（材料加工工程专业论文）微合金化高锰钢的应用研究.pdf

厶 m | 1 1 i i i i | i l | | | | | 驯| i i i | | i j f | y 18 4 16 91 r e s e a r c ho na p p l i c a t i o no fm i c r o a l l o y i n g h i g hm a ng a n e s es t e e l b yc h ax i a n g d o n g s u p e i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r x i nq i b i n p r o f e s s o rh ej i a n g a i n o i t h e a s t e r nu n i v e r s i 够 j u l y2 0 0 8 i l7 l 东北大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 匕 思。 学位论文作者签嘲宁 日期：2 夥7 8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学士学位后： 半年口一年口 学位论文作者签名：碴伺红 签字日期：工留：7 莎 一年半口 导师签名： 签字日期： 两年 辛撼 2 哪7 g - ， j l 东北大学硕士学位论文 摘要 微合金化高锰钢的应用研究 摘要 高锰钢在水韧处理后组织为单一的奥氏体，它具有冲击韧性比较高的特点，一般情 况下很少发生脆性断裂。它具有耐磨的特性，在强冲击条件下，表层迅速产生加工硬化， 硬度达到5 0 0 h b 7 0 0 h b 。所以，被广泛应用于承受冲击较大的零部件上，如履带板、 颚式破碎机的颚板、挖掘机的斗齿、球磨机衬板等。合金化是提高奥氏体钢耐磨性的有 效途径之一。国内外的研究趋势是在传统的高锰钢上加入c r 、m o 等合金元素对奥氏体 进行强化以增强其形变硬化能力，从而提高其耐磨性能。而对微合金化高锰钢的组织和 性能研究较少，本文则针对该方向进行研究，具有一定的理论意义和现实意义。 本文研究的微合金化高锰钢是一种新型的耐磨钢铁材料，它是在常规的高锰钢基础 上适当加入微合金元素硼、铬、稀土而获得的。本研究的分析试样均取自现场生产铸件 ( 球磨机筒部衬板、颚式破碎机鄂板、推土机铲刃) ，并采用不同的水韧处理工艺，分 析比较各种条件下的材料组织和耐磨性。具体研究内容有：( 1 ) 热处理工艺对颚式破碎 机鄂板，球磨机衬板，推土机铲刃等铸件耐磨性的影响；( 2 ) 加入铬及硼等微合金元素 高锰钢的流动性、线收缩、金相组织、硬度、冲击韧性的测定与研究；( 3 ) 分析具有新鲜 磨损表面的零件残体，判断零件磨损类型及分析失效原因。本文通过将实验室的研究与 实际使用零件的磨损过程结合起来，具有一定的理论意义和现实意义。 实验结果表明：1 经过微合金化后的高锰钢铸件，其耐磨性能得到了提高，与普通 高锰钢铸件相比，微合金化高锰钢鄂板寿命提高了2 3 倍；球磨机衬板寿命至少提高了 0 2 倍；铲刃寿命提高o 3 倍；2 微合金化元素b 、c r 、r e 改善了高锰钢的组织和性 能，是颚式破碎机鄂板，球磨机衬板，推土机铲刃寿命提高的主要原因。3 不同的热处 理工艺对高锰钢的冲击韧性和韧脆转变温度有很大影响，1 0 8 0 水韧处理时，微合金化 高锰钢的韧脆转变温度为一4 0 ；1 0 5 0 水韧处理时韧脆转变温度为0 ；3 通过透射 电镜分析可知，水韧处理后微合金化高锰钢的组织为奥氏体和合金碳化物。碳化物以 ( f e ，c r ) 3 c ，( f e ，m n ) 3 c 或者( f e ，c r ，m n ) 3 c 结构存在；而硼化物在晶界上以m 2 3 ( c ，b ) 6 形式析出。 关键词：含硼高锰钢；微合金化；冲击韧性；韧脆转变温度；耐磨性 i i j ， ， 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho n a p p l i c a t i o no fm i c r o a 1 1 0 y i n g h i g hm a n g a n e s es t e e l a b s t r a c t h i 曲m a n g a u l e s es t e e l i sa u s t e l l i t em a i l g a i l e s es t e e l ，w h j c hh a sas t r o n gi m p a c tt o u g l l l l e s s u s u a j l yi td o e sn o tb