稀土高锰钢的分析研究毕业论文.doc

稀土高锰钢的研究稀土高锰钢的研究 摘 要 稀土高锰钢因其高耐磨损和其他优良性能 得到了广泛的应用 目前稀土 高锰钢的研究和应用 多年来徘徊不前 主要原因是对稀土的作用机理及影响 因素理解不透 加入方法不够恰当 加入量不能定量控制 因而导致效果不显 著 成本较高 采用拉伸冲击测试 金相观察 SEM 等方法研究了不同稀土加入 量对高锰钢微观组织 拉伸冲击力学性能及断口形貌的影响并采用能谱仪测定 材料的物相组成 结果表明 高锰钢加入稀土后 晶粒得到细化 碳化物数量减少 其力学 性能得到了显著提高 且加入稀土硅合金为 0 5 的水韧态高锰钢力学性能最佳 关键词 高锰钢 稀土 Twip 效应 力学性能 ABSTRACT Key words High manganese steel Rare earth 目 录 第一章文献综述 1 1 1 耐磨高锰钢概述 1 1 2 耐磨高锰钢的由来 发展历史及研究现状 1 1 2 1 改型高锰钢 2 1 2 2 合金化高锰钢 3 1 2 3 高锰钢的变质处理 4 1 3 高锰钢的组织和性能 4 1 3 1 高锰钢的显微组织 4 1 3 2 高锰钢的性能 6 1 4 稀土在高锰钢中的作用及其机理 6 1 4 1 稀土元素 6 1 4 2 净化钢液 7 1 4 3 细化晶粒 8 1 4 4 抑制碳化物生长 9 1 4 5 强化作用 9 1 5 稀土高锰钢的生产工艺要点 10 1 5 1 稀土高锰钢的冶炼 10 1 5 2 稀土高锰钢的水韧处理 11 1 6 稀土在高锰钢中的加入方法 11 1 7 课题的主要研究内容 11 第二章 实验内容 12 2 1 实验设备 12 2 2 成分设计 12 2 3 实验方案 13 2 3 1 实验准备 13 2 3 1 1 实验材料 13 2 3 1 2 热处理 13 2 3 1 3 切割 13 2 3 2 金相制作方案 13 2 3 2 1 磨样 抛光与腐蚀 14 2 3 2 2 观察组织与照相 14 2 3 3 扫描电镜 SEM 观察 14 2 3 4 拉伸冲击实验 14 第三章 实验结果分析 15 3 1 组织分析 15 3 1 1 不同稀土加入量铸态下的高锰钢的组织分析 15 3 1 2 不同稀土加入量 水韧处理状态下高锰钢的组织分析 17 3 2 夹杂物分析 18 3 3 拉伸冲击实验及其结果分析 23 3 4 不同稀土加入量高锰钢断口分析 24 第四章 结 论 26 参考文献 27 致 谢 28 第第一一章章文文献献综综述述 1 1耐耐磨磨高高锰锰钢钢概概述述 目前 国内外在冲击磨料磨损工况中所使用的金属耐磨材料主要有三大类 1 即奥氏体锰钢 低合金高强度耐磨钢及白口铸铁 高铬铸铁 虽然高铬铸 铁耐磨性高 但脆性大 只适合于低冲击工况 低合金高强度耐磨钢硬度较高 其韧性远远低于高锰钢 只适用于中低冲击工况 奥氏体耐磨高锰钢的两个重 要特性是优异的加工硬化能力和高的冲击韧性 经强烈冲击变形后 其表层硬 度可从 HB170 230 提高到 HB500 800 2 而硬化层内侧仍保持为高韧性的奥氏 体组织 因而不仅具有良好的安全可靠性 而且具有较高的抗冲击磨料磨损的 能力 此外其产品价格较低 有良好的性价比 因此被广泛应用于冶金 矿山 建材 电力和铁路等部门所使用的耐磨件上 如挖掘机铲齿 球磨机衬板 锤 式破碎机锤头及衬板 拖拉机履带板和铁路道岔等 3 1 2耐耐磨磨高高锰锰钢钢的的由由来来 发发展展历历史史及及研研究究现现状状 自 1882 年英国人 Robert Hadfield 发明了耐磨高锰钢 高锰钢的使用己有 