0.30、0.20、0.15、0.10、0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04、0.03、0.02或0.01。在进一步的实施例中，杂质可以包括硫，其浓度小于或等于(重量％)：0.15、0.10、0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04、0.03、0.02或0.01。在进一步的实施例中，杂质可以包括镍，其浓度小于或等于(重量％)：0.10、0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04、0.03、0.02或0.01。在进一步的实施例中，杂质可以包括硼和/或钨，其浓度小于或等于(重量％)：0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04、0.03、0.02或0.01。在进一步的实施例中，杂质可以包括磷、铜、钛和/或钒，其浓度小于或等于(重量％)：0.04、0.03、0.02或0.01。
45.在某些实施例中，≤50％的成型耐火颗粒是碳化钼和/或硼化钼和/或氮化钼。
46.在进一步的实施例中，≤45％、≤40％、≤35％、≤30％、≤25％、≤20％、≤15％、≤10％或≤5％的成型耐火颗粒是碳化钼和/或硼化钼和/或氮化钼。
47.在进一步的实施例中，≤45％、≤40％、≤35％、≤30％、≤25％、≤20％、≤15％、≤10％或≤5％的成型耐火颗粒是碳化钼。
48.在某些实施例中，成型耐火颗粒是铬的碳化物和/或硼化物和/或氮化物以及锆、铪、钽、钼和钨中任何一种或多种的化合物。
49.在某些实施例中，锰钢合金包含≤10重量％的锆、铪、钽和钨的碳化物和/或硼化物和/或氮化物。在进一步的实施例中，锰钢合金包含≤9重量％、≤8重量％、≤7重量％、≤6重量％、≤5重量％、≤4重量％、≤3重量％、≤2重量％、≤1.5重量％、≤1重量％、≤0.9重量％、≤0.8重量％、≤0.7重量％、≤0.6重量％、≤0.5重量％、≤0.4重量％、≤0.3重量％、≤0.2重量％或≤0.1重量％的锆、铪、钽和钨的碳化物和/或硼化物和/或氮化物。
50.在某些实施例中，所述合金组合物碳是基于锰的浓度来选择以控制所述微观结构的特性，包括以下中的一种或多种：
51.·
提高成型耐火颗粒在整个所述奥氏体铁质基体中形成而不是位于晶界处的比率；
52.·
降低成型耐火颗粒在所述奥氏体铁质基体的晶界处形成的比率；
53.·
提高成型耐火颗粒形成光滑表面的比率；
54.·
降低成型耐火颗粒形成粗糙表面的比率；和/或
55.·
降低在所述奥氏体铁质基体内的晶粒生长速率。
56.在某些实施例中，所形成的碳化物包含最多1.0重量％的碳化钛、碳化铌和/或碳化钒。
57.在进一步的实施例中，所形成的碳化物包含最多0.9重量％、0.8重量％、0.7重量％、0.6重量％、0.5重量％、0.4重量％、0.3重量％、0.2重量％或0.1重量％的碳化钛、碳
化铌和/或碳化钒。
58.在某些实施例中，锰钢合金是铸造合金。
59.在某些实施例中，锰钢合金是通过溶液处理和淬火进行热处理的铸件。
60.在某些实施例中，溶液处理在介于约1000℃与1250℃之间的温度下进行。
61.在进一步的实施例中，溶液处理在介于约以下之间的温度下进行：1050℃与1250℃；1100℃与1250℃；1100℃与1200℃；或1150℃与1200℃。
62.在某些实施例中，溶液处理在高于约1050℃的温度下进行。
63.在某些实施例中，溶液处理在高于约1150℃的温度下进行。
64.在进一步的实施例中，溶液处理在高于以下的温度下进行：1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃、1110℃、1120℃、1130℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃或1200℃。
65.在某些实施例中，溶液处理在约1170℃的温度下进行。
66.在进一步的实施例中，溶液处理在约以下的温度下进行：1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃、1110℃、1120℃、1130℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃或1200℃。