r i t t l e 觚t u r e ，a i l d h a st 1 1 ep r o p e 啊o f w e a rr e s i s 伽c e i ns 们n g i i l l p a c t ，i t w i l lw o r kh a r d e no nt h es u r f a c eo ft l l es t e e l ，w h e r et 1 1 es t i 胁e s sc a nr e a c ha u sh i 曲a s 5 0 0 7 0 0 h b ，s oi ti s 谢d e l yu s e di nt h e 蠡l c i l i t i e sw h i c hh a st os u f i 研i m p a c t ，s u c ha st h e s o l e p l a t e ，j a wp l a t e ，t h et e e t ho fd i g g i n gm a c h i n e a l l o y i n gi so n eo ft h ee f f - e c t i v ew a y st o i m p r o v ea b r a s i o nr e s i s t a l l c eo fa l l s t e l l i t em a n g a n e s es t e e l i nr e c e n ty e a r st h es t e e lr e s e a r c h e r s a n a c hi m p o n a n c eo fm u l t i v 撕a t ea l l o y i n ga tt l l eh o m ea n da b r o a d ，a i l dt h e yh a v ec 撕e do u ta t m i no fr e s e a r c h h o w e v e r t l l er e s e a r c ht h a tt h ee 虢c to fs 钮e n 垂ha n da b r a s i o nr e s i s t a n c eo f m el l i g hm a n g a n e s es t e e lw i t hm i c r o a l l o y i n gi sv e 巧f e w 7 i i l e r e f o r et h e 咖d yo fh i 曲 m a n g a n e s es t e e l 谢t hb o r o n i su s e 如1 硼l di m p o i r t a m t h em a i n 咖d yi sa b o u tl l i g hm a n g a n e s e s t e e lw i 也仃a c eb o r o i l ，w 1 1 i c hm e a n sal o tt ot l l er e a l i 何 h i 曲m a n g a i l e s es t e e l 诵t l lm i c r o - a l l o y i n gi sa n e wa i l t i 衔c t i o nm a t e r i a l i nt h i s 咖d y i ti s o b t a i n e db ya d d i n gm i c r 0 一a l l o yt ot l l eg e n e r a lh i 曲m a i l g a n e s es t e e l t h es 锄p l ea r e 址e n 行o mt h ee d g eo ft h es h o v e l ，t h eb a c k i n gb o a r do ft h ee d g eo fg l o b em i l l ，t 1 1 ej a wp l a t ea n dt h e b a c l ( i n gb o a r do ft h es i l oo ft h eb a l lm i l lw i t hm i c r o - a l l o y i n g a n dm e ni i l d i f i e r e n tw a t e r q u e n c h e dc r a 仔、o r k s w 色趾a l y z e dt h eo 玛a i l i z a t i o na r l dw e a r r e s i s 切n c em a t e r i a l si nd i 位r e n t c o n d i t i o n s t 1 1 ei d i o 鲫h i cc o n t e n t sa r e ：( 1 ) t l l ee 疏c