一百多年的历史 被广泛应用于矿山机械 工程机械 建材及其他经受冲击载 荷的部件 现在作为耐磨材料的高锰钢的化学成分大致为 4 5 C 0 9 1 5 Mn 10 15 S i0 3 1 0 S 0 05 P 0 10 标准型奥氏体高锰 钢的主要化学成分是碳和锰 经水韧处理后可以获得单一的奥氏体组织 高锰 钢中锰的主要作用是稳定奥氏体组织 在钢中扩大 Y 相区 用于强烈冲击条件 的高锰钢铸件 含锰量应该高些 含锰量一定时 适当提高含碳量可以改善耐 磨性 但是含碳量超过 1 5 时 对耐磨性的影响则不明显 6 而且提高含碳 量在改善高锰钢耐磨性的同时 会明显降低材料的冲击韧性 而高锰钢在高冲 击负荷作用下才能表现出最佳的耐磨性 在此情况下冲击韧性是一个很重要的 性能指标 因此 为了使高锰钢具有较好的耐磨性和冲击韧性的配合 含碳量 不宜过高 高锰钢优异的耐磨性是建立在加工硬化的基础上 需要在高应力下 才能充分加工硬化 但就目前耐磨件工作条件而言 高应力工况不足 5 绝大 部分都是在中低应力状态下工作 因而高锰钢不易被加工硬化 耐磨性不能充 分发挥 5 在固溶处理后的水淬过程中受冷却速度的限制 容易析出脆性碳化 物引入脆性相 对于厚大断面工件 心部常常出现碳化物 从而降低使用性能 6 7 寒冷条件下使用的高锰钢常出现脆断现象 8 而在高温或湿磨的条件下又 面临腐蚀磨损 9 10 因为这些原因使其在今天的许多工程机械中以表现出不适 应性 为了克服传统高锰钢所表现出来的弱点或降低它们的影响 国内外学者 为此进行了许多研究 其中改型高锰钢 合金化高锰钢 超高锰钢及介稳奥氏 体锰钢的研究都取得了许多有益的进展 11 13 一些国家以将改进型的奥氏体锰 钢纳入国家标准 14 15 作为耐磨材料而言高锰钢近年来的发展趋势和取得的进 展主要表现在以下的几个方面 1 2 1 改改型型高高锰锰钢钢 为了克服传统高锰钢的不足 对此钢种进行了大量的研究对比 采用不同 的方法 努力提高屈服强度和耐磨性 以满足使用要求 在原高锰钢的成分基 础上 适量添加 Ti V Nb W B N 和 Re 元素 形成高熔点化合物 细化晶 粒来发挥作用 有关测试表明 加入 0 069 N 0 09 Ti 和 0 15 Ni 的高锰 钢 其耐磨性分别提高 60 和 1 5 2 2 倍 也有人通过加入 Cr Mo Ti 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 M23C6 为主的粒状碳化物 使其弥散分布于奥氏体基体上 有效地 提高耐磨性达 2 倍以上 挖掘使用表明 这种合金化的高锰钢 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 16 a 提高 C 含量 C 在 Mnl3 钢中一部分固溶在钢中 一部分与 Fe Mn 形成碳化物 提高 钢的硬度和耐磨性 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 0 1 C 耐磨性提高 5 10 高碳高锰钢的耐磨性远高于 Mn13 如含 C 1 78 的 GTMn 一 A 球磨机衬板的使用寿命是 Mn13 的 3 8 倍以 上 目前 一些国家高锰钢中的碳含量趋向于向高碳方向发展 b 降低碳锰含量 Mn 在钢中是促进奥氏体形成元素 在保证奥氏体组织的前提下 随着 Mn 含 量降低 奥氏体稳定性下降 但加工硬化能力增强 介稳奥氏体锰钢是在 Mnl3 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 17 18 