67.在某些实施例中，淬火是用水进行的。
68.在进一步的实施例中，淬火是用油或盐水进行的。
69.在某些实施例中，锰钢合金是变形合金。
70.根据本发明的第二方面，提供了适用于高应力凿削磨蚀的包括本发明的锰钢合金的设备。
71.在某些实施例中，所述设备是选自圆锥破碎机衬板、回转破碎机衬板、颚式破碎机衬板、冲击破碎机衬板、磨机衬板和采矿行业中使用的其它衬板的衬板，或用于破碎机系统和磨机系统中的磨损部件。
72.根据本发明的第三方面，提供了一种生产本发明的锰钢合金的方法，其包含以下步骤：
73.(a)形成锰钢的熔体，其包含将组合物加热到铸造温度，所述组合物包含：
74.锰：12到30重量％；
75.碳：1.0到2.0重量％；
76.铬：4.5到7.0重量％；
77.钼：0.0到3.0重量％；和
78.铁和杂质：余量，和
79.(b)将所述熔体倒入模具中以形成所述铸件；
80.(c)使所述铸件冷却到室温；
81.(d)将所述铸件加热到溶液处理温度；以及
82.(e)将所述铸件淬火。
83.在某些实施例中，铸造温度在约1350℃与1450℃之间。
84.在进一步的实施例中，铸造温度在约以下之间：1350℃与1400℃；1350℃与1390℃；1360℃与1390℃；1360℃与1380℃；或1370℃与1380℃。
85.在某些实施例中，铸造温度在锰钢熔体的液相线温度的30℃内。
86.在进一步的实施例中，铸造温度在锰钢熔体的液相线温度的20℃、10℃或5℃内。
87.在某些实施例中，溶液处理温度在约1000℃与1250℃之间。
88.在进一步的实施例中，溶液处理温度在约以下之间：1050℃与1250℃；1100℃与1250℃；1100℃与1200℃；或1150℃与1200℃。
89.在某些实施例中，溶液处理温度高于约1050℃。
90.在某些实施例中，溶液处理温度高于约1150℃。
91.在进一步的实施例中，溶液处理温度高于约：1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃、1110℃、1120℃、1130℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃或1200℃。
92.在某些实施例中，溶液处理温度为约1170℃。
93.在进一步的实施例中，溶液处理在约以下的温度下进行：1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃、1110℃、1120℃、1130℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃或1200℃。
94.在某些实施例中，淬火是用水进行的。
95.在进一步的实施例中，淬火是用油或盐水进行的。
96.当结合附图考虑时，根据下面的具体实施方式，其它方面、特征和优点将变得显而易见，所述附图是本公开的一部分并且以举例的方式示出了各种实施例的原理。
附图说明
97.现在将参考附图，仅以举例的方式描述本发明的优选实施例，在所述附图中：
98.图1绘示出本发明的示例锰钢铸件的微观结构，示出了细小的富cr碳化物颗粒的分散情况；以及
99.图2绘示出在本发明的两个示例锰钢铸件与两个常规锰钢之间随着冷轧程度的增加而产生的体硬度的比较。
具体实施方式
100.以下实施例仅以举例的方式描述，以便提供对本发明的某些方面的更详细理解。应理解，涵盖其它实施例，并且不预期所公开的发明限于以下描述。具体地说，尽管以下实例已涉及具有碳化物耐火颗粒的锰钢铸件，但应了解，用替代方法产生的锰钢可展示出类似特性，例如具有硼化物耐火颗粒的变形锰钢。
101.本发明人已进行与本发明的锰钢铸件有关的广泛实验工作，以确定组成浓度的限值，使所寻求的碳化物结构能够分散在整个奥氏体铁质基体，而不是碳化物聚集在晶界处。此外，本发明人进一步研究了不同的生产方法变量，以便最大限度地增加分散的碳化物且最大限度地减少晶界处的碳化物，特别是关于钢的热处理。
102.本发明人已发现，当与较高比例的碳化物位于晶界处的常规锰钢相比，所产生的碳化物分散在整个基体中的锰钢具有增加的硬度。与常规的锰钢相比，根据本发明的锰钢提供了在晶界处较不容易开裂的其它优点。