to fd i 舵r e n th e a tt r e a t m e n th 锄d c r m s o nt 1 1 ew e a rr e s i s t a n c eo f t h ej a wp l a t e ，l i n e ra i l ds h o v e l e d g e ( 2 ) m em e a s u r ea n dr e s e a r c ho n f l u i d i 够，l i n e a rs h r i m ( a g e ，m i c r o - s t r u c t u r e ， m eh a r d n e s s ，i m p a c tt o u g l u l e s so ft h eh i 曲 m a j l g a i l e s e 埘mc l l r o m i u m ，b o r o na n do t h e ri i l i c r o a l l o y i i l ge l e m e m s ( 3 ) t h ea i l a l y s i so nt h e r e l i c to ft h ep 硪s 淅t l ln e w l ya b r a s i o na n dt l l ej u d g eo ft l l e 帅e so ft h ea b r a s i o l l sa i l dt h e r e a s 0 n s 1 kr e s u l t ss h o 、e dt h a t ：( 1 ) 1 1 1 ew e a rr e s i s t a n c eo fh i 曲m a i l g a l l e s e 丽t hm i c r o - a l l o y i n g i n c r e a s e s ，c o m p a r e dt 0t 1 1 en o r m a l1 1 i 曲m a l l g a n e s es t e e l ，t 1 1 el i f es p a no f j a wp l a t eo ft h ej a w c m s h e ri n c r e a s e d2 3t i m e s ，l m ro fb a l lm i l li i l c r e 2 l s i n go 2t i m e sa i l de d g eo fs h o v e l i i l c r e a s i n g0 3m e s ( 2 ) p r o p e n i e sa 1 1 dm i c r o s t m c t u r ew e r ei m p r o v e d b ya d d i n gb ，c r ，r e i m ot h e1 1 i 曲m a n g a n e s es t e e l 1 0 n g e v i t ) ro fja wp l a t e ，l i i l e r ，s h o v e l e d g e 、张r ei i l c r e a s e d i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t b e c a u s eo fa d d i n gb ，c r ，r e ( 3 ) t l l ed u c t i l e - t o - b r i t t l e 仃a n s i t i o nt e m p e r a t u r ea n di m p a c t t o u g h _ c i l e s sw a sa f f e c t e db yd i 任e r e n th e a tn e a t m e n t f o rt l l em a t e r i a l so fb a um i l ll i l l e r ，t h e d u c t i l e t o - b r i t t l e 位m s i t i o nt e m p e r a t l l r ew a s 一4 0 a tt h et e m p e r a n l r e1 0 8 0 ，w h i l ea t1 0 5 0 ，i tw a s0 s om er a n g eo f t h ed e c r e a s ei s1 1 i 曲( 4 ) b yu s i n gt e c n a ig 22 0t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p e ，w e c o n c l u d e dt h a tc a r b o n i z a t i o ns t m c t u r ew 