大致成分为 Mn 8 0 9 5 C1 10 1 20 Cr2 0 2 5 Si 0 8 介稳奥氏体锰钢在形变时形成大量孪晶 孪 晶带薄 孪晶间距小 并有 马氏体出现 19 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的硬化层 抗冲击磨料磨损的能力大幅度 提高 美国 Climax 公司研制的奥氏体中锰钢 开辟了一条发挥奥氏体锰钢潜力 的新途径 4 c 既提高 Mn 含量 又提高 C 的含量 超高锰钢是在普通高锰钢成分的基础上通过提高碳锰含量发展而来的 它 既具有高的加工硬化速率 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 20 21 我国安徽电力修造厂利用这一原理开发了一种超高锰 钢 ZGMn18Cr2Ti 提高锰含量可以固溶较多的合金元素 再通过变质处理和以 后的沉淀强化处理 就能进一步提高韧性和加工硬化能力 其化学成分大致为 C1 53 Si 0 55 Mn 18 2 Cr 2 65 Ti 0 22 Re 0 35 P 0 06 S 0 05 此种材质适用于软磨料大角度冲蚀磨损条件 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 1 2 2 合合金金化化高高锰锰钢钢 在 Mn 13 钢中添加合金元素 Cr Mo V 形成合金高锰钢 合金元素的加入 主要是控制碳化物的析出和改善屈服极限 高锰钢中合金元素的主要作用如下 所述 铬 合金元素 Cr 是固溶强化和碳化物形成元素 一般用量 1 5 3 0 Cr 能提高钢的淬透性和耐磨性 也能提高钢的屈服强度 但是在常温下随铬 含量的增加 高锰钢的冲击韧性有所降低 钥 合金元素 Mo 可以缓解碳的扩散速度 能抑制碳化物的析出和珠光体的 形成 含 Mo 钢经过强化处理后 可获得较高的屈服强度 且韧性不降低 当钢 中加入 0 5 0 6 的 M 时 钢的强度 塑性和冲击韧性提高 20 30 0 钥能 改善奥氏体沿树枝晶发展的倾向 铝的加入还可阻止奥氏体晶粒在热处理时加 热和保温过程中的长大 钒 是 C N 化合物形成元素 在高锰钢中有细晶强化和弥散强化作用 钒 的加入使硬度提高 当含量较高时冲击韧性下降 稀土元素 RE 的加入可净化钢液 细化晶粒 抑止碳化物的生长和改善夹 杂物形态 分布的作用 1 2 5 12 硅 硅促使枝晶粗大及碳化物的形成 硅含量大于 0 65 钢的裂纹倾向增 加 在高锰钢中硅的含量一般控制在 0 6 以下 1 2 3 高高锰锰钢钢的的变变质质处处理理 因为碳化物析出导致高锰钢韧性迅速降低的一个重要因素是这些碳化物通 常趋于沿奥氏体的晶界析出 并且这些碳化物往往呈现出对材料韧性最不利的 片状或针状 利用稀土元素对晶界和相界明显的净化作用 对碳化物形核过程 的影响以及对析出相的改性作用 可望通过稀土元素对合金化的高锰钢进行变 质处理改变析出碳化物在奥氏体基体中的分布状态和碳化物的形态 在奥氏体 锰钢基体上获得颗粒状的碳化物并使之均匀分布于奥氏体晶粒内部 从而抑制 由于不利的析出相分布和形态给材料韧性带来的影响 23 26 1 3高高锰锰钢钢的的组组织织和和性性能能 1 3 1 高高锰锰钢钢的的显显微微组组织织 目前我们常用的耐磨高锰钢为 ZGMn13 型 其化学成分大致为 C 0 9 1 2 Mn 11 14 Si 0 3 0 6 S 0 04 P 0 07 在此基础上还可以添 加 Cr Ni 等合金元素进行合金化和变质处理 形成合金耐磨高锰钢 图 1 2 为 含 13 Mn 的 Fe