103.图1中提供了本发明的示例锰钢铸件的所产生微观结构，绘示出细小的富cr碳化物颗粒的分散情况。
104.锰钢铸件的最宽组成浓度范围包括：
105.锰：12到30重量％；
106.碳：1.0到2.0重量％；
107.铬：4.5到7.0重量％；和
108.铁和杂质：余量。
109.此锰钢还可包括少量的钼，已知钼会在制造工艺期间抑制珠光体形成。锰钢中珠光体的形成是不合需要的，因为它导致了更脆的合金。特定地说，本发明人已提议添加浓度小于3重量％，优选在约0.5与2.0重量％之间的钼。
110.在特定实施例中，本发明人寻求增强锰钢铸件的初始硬度，同时还维持常规锰钢通常具有的高韧度和加工硬化能力。在这方面，本发明人追求锰含量高于常规锰钢的组合物，并且相应地调整碳和铬含量以满足所寻求的特性。在此过程中，本发明人进一步发现，碳和铬含量可以被优化以提供对锰钢的微观结构的更大控制，特别是为了：
111.·
促进碳化物颗粒在整个铁质基体中形成(而不是位于晶界处)；
112.·
产生更光滑的碳化物颗粒(相对于常规锰钢中形成的更粗糙的碳化物颗粒)；以及
113.·
控制铁质基体的粒度。
114.实例
115.两个示例锰钢铸件根据本发明制备并且指定为h8765st和h8766st。这些样品的化学组成在表1下提供。这些铸件在约1370-1450℃(h8765st约1370℃，h8766st约1450℃)下浇注并模制，并且使其冷却。应注意，在此冷却过程期间，在整个合金结构中形成碳化物颗粒，包括铁质基体中的分散颗粒和晶界处的颗粒。
116.然后，本发明的铸件在约1150-1180℃的温度下进行溶液处理，并立即在水中淬火。所选溶液处理温度范围相对于常规溶液处理温度升高，是由本发明人通过实验过程选择的。特定地说，本发明人发现，升高的溶液处理温度在溶液处理期间促进了晶界碳化物的溶解；然而，本发明人还观察到，升高的温度造成晶界变化，引起晶粒生长，特别是不期望的粗晶粒生长。因此，进一步鉴于合金组成和基体结构，选择特定温度范围，从而最大限度地提高分散在整个铁质基体中的离散细粒碳化物颗粒，且最大限度地减少晶界碳化物。
117.表1进一步详述了常规锰钢的两个比较样品的化学组成。
118.表1：样品的化学组成
[0119][0120]
测试样品的初始硬度(在热处理之后)并经受冷轧，以比较其在应变后的体硬度。此过程有效地模拟可以通过对样品进行加工硬化来实现的增加的硬度。
[0121]
图2所示的这些冷轧测试的结果证实，与比较样品相比，根据本发明产生的锰钢具有增加的初始硬度(热处理后)，并且能够以与比较样品相似的速率进行加工硬化，如表2中
详述的提取点所证明：
[0122]
表2：样品的冷轧硬度
[0123][0124]
在本说明书和随附的权利要求书中，单数形式“一(a/an)”和“所述”包括复数指代物，除非上下文另有明确说明。
[0125]
术语“杂质(impurity/impurities)”已在整个说明书和权利要求书中用于指在合金组合物中未明确定义的任何组成元素。这可包括有意组成添加剂和/或来自制造的无意组成污染物。
[0126]
此外，除非上下文明确要求，否则在整个描述和权利要求书中，词语“包含(comprise/comprising)”等应被解释为具有包容性意义，而非具有排他性或详尽意义；也就是说，在“包括但不限于”意义上。
[0127]
范围在本文中可以表示为从“约”或“大约”一个特定值和/或到“约”或“大约”另一个特定值。当表达此范围时，其它示例实施例包括从一个特定值和/或到另一个特定值，或到所述两个值之间的任何单数值或值范围。此外，范围在本文中可以表达为“大于”、“大于或等于”、“小于”、“小于或等于”特定值。当表达此类范围时，其它示例实施例包括位于初始值范围内的任何单数值或子集值范围。
[0128]
尽管已参考特定实施例描述本发明，但所属领域的技术人员将理解，本发明可以许多其它形式体现。例如，应了解，在不脱离本发明的范围的情况下，本领域的技术人员将显而易见许多组合、改变、修改、变化和取代，并且本技术旨在涵盖所有此类组合、改变、修改、变化和取代。此外，其中提及具有本发明所涉领域的已知等同物的特定整数，此类已知等同物被视为并入本文中，如同单独阐述。