权利要求
1.一种高耐磨导轨用高
锰合金钢，其特征在于，所述高耐磨导轨用高锰合金钢包括基体和基体表面的表面强化层，所述表面强化层的显微组织为晶粒细化的显微组织，以微米级马氏体和贝氏体复合相作为基体相，且在所述基体相内分散有体积百分含量为30-45%的硬质相，所述硬质相包括Ti(C，N)、TiC和TiN中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的高耐磨导轨用高锰合金钢，其特征在于，所述基体的化学组成以质量百分比计为：锰12-14%、碳0.1-0.7%、铬0.5-1.2%、
镍0.01-0.3%、钼0.12-0.15%、
钴0.6-0.8%、S≤0.035%、P≤0.02%，余量为铁和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的高耐磨导轨用高锰合金钢，其特征在于，所述基体和基体表面的表面强化层通过过渡层结合为一体;
优选地，所述表面强化层的厚度为200-300μm;
优选地，所述过渡层的组成为MeN、Mex(CN)y，厚度为3-6μm。
4.根据权利要求1所述的高耐磨导轨用高锰合金钢，其特征在于，淬硬层深度可达200-300μm，晶粒细化为未处理条件下的1-2倍，表面显微硬度和复合硬度可提高2倍，表面硬度在600-1500HV，使用寿命提高80%以上，平均磨损体积损失降低2-4倍，变形量≤0.01mm。
5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的高耐磨导轨用高锰合金钢的制备方法，其特征在于，其包括：采用离子注入方式，先在所述基体表面注入氮、钒离子，然后注入硅离子，最后注入钛离子。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，离子注入前对基体进行清洗处理和预处理;
优选地，清洗处理包括以下步骤：将基体放入纯度为99.9%以上的丙酮溶液中超声清洗两次，每次超声清洗持续10min-20min;
优选地，预处理包括以下步骤：将清洗后的基体放到真空室试样台上，抽真空至真空度为1.0×10-4Pa-1.0×10-3Pa，预热温度为350℃，预热时间为0.5-1h。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，注入氮、钒离子包括以下步骤：所述基体缓慢绕自身轴线匀速旋转的同时，用离子注入机进行氮、钒注入处理，气源采用纯度为99.999%的氮气，氮气注入剂量为2×1017ions/cm2-5×1017ions/cm2，注入能量为100keV-300keV;以直流磁控溅射钒靶提供钒离子源，注入剂量为2×1017ions/cm2-5×1017ions/cm2，离子渗入温度为750-820℃，渗入时长为3-4小时。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，注入硅离子包括以下步骤：保持所述基体缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.1Pa-0.8Pa，以直流磁控溅射硅靶提供硅离子源，注入剂量为2×1017ions/cm2-5×1017ions/cm2，离子渗入温度为850-920℃，渗入时长为1.5-2.5小时。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，注入钛离子包括以下步骤：保持所述基体缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.1Pa-0.8Pa，以直流磁控溅射钛靶提供钛离子源，注入剂量为3×1017ions/cm2-6×1017ions/cm2，离子渗入温度为850-920℃，渗入时长为1.5-2.5小时;
优选地，钛离子注入完成后，控制离子稳定化工序温度为170-200℃，稳定时长为0.5-1.5h，之后将真空室内气压恢复常压，并冷却至室温。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的高耐磨导轨用高锰合金钢或根据权利要求5-9中任一项所述的制备方法制备的高耐磨导轨用高锰合金钢在高端机床、航空航天、国防军工、医疗器械领域的应用。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及金属材料表面处理技术领域，具体而言，涉及高耐磨导轨用高锰合金钢及其制备方法和应用。