Mn C 三元合金相图的截面图 由于 Mn 的加入 临界点 S 和 E 明显左移 铸件在铸造结晶的过程中 冷速 缓慢 室温时组织是以奥氏体为基体 晶内和晶界存在大量块状 条状或者针 状碳化物 晶界上碳化物呈网状 如图 1 3 a 所示 高锰钢的铸态组织的特点 使其性能很差 需经过水韧处理后才能使用 经过水韧处理后的组织应为单一 的奥氏体组织 但由于冷速不足 固溶温度低 保温时间短 导致碳化物不能 完全溶解 而在晶内或晶界残留有少量的碳化物 2 如图 1 3 b 所示 当高锰 钢受到冲击 压力等应力作用产加工硬化 其显微组织会出现许多滑移带 甚 至出现晶粒扭曲 滑移带弯曲或滑移台阶 27 如图 1 3 c 所示 图 1 2 Fe Mn C 三元合金相图 含 13 Mn Fig l Fe Mn C ternary alloy diagram including 13 manganese a 铸态组织 b 水韧组织 c 加工硬化后组织 a The as cast b Heat treatment c Work hardening Microstructure Microstructure Microstructure 图 1 3 高锰钢的显微组织 Fig 2 The microscopic structure of high manganese steel 1 3 2 高高锰锰钢钢的的性性能能 高锰钢的物理性能高锰钢的液相线温度为 1400 固相线温度为 1350 随着高锰钢的含碳量增加液相线温度和固相线温度降低 高锰钢的固态密度为 7 930g cm3 它的电阻率比铁的大将近 3 倍 铸态高锰钢经水韧处理后得到单 相奥氏体 无磁性 其导磁率为 1 003 1 03 硬度高锰钢的硬度有三种 一是铸态硬度 二是水韧处理后硬度 三是加 工硬化层硬度 铸态组织中有大量的碳化物和共析分解的珠光体组织 钢的硬 度较高 约为 200 230HB 铸态组织的硬度高低与钢中碳含量及其它合金含量 有关 碳含量增加组织中的碳化物数量增多 钢的硬度增加 水韧处理后 钢 的硬度与合金成分的关系由固溶强化的程度决定 但固溶强化的作用不及碳化 物的作用 水韧处理后奥氏体的硬度约为 170 230HB 高锰钢实际使用硬度是 表层的加工硬化硬度 可高达 600HB 耐磨性锰在奥氏体中为置换固溶体 锰含量增加 加工硬化速度下降 对 耐磨性不利 碳对高锰钢的加工硬化性影响很大 随着碳含量的增加 耐磨性 提高 适当的化学成分和热处理可以使碳化物的形态和数量发生改变 从而影 响钢的耐磨性 此外加工硬化和实际工矿条件对钢的耐磨性也有很大的影响 3 1 4稀稀土土在在高高锰锰钢钢中中的的作作用用及及其其机机理理 1 4 1 稀稀土土元元素素 稀土元素包括澜系 忆和钒共 17 个元素 根据稀土元素原子电子层结构和 物理化学性质 以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生不同性质 的特征 这十七种稀土元素通常分为二组 轻稀土 又称铈组 包括 镧 铈 镨 钕 钷 钐 铕 钆 重稀土 又称钇组 包括 铽 镝 钬 铒 铥 镱 镥 钪 钇 在周期表中均属强碱性金属 具有几平相同的外层电子数和很大的负电性 除梢和镜以外 一般的负值电极电位都在 2 0V 以上 比铝 1 67V 和锰 1 05V 都大 因此 它们的化学活泼性很强 能与钢中的一系列有害杂质生成热力学 上极为稳定的化合物 使钢净化 稀土元素具有较大的原子半径 比铁的原子半径大得多 可见稀土在铁巾 不会有较大的固溶度 一般在 0 2 0 4 稀土元素具有中等的比重 