嬲a u s t e i l i t ea l l d a l l o y c a r b o n i z a ，t i o n ( f e ，c r ) 3 c ，( f e ，m n ) 3 co r ( f e ，c r ，m n ) 3 c ；b o r i d ec o u l ds e p a r a t e do u to f a u s t e n i t ec r v s t a l ； i m p a c tt o u g h l l e s s ； 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i l 村表a v i i i 第1 章绪论。1 1 1 高锰钢的发展历史1 1 1 1 传统高锰钢l 1 1 2 高锰钢的研究状况1 1 2 高锰钢的化学成分2 1 2 1 高锰钢的化学成分标准2 1 2 2 高锰钢的化学成分对组织和性能的影响4 1 3 高锰钢的组织和性能1 1 1 3 1 高锰钢的组织1 l 1 3 1 1 铸态组织1 1 1 3 1 2 水韧组织12 1 3 1 3 加工硬化组织1 2 1 3 2 高锰钢的性能1 3 1 3 2 1 高锰钢的加工硬化1 3 1 3 2 2 高锰钢的力学性能1 4 1 3 2 3 高锰钢的铸造性能一1 4 1 4 高锰钢的热处理15 1 4 1 水韧处理温度15 1 4 2 水韧处理保温时间16 1 5 高锰钢的合金化1 6 1 5 1 合金化的目的16 1 5 2 合金化的方法。1 7 v 东北大学硕士学位论文目录 1 6 高锰钢衬板的应用和发展1 7 1 6 1 国外衬板材料的发展概况。1 8 1 6 2 国内衬板材料的研究发展1 9 1 7 本文研究的内容、目的和意义2 0 1 7 1 研究目的、意义2 0 1 7 2 研究内容21 第2 章试验材料及方法2 3 2 1 微合金化高锰钢铸件的化学成分2 3 ：! z i 2 5 ：1 6 ：1 6 ：1 8 ：；( 1 ：；( ) ：；( ) ：；1 ：；1 ：；1 ：；l 。3 2 3 4 3 4 3 5 3 7 。3 7 3 7 ：；8 ：；8 东北大学硕士学位论文目录 3 3 2 水韧处理工艺对微合金化高锰钢力学性能的影响4 0 3 4 微合金化元素在高锰钢中的存在形式及分布4 0 第4 章微合金化高锰钢铸件的磨损分析。4 3 4 1 磨损机理介绍4 3 4 1 1 冲击磨损4 3 4 1 2 磨料磨损4 3 4 2 微合金化高锰钢鄂板的主要失效形式4 4 4 2 1 宏观断裂4 5 4 2 2 磨料磨损4 5 4 2 3 脆性相剥落4 5 4 2 4 宏观剥落4 5 4 3 微合金化高锰钢鄂板磨损形貌分析4 5 4 4 微合金化高锰钢耐磨性的探讨4 7 第5 章结论4 9 参考文献5 0 致谢5 3 发表论文5 4 v i i j 附表a 舍硼微合金化高锰钢铸件 一鄂板使用情况调查 _ ”夏磊荔：磊曩：荔磊墓巍星毒札i i f ，1 ”一 ，r 一 k 一。一1 一“j j + “一 ，尹鼢又27 色鼍? 。撰毫譬 铭尹lf t 、l m m ， 锈i 缝l | j l 纠，怿蓉、又，刍哆采曼璺电，? 登曩 l ，l ：； ； 摈 ；级静物 4 7 秘太，一= 7 一。戳 娥? l l i 锅 “圮删；葫妇秘樱聋 i ；魁 缈，一 时i l l m 唾 t 寸唾叫。“ ： 斑； 弹； 蠢季 静鼙盼扬 鲫父事p 文：潮口。垂吣 辱吨敬 磁饿 缝川时州 川彩，幻，国叛彤二对川吠趣 1 j 嬲掩 价 激遁 皴盼亳勉 7 确孽o ：7 脚心 螽l ：a $ 4 堍敏 镰 化镪 、多 ? 镰 如i ： 经j | l 船 锰铰 缸握t 岛 ? ? “”“ 攀雷司笛毒鲫? i 绷小雅位织称 l j f 妇：恤 砭 ，；繇磐细南锪谴咖l 帮l 锻彳f 诲建黄住多淘， 仑瓠i 雅钕农耽赫翩7 v i i i 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 1 高锰钢的发展历史 第1 章绪论 1 1 1 传统高锰钢 高锰钢是一种历史悠久的耐磨材料。锰合金钢的研究始于18 4 0 年。当时研究的合 金钢的锰含量约在2 0 7 0 的范围，碳的含量不高，是中碳合金钢。其组织不是奥氏 体。奥氏体高锰钢最初是于1 8 8 2 年9 月由英国人h a d f i e l d 在实验室中，在纯铁中加入 锰铁得到的。那时发现钢中含锰7 2 0 ，经水淬后得到单相奥氏体组织。这种钢有很好 的流动性和韧性。可以用来制作铸件。在实验室中研究出了这种新型材料之后的几年里 测定了它的物理性能。此外还研究了它的工艺性能。1 8 9 2 年第一次使用此种材料制作铸 件。