背景技术
[0002]导轨是一类可以将直线、回转、滚动等运动方式相结合从而实现导向和承载功能的精密机械元件，要求具有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动，所以对其精度、强度及耐磨性等方面都有很高的要求。
[0003]国内导轨多采用轴承钢材料，此类轴承钢在使用时，常需要经过球化退火等预处理，并在表面进行淬回火处理，基本可以满足所需的高强度、高硬度和耐磨性要求。但与国外导轨相比仍有很大的差距，尤其在寿命和精度保持性方面相差较大，从多方面的检测以及长期的服役测试数据来看，失效原因表现形式为材料表面磨损或局部脱落失效，根本原因为材料成分微观偏析，组织不均或热处理不当、表面耐磨性差等造成的。
发明内容
[0004]本发明的目的是为了克服上述技术背景存在的缺陷而提供一种高耐磨导轨用高锰合金钢及其制备方法和应用。
[0005]本发明提供一种高耐磨导轨用高锰合金钢，高耐磨导轨用高锰合金钢包括基体和基体表面的表面强化层，表面强化层的显微组织为晶粒细化的显微组织，以微米级马氏体和贝氏体复合相作为基体相，且在基体相内分散有体积百分含量为30-45%的硬质相，硬质相包括Ti(C，N)、TiC和TiN中的一种或多种。
[0006]本发明提供一种上述高耐磨导轨用高锰合金钢的制备方法，其包括：采用离子注入方式，先在基体表面注入氮、钒离子，然后注入硅离子，最后注入钛离子。
[0007]本发明提供一种上述的高耐磨导轨用高锰合金钢或采用上述的制备方法制备的高耐磨导轨用高锰合金钢在高端机床、航空航天、国防军工、医疗器械等领领域的应用。
[0008]本发明具有以下有益效果。
[0009]本发明提供一种高耐磨导轨用高锰合金钢及其制备方法和应用，本发明提供的高耐磨导轨用高锰合金钢包括基体和基体表面的表面强化层，表面强化层的显微组织为晶粒细化的显微组织，其以微米级马氏体和贝氏体复合相作为基体相，且在基体相内分散有大量的硬质相。通过在基体表面增加表面强化层，可以使其具有较高的硬度、较好的耐磨耐蚀性能、较长的疲劳寿命及较高的可靠性。
附图说明
[0010]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0011]图1为高耐磨导轨用高锰合金钢的组成结构示意图;
[0012]图2为采用实施例1制备的高耐磨导轨用高锰合金钢的金相组织图。
具体实施方式
[0013]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0014]下面对本发明实施例提供的一种高耐磨导轨用高锰合金钢及其制备方法和应用进行具体说明。
[0015]第一方面，本发明实施例提供一种高耐磨导轨用高锰合金钢，高耐磨导轨用高锰合金钢包括基体和基体表面的表面强化层，表面强化层的显微组织为晶粒细化的显微组织，以微米级马氏体和贝氏体复合相作为基体相，且在基体相内分散有体积百分含量为30-45%的硬质相，硬质相包括Ti(C，N)、TiC和TiN中的一种或多种。
[0016]本发明实施例提供一种高耐磨导轨用高锰合金钢，高耐磨导轨用高锰合金钢包括基体和基体表面的表面强化层，表面强化层的显微组织为晶粒细化的显微组织，即表面强化层的显微组织不止有马贝复相，还有铁素体、奥氏体、碳化物等，在表面强化层内弥散分布有大量的硬质相，三种方式相融合提高疲劳强度和耐磨性，延长导轨的使用寿命，且表面硬度可调控。
[0017]在一些可选地实施方式中，基体的化学组成以质量百分比计为：锰12-14%、碳0.1-0.7%、铬0.5-1.2%、镍0.01-0.3%、钼0.12-0.15%、钴0.6-0.8%、S≤0.035%、P≤0.02%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0018]为了提高钢材的耐磨性能，研究人员在钢材中加入了较多比较贵重稀缺的合金材料，虽提高了钢材性能，但成本也随之大幅度增加，且生产工艺也更加复杂，其性价比不太理想。而中国拥有丰富的锰产资源，可充分利用此优势，设计强化成分、增强材料淬透性。
[0019]基于此，本发明实施例提供的高耐磨导轨用高锰合金钢，通过优化钢材的组成，在钢材的组成中增加锰元素的用量，锰是奥氏体稳定元素，可以形成β-锰(Mn)相，并且有助于层错能的稳定化，可显著提高材料淬透性及耐磨性，与硼元素相配合，可凸出贝氏体转变区，在较大冷速范围得到贝-马组织。当锰含量在12%以下时，随着锰含量的增加，抗拉强度和伸长率都有很大幅度的增长，超过12%以后，两者的增势都趋于缓慢，超过14%以后，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能，因此，锰(Mn)的含量在12%至14%是较为合适的。