中等难 熔温度 较小的熔化热和很高的沸 因此 稀上加入钢液不致发生不熔化和挥 发问题 也不会发生强烈沸腾和喷溅现象 稀土在炼钢温度下的蒸汽压也很低 这是稀土在炼钢中应用胜于钙和镁的主要原因 稀土元素在金属材料中的研究和应用已有 80 多年的历史 我国自 20 世纪 60 年代初开始稀土在钢铁中的应用研究 发现稀土在金属材料中有净化 夹杂 物变质 改善铸态组织 微合金化等作用 目前国际上把稀土誉为新技术革命 中的 战略元素 高技术的生长点 新材料的宝库 实践证明 稀土能极大地改善高锰 钢的性能 1 净化钢液 改善高锰钢的冶金质量 2 细化结晶 优化高锰钢组织 3 抑制碳化物生长 4 强化作用 1 4 2 净净化化钢钢液液 稀土元素化学性质活泼 和钢液中的 S O H N 都能形成稳定化合物 高锰钢含硫量较低 一般都在 0 02 以下 因稀土和硫结合力强 稀土加 入后能进一步降低钢中硫含量 20 40 不加稀土高锰钢硫化物夹杂熔点低 分布于支晶间或晶界上 加入稀土后形成高熔点稀土硫化物 稀土氧化物 和 稀土氮化物 其熔点一般都在 2000 以上 以细小 粒状 弥散分布于晶内 稀土加入一方面减少硫化物夹杂的数量 最主要的改善了形状 大小 分布 大大降低了非金属夹杂对高锰钢的有害作用 高锰钢钢液容易吸气 钢液中的 H N 含量比普通钢液要高 随着钢液温 度降低和结晶凝固 钢中 H N 溶解度大幅降低 特别在凝固时有大量气体析 出 形成气孔 其中由以氢气孔最为严重 稀土加入能和钢液中的 H N 形成 较为稳定的化合物 如 REH2 REH3 REN 等 固定了钢液中的气体 减少了高锰 钢铸件气孔缺陷 高锰钢在液化时易氧化 其主要氧化物夹杂为 MnO 分布于晶界 是晶界脆 化 高温时易产生热裂 常温和低温时使韧性降低 在强冲击载荷下易开裂 稀土和氧亲和力强 稀土加入对钢液进一步脱氧 降低钢中含氧量 减少 MnO 夹杂在晶界的分布 改善高锰钢的冶金质量 表 3 1 列举了两组加稀土高锰钢与普通高锰钢的化学成分及气体含量 从 表 3 1 数据可以看出 加入稀土后 高锰钢的氧 硫和氮含量均有明显降低 组别 RECSiMnPS O N 1 2 0 031 0 028 1 15 1 18 1 18 1 23 0 45 0 52 0 44 0 50 12 60 12 50 13 00 12 05 0 07 0 09 0 07 0 08 0 020 0 015 0 021 0 018 0 0723 0 0400 0 0788 0 0380 0 038 0 031 0 033 0 027 表 3 1 不同处理状态的哦化学成分及气体含量变化 1 4 3 细细化化晶晶粒粒 图 3 2 表明 稀土对标准成分高锰钢的晶粒粗化有明显的抑制作用 稀土 元素表面活性的性质和他的化合物的核心作用 使铸态组织细化 经热处理后 的组织也会有相应细化 图 3 2 稀土元素对高锰钢晶粒生长的影响 结晶过程中稀土在液 固两相界面上富集 阻碍原子扩散 阻碍固相从液相 中获得相应的原子 则阻碍晶粒长大 达到抑制柱状晶发展 细化等轴晶粒的 效果 稀土加入高锰钢液 主要形成稀土氧化物和稀土硫化物两大类型非金属 夹杂 经研究这些夹杂和奥氏体的错陪读只有 3 完全可以作为结晶时的异质 晶核 细化高锰钢的一次结晶 在固溶处理时 稀土元素在晶界富集 阻碍原子扩散和奥氏体晶粒的长大 因此稀土加入可明显细化高锰钢的奥氏体晶粒 另外 由于稀土元素是表面活 性物质 加入钢中 降低了相界面的表面张力 使晶核形成功降低 晶核形成 速度激剧增加 在结晶过程中 稀土元素在基体和其他相中分配系数很小 小 于 