1 9 0 2 年确定了高锰钢铸件的水淬温度应为9 8 0 1 0 5 0 ，以保证钢的韧性和强度。 与此同时不断地对钢的成分进行研究，在上个世纪末已大体确定碳的含量在1 2 左右， 锰的含量从开始很宽的范围改变到1 2 1 3 左右。这样的化学成分一直沿袭到现在。从 它的问世到现在已有1 0 0 年的历史。从它第一次在工业上得到使用也已经有9 0 多年的 历史，高锰钢是工业上首先使用的奥氏体类型钢【l 】。 高锰钢作为一种优良的耐磨材料，之所以具有良好的耐磨性是由于加工硬化，如果 工件受不到足够的冲击力或摩擦力，就不会产生充分的加工硬化现象，工件的耐磨性也 就大为降低。对于厚大断面工件，心部常常出现碳化物而降低其使用性能；寒冷条件下 使用的高锰钢常出现脆断现象；而在湿磨条件下面临腐蚀磨损的问题。这些实际应用过 程中经常出现的问题，又促使人们在高锰钢的基础上寻找新的解决方法。 1 1 2 高锰钢的研究状况 为了克服传统高锰钢的不足，国内外学者对高锰钢进行了大量的研究。采用不同的 方法，努力提高其屈服强度和耐磨性，以满足不同情况下的使用要求。在传统高锰钢成 分的基础上，适量添加t i 、v 、n b 、w 、b 和i 迮等元素，通过形成高熔点化合物，细 化晶粒来发挥作用。也有人通过加入c r 、m o 、t i 和v 等碳化物形成元素，使其产生综 合作用，以改变高锰钢中碳化物弥散分布的形态，获得以m 2 3 c 6 为主的粒状碳化物，使 其弥散分布于奥氏体基体上，有效地提高了耐磨性。这种经合金化的高锰钢不仅在高冲 击应力下具有良好的耐磨性，而且在低应力条件下仍很耐磨。为了提高高锰钢的耐磨性， 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 目前采取的措施主要有： ( 1 ) 提高c 含量 c 在m n l 3 钢中一部分是固溶在钢中，一部分与f e 、m n 形成碳化物，提高钢的硬 度和耐磨性，通常含量在0 9 1 4 范围内。近年研究表明，在非强烈冲击工况条件下， 在含c 量超过1 时，每增加o 1 c ，耐磨性提高5 1 0 。目前，一些国家高锰钢中的 碳含量趋向于向高碳方向发展。 ( 2 ) 降低m n 含量 m n 在钢中是促进奥氏体形成元素，通常m n 含量为n 1 4 ，近些年研究表明，在 保证奥氏体组织前提下，随着m n 含量降低，奥氏体稳定性下降，但加工硬化能力增强， 在非强烈冲击工况条件下的耐磨性高于m n l 3 ，一些国家发展了含m n 在5 9 的中锰钢。 ( 3 ) 降低碳、锰含量，并加入一定量的铬 介稳奥氏体锰钢是在m i l l 3 的基础上，适当降低碳、锰含量，并加入一定含量的铬， 从而降低奥氏体稳定性所获得的一种耐磨材料。大致成分为：m n 8 0 9 5 ，c 1 1 0 1 2 0 ，c r2 0 2 5 ，s i 0 8 。钢在形变时形成大量孪晶，孪晶带薄，孪晶间距 小并有占马氏体出现。冲击载荷作用小时，其加工硬化速度快，可迅速形成高硬度的稳 定硬化层，抗冲击磨料磨损的能力大幅度提高。 ( 4 ) 既提高m n 含量，又提高c 的含量 超高锰钢是在普通高锰钢标准成分的基础上通过提高碳、锰含量发展而来的。它既 具有较高的加工硬化速率，又保持了高韧性的奥氏体组织，在中、低冲击工况下，具有 良好的耐磨性。在国外，超高锰钢作为耐磨材料己形成产品。我国安徽电力修造厂开发 了一种超高锰奥氏体锰钢z g m n l 8 c r t i 【3 】。提高锰含量可以固溶较多的合金元素，再通 过变质处理和沉淀强化处理，就能进一步提高强韧性和加工硬化能力，钛是碳氮化物元 素，碳化钛和奥氏体有相同的晶格类型，在奥氏体碳化钛晶界上存在着共格关系，即 晶格牢固地连接在一起，其较高的显微硬度对抵抗磨料冲磨损非常有效。其化学成分大 致为：c 1 5 3 ，s i 0 5 5 ，m n l 8 2 ，c r 2 6 5 ，t i 0 2 2 ，r e o 3 5 ，p 0 0 6 ，s 0 0 5 。 此种材质适用于软磨料、大角度冲蚀磨损条件，如风扇磨煤机的冲击板等。通过实验和 实际生产使用证明，这种材质的冲击板比普通高锰钢的使用寿命提高近一倍。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 高锰钢的化学成分 1 2 1 高锰钢的化学成分标准 高锰钢研制成功时，钢的成分在一个很宽的范围内变化。随着研究工作的深入，钢 的化学成分逐渐定型。高锰钢按其用途主要分为两大类，一类是无磁钢，主要利用高锰 奥氏体的无磁的性质；另一类为耐磨钢，主要利用高锰奥氏体形变强化的性能。