[0020]在一些可选地实施方式中，基体和基体表面的表面强化层通过过渡层结合为一体;优选地，表面强化层的厚度为200-300μm;
[0021]优选地，过渡层的组成为MeN、Mex(CN)y，厚度为3-6μm。过渡层内的Me包括Fe、Mn、Cr等中的一种或多种，过渡层内的MeN、Mex(CN)y包括FeNx、MnN、Cr2N、Mnx(CN)y、Crx(CN)y等中的一种或多种。
[0022]在一些可选地实施方式中，淬硬层深度可达200-300μm，晶粒细化1-2倍，表面显微硬度和复合硬度可提高2倍，表面硬度在600-1500HV，使用寿命提高80%以上，平均磨损体积损失降低2-4倍，变形量≤0.01mm。
[0023]第二方面，本发明实施例提供一种上述高耐磨导轨用高锰合金钢的制备方法，其包括：采用离子注入方式，先在基体表面注入氮、钒离子，然后注入硅离子，最后注入钛离子。
[0024]本发明实施例提供一种上述高耐磨导轨用高锰合金钢的制备方法，采用离子注入方式，分层次进行不同离子注入，有助于离子与钢材基体分步充分融合，提升渗入深度。具体的：先将氮、钒离子引入钢材表面，借助钒细化晶粒的作用，可在钢材基体本身的表面形成晶粒细化的马氏体组织和氮化物ε-Fe3N、γ'-Fe4N和γ-Fe2N及Fex(CN)y等;然后注入硅离子，硅与原钢材中的锰配合，促进形成耐磨的微米级马贝复相;最后注入Ti离子，与原钢中的碳、氮及注入的氮在表面形成纳米硬质相。本发明提供的上述方法，具有以下的特点：单元素可单独注入;注入离子与钢材原有元素的相互作用;在钢材基体本身的表面形成表层的耐磨层。
[0025]在一些可选地实施方式中，离子注入前对基体进行清洗处理和预处理;
[0026]优选地，清洗处理包括以下步骤：将基体放入纯度为99.9%以上的丙酮溶液中超声清洗两次，每次超声清洗持续10min-20min;
[0027]优选地，预处理包括以下步骤：将清洗后的基体放到真空室试样台上，抽真空至真空度为1.0×10-4Pa-1.0×10-3Pa，预热温度为350℃，预热时间为0.5-1h。
[0028]在一些可选地实施方式中，注入氮、钒离子包括以下步骤：基体缓慢绕自身轴线匀速旋转的同时，用离子注入机进行氮、钒注入处理，气源采用纯度为99.999%的氮气，氮气注入剂量为2×1017ions/cm2-5×1017ions/cm2，注入能量为100keV-300keV;以直流磁控溅射钒靶提供钒离子源，注入剂量为2×1017ions/cm2-5×1017ions/cm2，离子渗入温度为750-820℃，渗入时长为3-4小时。
[0029]在一些可选地实施方式中，注入硅离子包括以下步骤：保持基体缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.1Pa-0.8Pa，以直流磁控溅射硅靶提供硅离子源，注入剂量为2×1017ions/cm2-5×1017ions/cm2，离子渗入温度为850-920℃，渗入时长为1.5-2.5小时。
[0030]在一些可选地实施方式中，注入钛离子包括以下步骤：保持基体缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.1Pa-0.8Pa，以直流磁控溅射钛靶提供钛离子源，注入剂量为3×1017ions/cm2-6×1017ions/cm2，离子渗入温度为850-920℃，渗入时长为1.5-2.5小时;
[0031]优选地，钛离子注入完成后，控制离子稳定化工序温度为170-200℃，稳定时长为0.5-1.5h，之后将真空室内气压恢复常压，并冷却至室温。