0 02 其表面活性大大增加 由于选择吸附的结果 它们大多富集在正在 长大晶体与钢液的界面上 建立起一层吸附薄膜 阻碍并降低了晶体长大的倾 向 稀土使高锰钢晶粒粗化温度提到大约 100 因而可获得较细的晶粒度 稀土的这种孕育作用对于单相结晶的奥氏体高锰钢尤为重要 1 4 4 抑抑制制碳碳化化物物生生长长 稀土元素原子半径大 融入高锰钢后主要存在于晶界空穴等缺陷中 所以 稀土原子大多以内吸附的形式存在于晶界 降低晶界的界面能 使碳化物在晶 界形核困难 稀土元素在晶界上富集 填充了晶界空穴等缺陷 阻碍原子借晶 界空穴进行跃迁式扩散 阻碍碳化物沿晶界长大 其次 稀土加入后能减少铸 态晶界碳化物的数量 抑制碳化物在晶界形成连续网状 减少并消除针片状碳 化物在晶内出现 稀土元素外层电子排列的特点是 5d 层电子严重不饱和 稀土元素是强烈碳 化物形成元素 它和碳之间能形成 REC RE2C3 REC2等类型特殊碳化物 并且该 碳化物熔点高 如 CeC2 熔点高于 2300 PrC2熔点高于 2200 NdC2熔点高 于 2000 这些碳化物一次结晶时就弥散于晶内 当系统温度降至奥氏体中开 始析出碳化物时 960 成为碳化物析出的的结晶核心 增加了高锰钢奥氏 体晶内弥散析出碳化物的数量 1 4 5 强强化化作作用用 a 晶界强化 由于稀土元素的化学性质异常活泼 和氧 硫有很大的亲和力 它能夺取 钢中的氧化物和硫化物中的氧和硫形成稀土化合物 这种化合物能够从钢液中 大量上浮排除 使钢液净化 同时 即使钢中有残留的稀土夹杂物 也会均匀 地分布在基体中 大大减少了氧化物和硫化物在晶界上的析出量 是晶界得以 强化 b 固溶强化 稀土对高锰钢的固溶强化 是利用其原子半径与铁的原子半径不同 产生 晶格畸变 提高对位错运动的阻力而达到的 如铈 Ce 的原子半径为 0 181nm 铁则为 0 127nm 原子半径相差 42 稀土元素在高锰钢中有一定的 固溶量 并随残余总量的增加 其固溶量也增加 最高可达 20 30 同时因稀土元素的脱氧 脱硫作用 减少了钢中锰 硅等夹杂物的数量 增加了锰 硅再高锰钢中的实际固溶量 这也是稀土固溶强化高锰钢的一个原 因 c 质点强化 稀土夹杂物颗粒细小 坚硬 电镜观察表明 钢中有一定量 几十到几百 纳米 的稀土质点 因有时采用一号稀土合金而带进了钛 从而形成了对提高 高锰钢强度非常有效的强化质点 TiN 促进了对高锰钢的质点强化作用 稀土元素在高锰钢中不仅由于上述诸方面的强化作用 而且由于它的原子 半径比铁大很多 因此它溶于奥氏体中的结果 必须提高其原始显微硬度 从 而强化晶体和增加基体的硬化能力 提高 ZGMn13 钢奥氏体加工硬化程度 实验 证明 稀土不仅可强化原始奥氏体 提高显微硬度 而且可以加工硬化层 提 高硬化层最表层 小于 0 5nm 的硬度 因此 坚硬的硬化层紧紧地连接在软 韧的奥氏体基体上 可有效地提高铸件反复弯曲疲劳强度和防止冲击负荷下剥 落磨损 1 5稀稀土土高高锰锰钢钢的的生生产产工工艺艺要要点点 1 5 1 稀稀土土高高锰锰钢钢的的冶冶炼炼 稀土高锰钢在电弧炉中冶炼时往往有氧化法和不氧化法两种工艺 它们与 普通高锰钢的冶炼方法基本相同 现就常用的氧化法冶炼工艺而言 必须做到 下述几点 1 配碳量应保证氧化期脱碳量在 0 30 以上 2 炉料熔化到 60 80 以后 扒推料并加助熔碎铁矿石为料重的 1 左 右 3 熔化期总渣量为钢液质量的 2 4 氧化期为 2 5 4 化清后 若熔池中磷高时可流渣或扒渣 若碳低时可先增碳后在氧化 5 测温时间不少于 20s 时 加矿石氧化 每批矿为料重的 1 5 两批 