作为耐 磨材料使用的传统高锰钢的化学成分大致为：c0 9 1 5 ，m n1 0 1 5 ，s io 3 1 0 ， s 0 0 5 ，p 1 0 可避免冷却时产生珠光体转变，保证奥氏体锰钢的韧性；m 1 1 c 兰1 0 可得 到较好的强韧性配合；m i l c 1 0 有利于耐磨性的提高。当锰、碳含量同时降低时，冷 作硬化速度增加，并易诱发形变马氏体形成。 锰碳比值必须达到1 0 才能在水韧处理时得到单相奥氏体组织的说法是根据不足的。 实验证明，锰含量在5 3 以上与适当碳量相配合，即可在热处理水淬时得到单相奥氏 体组织。此时锰碳比值远远低于1 0 。m 1 1 c = 7 5 8 5 可以稳定地得到单相奥氏体组织而 不致有未溶碳化物。影响未溶碳化物的关键因素是钢中的碳含量。提高锰碳比对非强冲 击磨损条件下的锰钢铸件不利【3 】。当然从保证热处理后得到奥氏体组织来考虑，锰碳比 值也不可过低。一般来说，舭 8 时经常规水韧处理后容易出现残余碳化物，甚至是 晶界上的网状碳化物。 锰、碳含量的选择主要从工况条件和铸件结构特点来考虑，而不是从保持一定锰碳 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 比值出发调整锰、碳含量。 ( 4 ) 硫和磷 磷、硫在高锰钢中都是有害元素，降低材料的力学性能。磷在奥氏体中溶解度很小， 磷含量高时，在高锰钢中它可以形成低熔点共晶形态分布在晶界和枝晶间的磷共晶。由 于磷共晶成分熔点很低，在结晶凝固、冷却收缩过程中又分布在枝晶之间和初晶晶界上， 极易产生热脆，即仅在热处理的温度条件下磷共晶就能熔化，从而在晶界和枝晶间产生 生裂纹，显著降低了高锰钢的强度和塑性，增加铸件的开裂倾向，必须尽量降低，般 保证磷0 0 7 。 高锰钢中的硫大部分与锰结合生成高熔点的硫化锰，大部分的反映产物均进入熔渣之 中，钢中残留的硫量很低。残留硫量多数以球形的硫化锰夹杂形态存在，对钢的性能影 响不大。一般规定硫的含量o 0 5 ，在实际生产中其含量更低4 1 。 ( 5 ) 硅 硅在高锰钢中可以固溶于奥氏体，起固溶强化作用，同时硅又改变碳在奥氏体中的 溶解度，因此硅对钢的机械性能和耐磨性能影响比较复杂。在高锰钢中，硅通常是作为 脱氧的元素加入的，其含量通常小于1 ，在常规含量范围内起辅助脱硫作用。在高锰 钢中随硅含量的增加，对固溶强化作用反应灵敏，屈服强度明显提高，抗拉强度变化不 多，塑性则明显下降，当硅的含量超过0 6 5 ，钢的韧性降低，裂纹倾向大大增加。因 此在强冲击的磨料磨损条件下，硅的加入量在o 4 0 6 5 之间【5 1 。 ( 6 ) 铬 铬是国内外在高锰钢合金化方面使用最广泛的合金元素。加铬后钢的耐磨性可以提 高。铬与铁形成连续固溶体，也可形成多种碳化物。铬和铁的亲和力超过铁和锰。铬在 高锰钢中大部分是以更加稳定的( f e ，c r ) 3 c 的形式存在，很少形成特殊的碳化物。随 着铬含量的增加，钢的铸态组织中碳化物的数量增加，往往在晶界形成连续网状碳化物， 晶内碳化物数量也增多，这是由于铬使钢中沿晶界析出碳化物的速度加快。铬是缩小奥 氏体相区的元素。铬在铁内扩散速度较慢，而且铬原子和碳原子的交互作用使碳的扩散 速度也降低，使奥氏体的稳定性提高。铬的这些作用影响热处理过程，按常规水韧处理 温度进行热处理时，含铬的碳化物难以溶解。铬溶于奥氏体后提高钢的屈服强度。当铬 含量高时，使抗拉强度有所降低，但在强冲击磨料磨损的工作条件下，材料的耐磨性明 显提高。 ( 7 ) 硼 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 硼是表明活性元素，主要存在于晶内缺陷位置，并富集于奥氏体晶界处，使钢的密 度提高。硼固溶于奥氏体中后使稳定性大为增加，它在奥氏体中的溶解度约为0 0 2 【6 1 。 小于0 0 0 5 时有细化组织的作用。它能和钢中氧、氮结合形成化学性质稳定的非金属 夹杂物，使钢中夹杂物得到控制，夹杂物呈细小、圆整和弥散分布，改善冶金质量，进 一步使钢的韧性增加【7 1 。 硼在一般钢中含量为0 0 0 1 0 0 0 5 ，这主要利用的是它对钢的淬透性的影响。硼 对钢的耐磨性无明显影响，在低冲击磨料磨损条件下硼含量较高时，可以提高耐磨性， 这和硼的细化组织和强化晶界的作用有关。在抗压实验中，微合金化高锰钢的屈服强度 比不微合金化的屈服强度要高2 0 。硼的这种作用和它在晶界富集并对晶界起强化作用 是密切相关的。硼对结晶组织有明显影响。高锰钢在一次结晶时容易形成柱状晶组织， 尤其是金属型浇注，浇注温度高时往往可以发展成为穿晶组织。但钢中加入 o 0 0 5 一0 0 0 6 的硼就可以消除柱状晶。