[0032]以上可见，本发明实施例提供的方案，通过在高锰钢基体上采用离子注入的方式将N、V、Si、Ti元素注入到合金钢表面，一方面达到催渗的作用，另一方面达到细化晶粒、获得更耐磨组织的作用。在基体表面注入V和N，注入的V合金元素与N生成氮化钒(VN)和碳氮化钒(V(CN))，这些化合物可以起到细化晶粒、改善韧性的作用，之后注入Si，Si元素渗入后可与锰元素结合，凸出贝氏体转变区，在较大冷速范围得到硬度较高的微米级的贝-马组织。再注入Ti，Ti元素的注入与N和C相结合，使表层组织含有高密度位错，析出更多纳米级颗粒状的Ti(C，N)、TiC、TiN等硬质合金相，提高表面耐磨性。离子注入的V合金元素与N生成氮化钒(VN)和碳氮化钒(V(CN))，合金钢经本表面强化处理后，淬硬层深度可达200-300μm，晶粒细化1-2倍，表面显微硬度和复合硬度可提高2倍，且通过调节渗入离子浓度可调控表面硬度在600-1500HV，导轨使用寿命提高80%以上，平均磨损体积损失降低2-4倍。此外工件变形可控、变形量小，≤0.01mm，解决了常规热处理方法难以解决的硬化变形问题。而且产品无论形状如何，包括内孔、盲孔，每个面都能有效的进行离子渗入。可以有效提高合金钢的屈服强度、硬度、疲劳强度和耐磨性，延长导轨的使用寿命。
[0033]第三方面，本发明实施例提供一种上述的高耐磨导轨用高锰合金钢或采用上述的制备方法制备的高耐磨导轨用高锰合金钢在高端机床、航空航天、国防军工、医疗器械等领域的应用。
[0034]下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
[0035]一种高耐磨导轨用高锰合金钢及其制备方法
[0036]高耐磨导轨用高锰合金钢包括基体和基体表面的表面强化层，其中：基体的化学组成以质量百分比计为：锰12-14%、碳0.1-0.7%、铬0.5-1.2%、镍0.01-0.3%、钼0.12-0.15%、钴0.6-0.8%、S≤0.035%、P≤0.02%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0037]采用离子注入方法在基体表面制备表面强化层：
[0038]步骤一：超声清洗：将待处理的导轨用高锰合金钢分别放入纯度为99.9%以上的丙酮溶液中超声清洗两次，每次超声清洗持续10min-20min;
[0039]步骤二：真空处理及预热：将处理过的导轨用高锰合金钢放到真空室试样台上，抽真空至真空度为1.0×10-4Pa-1.0×10-3Pa，预热工序温度约为350℃，预热时间为0.5-1h;
[0040]步骤三：氮(N)、钒(V)注入：导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转的同时，用离子注入机进行氮、钒注入处理，气源采用纯度为99.999%的氮气，氮气注入剂量在2×1017ions/cm2-5×1017ions/cm2，注入能量在100keV-300keV;以直流磁控溅射钒靶提供钒离子源，注入剂量为2×1017ions/cm2-5×1017ions/cm2，离子渗入温度为850-920℃，渗入时长为1.5-2.5小时;
[0041]步骤四：硅(Si)离子注入：保持导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.1Pa-0.8Pa，以直流磁控溅射硅靶提供硅离子源，注入剂量为2×1017ions/cm2-5×1017ions/cm2，离子渗入温度为850-920℃，渗入时长为1.5-2.5小时。
[0042]步骤五：钛(Ti)离子注入：保持导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.1Pa-0.8Pa，以直流磁控溅射钛靶提供钛离子源，注入剂量为3×1017ions/cm2-6×1017ions/cm2，离子渗入温度为850-920℃，渗入时长为1.5-2.5小时;
[0043]优选地，钛离子注入完成后，控制离子稳定化工序温度为170-200℃。
[0044]步骤七：真空室内气压恢复常压，并冷却至室温。
[0045]实施例1
[0046]步骤一：超声清洗：将待处理的导轨用高锰合金钢分别放入纯度为99.9%以上的丙酮溶液中超声清洗两次，每次超声清洗持续15min;
[0047]步骤二：真空处理及预热：将处理过的导轨用高锰合金钢放到真空室试样台上，抽真空至真空度为2.0×10-3Pa，预热工序温度约为350℃，预热时间为0.5h;
[0048]步骤三：氮(N)、钒(V)注入：导轨用高锰合金钢用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转的同时，用离子注入机进行氮、钒注入处理，气源采用纯度为99.999%的氮气，氮气注入剂量在2×1017ions/cm2，注入能量在200keV;以直流磁控溅射钒靶提供钒离子源，注入剂量为4×1017ions/cm2，离子渗入温度为800℃，渗入时长为4小时;