间隔时间为 6 7min 分 2 3 批加入 1 6 最后一批矿石加入 5min 后搅拌 待碳合乎要求后 加锰铁调整碳的 成分 是钢液中锰含量达到 0 20 以上 7 清洁沸腾后 3 5min 搅拌 取样分析 C Mn P 并使 P 0 02 8 熔池平静 用秒表测定温度 不少于 45s 时 可扒除全部氧化渣 9 出渣后迅速加稀薄渣料 渣量为料重的 2 石灰 萤石 1 1 并加 0 3 Si Fe 1 Mn Fe 10 稀薄渣形成后 加入烘烤过的 MN Fe 使终 Mn 达到中下限 11 加入 Mn Fe 后搅拌 并加入还原渣料 3 4 石灰 萤石 碳粉 硅铁粉 4 1 1 5 1 使形成弱电石渣 并关闭炉门 15min 左右 搅拌取样分 析 C Si Mn P 12 每隔 5 7min 加一批碳粉和硅铁粉 保持炉内呈还原性气氛 并用石 灰调渣 13 还原后取渣样分析 要求 MnO FeO 1 5 14 钢液化学成分合格 渣样呈白色 待超过 45s 后准备出钢 出钢前往 炉中插 Al 吨钢 1 5kg 然后加一号稀土合金 吨钢 6kg 左右 也可加入钢 包中 即可出钢 1 5 2 稀稀土土高高锰锰钢钢的的水水韧韧处处理理 它与一般高锰钢大体相同 稀土元素能降低高锰钢水韧处理的临界温度约 50 选择最高固溶温度 1080 20 保温 3 3 5h 后淬入水中 水池容量为 铸件质量的 10 倍以上 通压缩空气以加强循环 改善水韧作用 1 6稀稀土土在在高高锰锰钢钢中中的的加加入入方方法法 稀土有着广泛的使用价值 在冶金行业中应用尤为突出 为此 广大冶金 工作者探索出了多种稀土合金在钢中的加入方法 归纳起来有 炉内加入法出 钢槽内加入法 钢包内加入法 它可以分为投入法 压入法 吹氩压入法 3 种 稀土合金粉钢包喷吹法 模内吊挂稀土棒法 中注管内喂稀土丝法 连铸结晶 器内喂稀土丝法等 一般生产高锰钢铸件的稀土加入方法 通常以稀土硅合金形式 用专用设 备加入钢包中 力求避免和钢渣接触 且在加稀土时 即冶炼末期 出钢前 必须对钢液强化终脱氧 添加适量的覆盖渣 提出出钢温度 应比正常出钢温 度高 20 30 在高锰钢中甲稀土硅合金按钢液质量的 0 45 0 60 为合适 将稀土破碎成 30 60mm 小块 装于钢筋焊制的小筐内加入 2 1 7课课题题的的主主要要研研究究内内容容 1 本实验在高锰钢的成份基础上 加入的稀土元素 Ce 和 La 然后水韧 处理 看成份 夹杂物等 2 分析比较加稀土高锰钢的夹杂物和组织形态 3 研究稀土元素 Ce La 对高锰钢显微组织的作用规律 4 研究稀土元素 Ce La 对高锰钢夹杂物的影响机理 5 研究稀土元素 Ce La 对高锰钢力学性能影响 第第二二章章 实实验验内内容容 实验以高锰钢为原料 铈 Ce 和镧 La 为稀土添加剂 按含量的不同分 组 并给予一定的热处理 利用光学显微镜和扫描电镜的观察 分析稀土对高 锰钢的组织和性能的影响 2 1 实实验验设设备备 DK77 电火花数控线切割机床 Mo 丝切割机 砂轮机 砂纸 抛光机 ZEISS 蔡司金相显微镜 QUANTA 400 型环境扫描电子显微镜 SEM 万能 材料冲击试验机 WDW 200D 电子式万能试验机等 2 2 成成分分设设计计 试样的成分配制是高锰钢为基体并加入一定量的稀土元素来实现的 具体 成分表如下 序 号 CSiMnPSCrNiMoCuAlTiV 稀土硅铁 加入量 kg t 处 理 态 1 铸 态 2 1 210 51 12 2 0 0 04 7 0 00 9 1 51 0 04 3 0 01 9 0 05 6 0 04 0 