即使在浇注温度较高时也可以得到细等轴晶组 参口【1 】 二、 o ( 8 ) 镍 镍固溶于奥氏体中对奥氏体的稳定性有着重要作用，在3 0 0 5 0 0 能够抑制块状碳 化物析出，降低高锰钢的韧脆转变温度，降低高锰钢对切削、焊接的敏感性。镍对碳 含量较低的热处理后的高锰钢常温冲击韧性没有影响，低温时的冲击韧性随镍含量的增 加而提高。镍使铸态组织中奥氏体的量明显增加，所以无论是常温还是低温下，铸态高 锰钢的冲击韧性都随镍含量的增加而提高，而且提高的幅度比热处理后要大得多。与钛、 铬、硼同时加入可以提高钢的基体硬度，但是其作用可以由锰、铬的综合添加来获得， 一般为了降低成本可以不加。 ( 9 ) 稀土 稀土的加入明显改变c r 在基体中的分布。稀土元素与碳有较强的亲和力8 1 。能形成 高熔点碳化物作为碳化物的成核核心，并在晶界产生内吸附阻碍碳在晶界的聚集9 1 。这 就使碳化物在晶界由片条状收缩成粒状或岛状。加之晶内存在形核核心使碳化物同时在 晶内析出。 稀土元素加入后可以细化晶粒，提高高锰钢的强度，表面硬度，塑性及加工硬化能 力，从而提高钢的耐磨性能，同时能够明显改善液态钢水的流动性，降低铸造应力，增 加抗裂性能，还与硫、氧、氮、氢等都能形成高熔点的化合物，起到净化钢液，抑制碳 化物生长的作用，改善了高锰钢的铸造性能。 - 】0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 稀土元素的晶界强化，固溶强化，质点强化三方面的作用，提高了高锰钢的综合力 学性能，以屈服强度，低温冲击性能提高尤为明显，强冲击载荷越大，加工物料越硬， 其耐磨性提高的越显著。与钛综合加入可提高使用寿命的3 0 。 1 3 高锰钢的组织和性能 1 3 1 高锰钢的组织 高锰钢的组织主要有三种：铸态组织；水韧组织；加工硬化组织。下面就这三种组 织分别加以介绍。 、 楚 赠 硪含量， 图1 6 含锰1 3 的铁、锰、碳截面组织图 f i g 1 6t h es t m c t u r eo ft h es e c t i o no ff e 、m na n dcc o n t a j n i n g13 m a n g a n e s e 1 3 1 1 铸态组织 图1 6 【3 1 是高锰钢平衡状态组织图。铸件在铸造结晶过程中，由于冷却速度缓慢，在 彳c m 和彳r 温度区间内碳化物沿奥氏体晶界析出。当温度低于爿r 线时，部分奥氏体转化 为珠光体，同时析出碳化物。当温度降到常温时，铸态组织成为奥氏体为基体，晶内和 晶界有大量块状、条状或针状碳化物存在，晶界上的碳化物呈网状，奥氏体基体上还有 大量珠光体，硬度在2 0 0 一2 3 0 h b ，强度低，塑性、韧性差，不能直接使用，如图1 7 【3 】 所示。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ，誉雾二蓬妻 一 ，：j 寮。露男甜尹 譬露2 笋。 。锄渤1 ，。9 ，“一， ，：冬澎o 。：。，。、一：4 。：i _ ，i ，。，j 。、，1 j _ ，。 ”+ ，：誓 。4 ，t ，。 ，一 ： ? 。 r 。 。，；：? ? ：。，一 一! p 。o ：，。：、_ 。7 ，：j j j 。 ：囊j ：、? - t x ：- r t ：， 图1 8 高锰钢水韧组织5 0 0 f i g 1 8w r a t e rq u e n c h e ds t r u c t u r eo fh i g hm a n g a n e s es t e e l5 0 0 1 3 1 3 加工硬化组织 加工硬化组织是指高锰钢在受到冲击、挤压、拉伸等应力作用时，均产生形变硬化， 其显微组织的特点是出现许多滑移带，甚至出现晶粒扭曲、滑移带弯曲或滑移台阶。图 1 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 9 为显微照片中显示出形变后的滑移线【3 1 。 图1 9 高锰钢加工硬化组织5 0 0 f i g 1 9t h es t r u c t u r eo fw o r kh a r d e n i n go fh i g hm a n g a n e s e s t e e l5 0 0 1 3 2 高锰钢的性能 1 3 2 1 高锰钢的加工硬化 高锰钢铸件在受到冲击载荷时，金属表面发生塑性变形。尽管经水韧处理后单相奥 氏体组织的硬度很低( h b l 7 0 2 3 0 ) ，但经过形变后由于形变强化的结果金属的变形层 内表现出明显的加工硬化现象。国内外的研究者对高锰钢在冲击载荷作用下产生加工硬 化的原因，归结起来，大致有e 一马氏体论【l o 】；形变诱发q 马氏体论【1 1 ，1 2 】；位错论【1 3 1 ； 层状孪晶论【1 4 】等。