[0049]步骤四：硅(Si)离子注入：保持导轨用高锰合金钢用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.6Pa，以直流磁控溅射硅靶提供硅离子源，注入剂量为4×1017ions/cm2，离子渗入温度为880℃，渗入时长为2小时。
[0050]步骤五：钛(Ti)离子注入：保持导轨用高锰合金钢用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.5Pa，以直流磁控溅射钛靶提供钛离子源，注入剂量为5×1017ions/cm2，离子渗入温度为880℃，渗入时长为2小时。
[0051]步骤六：离子稳定化：离子稳定化工序温度为180℃，稳定时长为1h。
[0052]步骤七：真空室内气压恢复常压，并冷却至室温。
[0053]高耐磨导轨用高锰合金钢的表面强化层的组成见图1，高耐磨导轨用高锰合金钢的金相组织见图2，按国标或者行标检测其性能如下：离子注入后的导轨用高锰合金钢表层的硬质相含量38%，淬硬层深度266μm，晶粒度2级，硬度1300HV，导轨使用寿命提高85%，平均磨损体积损失降低2.5倍。
[0054]实施例2
[0055]步骤一：超声清洗：将待处理的导轨用高锰合金钢分别放入纯度为99.9%以上的丙酮溶液中超声清洗两次，每次超声清洗持续15min;
[0056]步骤二：真空处理及预热：将处理过的导轨用高锰合金钢放到真空室试样台上，抽真空至真空度为2.0×10-3Pa，预热工序温度约为350℃，预热时间为0.5h;
[0057]步骤三：氮(N)、钒(V)注入：导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转的同时，用离子注入机进行氮、钒注入处理，气源采用纯度为99.999%的氮气，氮气注入剂量在5×1017ions/cm2，注入能量在200keV;以直流磁控溅射钒靶提供钒离子源，注入剂量为5×1017ions/cm2，离子渗入温度为800℃，渗入时长为4小时;
[0058]步骤四：硅(Si)离子注入：保持导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.6Pa，以直流磁控溅射硅靶提供硅离子源，注入剂量为5×1017ions/cm2，离子渗入温度为880℃，渗入时长为2小时。
[0059]步骤五：钛(Ti)离子注入：保持导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.5Pa，以直流磁控溅射钛靶提供钛离子源，注入剂量为5×1017ions/cm2，离子渗入温度为880℃，渗入时长为2小时。
[0060]步骤六：离子稳定化：离子稳定化工序温度为180℃，稳定时长为1h。
[0061]步骤七：真空室内气压恢复常压，并冷却至室温。
[0062]离子注入后的导轨用高锰合金钢表层的硬质相含量45%，淬硬层深度300μm，晶粒度1级，硬度1500HV，导轨使用寿命提高95%，平均磨损体积损失降低4倍。
[0063]实施例3
[0064]步骤一：超声清洗：将待处理的导轨用高锰合金钢分别放入纯度为99.9%以上的丙酮溶液中超声清洗两次，每次超声清洗持续15min;
[0065]步骤二：真空处理及预热：将处理过的导轨用高锰合金钢放到真空室试样台上，抽真空至真空度为2.0×10-3Pa，预热工序温度约为350℃，预热时间为0.5h;
[0066]步骤三：氮(N)、钒(V)注入：导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转的同时，用离子注入机进行氮、钒注入处理，气源采用纯度为99.999%的氮气，氮气注入剂量在5×1017ions/cm2，注入能量在200keV;以直流磁控溅射钒靶提供钒离子源，注入剂量为5×1017ions/cm2，离子渗入温度为800℃，渗入时长为4小时;
[0067]步骤四：硅(Si)离子注入：保持导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.6Pa，以直流磁控溅射硅靶提供硅离子源，注入剂量为5×1017ions/cm2，离子渗入温度为880℃，渗入时长为2小时。
[0068]步骤五：钛(Ti)离子注入：保持导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.5Pa，以直流磁控溅射钛靶提供钛离子源，注入剂量为3×1017ions/cm2，离子渗入温度为880℃，渗入时长为2小时。
[0069]步骤六：离子稳定化：离子稳定化工序温度为180℃，稳定时长为1h。
[0070]步骤七：真空室内气压恢复常压，并冷却至室温。
[0071]离子注入后的导轨用高锰合金钢表层的硬质相含量40%，淬硬层深度276μm，晶粒度1级，硬度1420HV，导轨使用寿命提高89%以上，平均磨损体积损失降低3.5倍。
[0072]实施例4
[0073]步骤一：超声清洗：将待处理的导轨用高锰合金钢分别放入纯度为99.9%以上的丙酮溶液中超声清洗两次，每次超声清洗持续15min;
[0074]步骤二：真空处理及预热：将处理过的导轨用高锰合金钢放到真空室试样台上，抽真空至真空度为2.0×10-3Pa，预热工序温度约为350℃，预热时间为0.5h;
[0075]步骤三：氮(N)、钒(V)注入：导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转的同时，用离子注入机进行氮、钒注入处理，气源采用纯度为99.999%的氮气，氮气注入剂量在2×1017ions/cm2，注入能量在200keV;以直流磁控溅射钒靶提供钒离子源，注入剂量为2×1017ions/cm2，离子渗入温度为800℃，渗入时长为4小时;
[0076]步骤四：硅(Si)离子注入：保持导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.6Pa，以直流磁控溅射硅靶提供硅离子源，注入剂量为2×1017ions/cm2，离子渗入温度为880℃，渗入时长为2小时。
[0077]步骤五：钛(Ti)离子注入：保持导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.5Pa，以直流磁控溅射钛靶提供钛离子源，注入剂量为2×1017ions/cm2，离子渗入温度为880℃，渗入时长为2小时。
[0078]步骤六：离子稳定化：离子稳定化工序温度为180℃，稳定时长为1h。
[0079]步骤七：真空室内气压恢复常压，并冷却至室温。
[0080]离子注入后的导轨用高锰合金钢表层的硬质相含量30%，淬硬层深度200μm，晶粒度4级，硬度1000HV，导轨使用寿命提高80%以上，平均磨损体积损失降低2倍。
[0081]实施例5
[0082]步骤一：超声清洗：将待处理的导轨用高锰合金钢分别放入纯度为99.9%以上的丙酮溶液中超声清洗两次，每次超声清洗持续15min;
[0083]步骤二：真空处理及预热：将处理过的导轨用高锰合金钢放到真空室试样台上，抽真空至真空度为2.0×10-3Pa，预热工序温度约为350℃，预热时间为0.5h;
[0084]步骤三：氮(N)、钒(V)注入：导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转的同时，用离子注入机进行氮、钒注入处理，气源采用纯度为99.999%的氮气，氮气注入剂量在5×1017ions/cm2，注入能量在200keV;以直流磁控溅射钒靶提供钒离子源，注入剂量为2×1017ions/cm2，离子渗入温度为800℃，渗入时长为4小时;
[0085]步骤四：硅(Si)离子注入：保持导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.6Pa，以直流磁控溅射硅靶提供硅离子源，注入剂量为2×1017ions/cm2，离子渗入温度为880℃，渗入时长为2小时。
[0086]步骤五：钛(Ti)离子注入：保持导轨用高锰合金钢缓慢绕自身轴线匀速旋转，调节真空室内气体压强至0.5Pa，以直流磁控溅射钛靶提供钛离子源，注入剂量为5×1017ions/cm2，离子渗入温度为880℃，渗入时长为2小时。
[0087]步骤六：离子稳定化：离子稳定化工序温度为180℃，稳定时长为1h。
[0088]步骤七：真空室内气压恢复常压，并冷却至室温。
[0089]离子注入后的导轨用高锰合金钢表层的硬质相含量45%，淬硬层深度292μm，晶粒度4级，硬度1384HV，导轨使用寿命提高87%以上，平均磨损体积损失降低3倍。
[0090]对比例1
[0091]与实施例3的步骤相似，不同之处仅在于：仅包括第一步骤的离子注入，结果为：高锰合金钢表层的淬硬层深度106μm，晶粒度2级，硬度400HV。从上述的实验结果可以看出：仅有一个步骤的离子注入，淬硬层深受限，只有钒离子起到晶粒细化的作用，硬化层硬度与基体差异不明显。
[0092]对比例2