形变层的硬度可以达到5 0 0 8 0 0 h b 。 z 型 蹙 距工作表面距离m m f i g1 15c h a n g eo f h a r d n e s so fc a r b 谢z e dl a y e r 图1 1 5 是表面硬化层硬度的变化曲线【3 1 。从图1 1 5 可以看出，硬化层的深度可以 达到1 0 2 0 咖，硬化层的高硬度和良好韧性，使其具有了优良的抗磨性能，在表层硬化 层被磨耗的同时，在冲击载荷的作用下硬化层连续不断向内发展，使材料始终保持良好 的耐磨性能。高锰钢的加工硬化有两个最大的特点，一是外部冲击载荷越大，其表层耐 磨性越高：二是随着表面硬化层被磨损消耗，产生新的加工硬化层连续不断向内部延伸。 当高锰钢的组织和外部冲击载荷确定后，钢表面的硬化层的硬度变化规律就已经确定， 而且这个规律不受表层磨损的影响而一直延续下去，能够较好的吸收外部冲击载荷产生 】3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的冲击功，从而保证在强冲击的磨料磨损条件下，钢的表面通过形变强化具有很高的耐 磨性，这种磨损特性是许多新型材料和现代表面工程技术在性价上无法比拟的。 1 3 2 2 高锰钢的力学性能 高锰钢的力学性能下面主要介绍三种：硬度、塑性和韧性。 ( 1 ) 硬度 高锰钢的硬度主要有铸态硬度、水韧处理硬度和加工硬化后的硬度。 铸态组织硬度的高低和钢中碳含量及其他合金元素含量有密切关系。碳含量越高、 碳化物形成元素的含量越高，组织中碳化物数量越多，这些都使钢的硬度提高。水韧处 理后的硬度是奥氏体组织的硬度，一般在h b l 7 0 2 3 0 。热处理后钢的硬度和成分的关系 反映了碳和其它合金元素的固溶强化的作用。加工硬化后的硬度是指高锰钢在收到外力 的冲击时在表面层发生塑性变形，从而使硬度升高。 ( 2 ) 塑性 高锰钢塑性变形时主要是沿原子密排面 1 1 1 ) 进行滑移。锰钢奥氏体受到外力作用 时，由位错源开动产生滑移。在金相试样可以看到或是一组平行滑移线或是交叉的两组 平行滑移线。滑移进行的方式取决于材料在外力作用下的应力状况。高锰钢的伸长率可 以达到很高，甚至在5 0 以上，且没有明显的屈服点和缩颈现象，应力应变曲线比较平直， 断裂发生在局部缺陷部位或由成分偏析所引起的组织不均匀部位。 ( 3 ) 韧性 高锰钢的冲击韧性较高，有时其冲击韧性高达2 9 4 j c m 。2 。而且其在低温条件下也有 较好的冲击韧性。高锰钢的冲击韧性和冶炼方法有关。这是由于采用不同的冶炼方法得 到的钢中夹杂物的成分，数量和性质不同，对晶界的玷污不同所造成的。这也说明钢的 冶炼质量对晶界状况和低温下的冲击韧性具有重要的影响。 1 3 _ 2 3 高锰钢的铸造性能 铸造性能主要指液态合金流动性、结晶收缩等。它和铸件质量有密切关系。铸造性 能不仅影响铸件的外观和尺寸，而且也影响铸件的内在质量。研究铸造特性对于采取正 确的工艺措施和获得健全的铸件是很必要的。 流动性指金属液充填铸型型腔的能力。流动性和液态金属的黏度、表面张力、氧化 程度及氧化物的性质等有关。碳、锰对流动性的影响主要是当含量增加时，液相线温度 降低，相应地流动性温度降低。在浇注温度不变时，钢水停止流动之前保持流动的时间 1 4 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 长，因此可以达到更高的填充程度。高锰钢的线收缩的变化范围较宽( 2 2 3 0 ) 【3 1 。高 锰钢的化学成分是影响其线收缩率的主导因素。 1 4 高锰钢的热处理 适当的化学成分和热处理是保证高锰钢的组织和性能两个基本条件，二者缺一不 可。化学成分变时，热处理规范要相应调整。热处理也对钢的的化学成分有一定的要求。 热处理的目的就是根据钢的化学成分和使用条件的要求，选择最佳的热处理规范和工艺 以得到理想的金相组织和性能。 高锰钢的热处理大致有两种类型：水韧处理和沉淀强化。 水韧处理是将钢加热到爿c m 以上保持一段时间，使铸态组织中的碳化物溶解，共析 类型组织进行奥氏体化，铸态组织全部消除，得到化学成分均匀的单相奥氏体组织，然 后快速冷却得到过冷奥氏体组织，通过这种热处理可以获得良好的力学性能，并在强冲 击磨料磨损的作用下发挥加工硬化性能而有良好的耐磨性。 沉淀强化是通过热处理使奥氏体基体中出现弥散分布的第二相，强化基体，提高材 料抗磨料磨损的能力。沉淀强化处理的高锰钢的化学成分需要调整，锰、碳的含量都有 所变化。通常需加入与碳结合能力较强的合金元素铬、钒，钼等，通过沉淀强化处理使 奥氏体中析出合金元素的碳化物，成为第二相m o c 、m 0 2 c 、( f e ，m o ) 2 3 c 7 等。在一定