[0093]与实施例3的步骤相似，不同之处仅在于：仅包括第一步骤和第二步骤的离子注入，结果为：导轨表层的淬硬层深度200μm，组织晶粒度2级，硬度480HV。从上述的实验结果可以看出：仅有两个步骤的离子注入，淬硬层较对比例1加深，钒离子起到晶粒细化的作用，硅离子与基体锰元素配合形成马贝复相，硬化层硬度较基体有所提升。
[0094]对比例3
[0095]与实施例3的步骤相似，不同之处仅在于：仅包括第一步骤和第三步骤的离子注入，结果为：导轨表层的淬硬层深度183μm，组织晶粒度2级，硬度550HV。从上述的实验结果可以看出：仅包括两个步骤的离子注入，淬硬层较对比例1加深，钒离子起到晶粒细化的作用，硬质层可形成硬质相。晶粒细化+硬质相使得硬化层硬度较对比例2有所提升。
[0096]对比例4
[0097]与实施例3的步骤相似，不同之处仅在于：仅包括第二步骤和第三步骤的离子注入，结果为：导轨表层的淬硬层深度165μm，组织晶粒度5级，硬度420HV。从上述的实验结果可以看出：有两个步骤的离子注入，淬硬层较对比例1加深，无晶粒细化及马贝复相，钛离子与基体微量氮、碳形成极少量硬质相。硬化层硬度较对比例1有所提升。
[0098]对比例5
[0099]与实施例3的步骤相似，不同之处仅在于：仅包括第二步骤的离子注入，结果为：导轨表层的淬硬层深度102μm，组织晶粒度5级，硬度450HV。从上述的实验结果可以看出：有一个步骤的离子注入，淬硬层受限，无晶粒细化及硬质相形成，只有硅离子与锰元素配合形成的马贝复相。硬化层硬度较对比例2有所降低。
[0100]对比例6
[0101]与实施例3的步骤相似，不同之处仅在于：仅包括第三步骤的离子注入，结果为：导轨表层的淬硬层深度100μm，组织晶粒度5级，硬度380HV。从上述的实验结果可以看出：有一个步骤的离子注入，淬硬层受限，无晶粒细化及硬质相形成，只有钛离子与基体微量氮、碳形成极少量硬质相。硬化层硬度较对比例4有所降低。
[0102]对比例7
[0103]与实施例1的步骤相似，不同之处仅在于：Ti离子注入剂量为1×1017ions/cm2，结果为：离子注入后的导轨表层的淬硬层深度200μm，晶粒度2级，硬度860HV，导轨使用寿命提高40%以上，平均磨损体积损失降低1.8倍。从上述的实验结果可以看出：受氮、钛离子注入量降低所限，表面硬质相含量降低，硬度、寿命及平均磨损体积效果显著性降低。
[0104]对比例8
[0105]与实施例1的步骤相似，不同之处仅在于：Si离子注入剂量为1×1017ions/cm2，结果为：导轨表层的淬硬层深度230μm，晶粒度2级，硬度1210HV，导轨使用寿命提高70%以上，平均磨损体积损失降低1.9倍。
[0106]从上述的实验结果可以看出：受氮、硅离子注入量降低所限，形成马贝复相较实施例1减少，表面硬质相含量有所降低。
[0107]对比例9
[0108]与实施例1的步骤相似，不同之处仅在于：V离子注入剂量为1×1017ions/cm2，结果为：导轨表层的淬硬层深度230μm，晶粒度5级，硬度1250HV，导轨使用寿命提高70%以上，平均磨损体积损失降低1.9倍。
[0109]从上述的实验结果可以看出：受氮、钒离子注入量降低所限，晶粒度细化不显著，晶粒细化对硬度影响较马贝复相稍弱，表面硬度降低较对比例8稍小。
[0110]综上，本发明实施例提供一种高耐磨导轨用高锰合金钢及其制备方法和应用，其是从合金钢组成及制造工艺方面入手提升合金钢的性能，在合金钢的组成上，强化成分设计，增加合金钢中储量丰富的锰元素的用量，增强材料淬透性，并降低成本，在制造工艺上采用分层次注入不同离子的方式，通过离子注入N、V、Si、Ti强化，表面晶粒更为细化+形成微米级的抗耐磨的马氏体-贝氏体复合相+Ti(C，N)、TiC、TiN等硬质相，三种方式相融合提高疲劳强度和耐磨性，延长导轨用高锰合金钢的使用寿命，且表面硬度可调控，工件变形可控、变形量小，不受产品形状所限，所有规格产品均适用，提高产品的可靠性。使用上述高耐磨导轨用高锰合金钢制作的导轨，寿命和精度保持时间久，可以保持较长周期的服役时间。
[0111]以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
说明书附图(2)
声明：
“高耐磨导轨用高锰合金钢及其制备方法和应用” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：中国机械总院集团宁波智能机床研究院有限公司
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