00 9 0 01 1 3水 韧 态 3 铸 态 4 1 110 73 12 5 6 0 05 4 0 00 7 1 440 050 01 0 06 3 0 06 3 0 01 0 01 2 5水 韧 态 5 铸 态 6 1 120 68 11 9 9 0 04 7 0 00 10 1 420 05 0 04 8 0 04 1 0 01 4 0 01 3 7水 韧 态 表 2 1 高锰钢加稀土试验 化学成分表 2 3 实实验验方方案案 2 3 1 实实验验准准备备 2 3 1 1 实实验验材材料料 实验材料选用高锰钢 由山西太钢集团公司提供 2 3 1 2 热热处处理理 高锰钢的铸态组织中有大量碳化物 其铸态的韧性和强度都较低 要消除 高锰钢的碳化物 需要将其加热到 1030 以上 并保温一段时间 使碳化物完 全固溶于奥氏体 随后快速水淬冷却得到过冷的奥氏体 锰钢水韧处理试样 670 保温 2h 960 保温 2h 1090 保温 5 5h 入水 水韧处理的温度通常是 1050 1100 这里主要是考虑了碳化物的充分 溶解和奥氏体适宜的晶粒度 保温时间按照铸件的壁厚确定 每 25mm 需要保温 1h 因此确定本试验确 定水韧处理保温时间为 5 5h 图 2 2 高锰钢水韧处理示意图 2 3 1 3 切切割割 采用 DK77 系列电火花钼丝切割机 将试样分别切割成 10mm 10mm 5mm 的 试样用于做拍摄金相照片观察显微组织 2 3 2 金金相相制制作作方方案案 选择形状比较规格的 10mm 10mm 5mm 的小试样用金相砂纸从 120 磨 制到 800 使其表面光滑并基本无划痕 然后进行抛光 腐蚀 腐蚀剂采用 4 硝 酸酒精 然后放在蔡司显微镜下观察金相并拍照 2 3 2 1 磨磨样样 抛抛光光与与腐腐蚀蚀 用 120 240 400 600 800 五张砂纸逐步磨样 在机械抛光机上进 行抛光 然后用酒精冲洗 腐蚀液用 4 硝酸酒精 腐蚀时间为 5 10 秒 然后 用酒精冲洗 电吹风吹干 2 3 2 2 观观察察组组织织与与照照相相 采用 Axiovert25 型蔡司 ZEISS 金相显微镜 对试样进行显微组织的观 察 比较随着稀土加入量的增大高锰钢显微组织的变化 从而分析稀土对钢的 显微组织的影响 用光学显微镜观察组织 如果腐蚀效果不好 重新用砂纸打磨 抛光 腐 蚀 为了便于同组织图中的铁素体组织的照片进行比较 用 ZEISS 蔡司金相显 微镜 对每个试样拍摄 100 倍 200 倍 500 倍 1000 倍照片各两张 2 3 3 扫扫描描电电镜镜 SEM 观观察察 扫描电子显微镜的二次电子一般都是在表层 5 10nm 深度范围内发射出来的 它对样品的比表面形貌十分敏感 因此 能非常有效地显示样品的表面形貌 把未腐蚀的六个样品进行扫描电镜观察以进一步确定高锰钢中的夹杂物 断口 以及试样的表面形貌 2 3 4 拉拉伸伸冲冲击击实实验验 通过拉伸冲击试验可测材料的弹性 强度 延性 应变硬化和韧度等重要 的力学性能指标 它是材料的基本力学性能 试验通常在室温 轴向和缓慢加 载 10 4 10 2 s 条件下进行记录或绘制试件所受的载荷 P 和伸长量 l 之间的 关系曲线 通过对试样的拉伸冲击实验来确定它们的力学性能 选出具有最佳性能的 样品从而确定稀土的最佳加入量范围 第第三三章章 实实验验结结果果分分析析 3 1 组组织织分分析析 不同稀土加入量的高锰钢将经过水韧处理后试样和未经热水韧理试样 磨 样抛光 用 4 硝酸酒精腐蚀 在蔡氏光学显微镜下观察其组织 3 1 1 不不同同稀稀土土加加入入量量铸铸态态下下的的高高锰锰钢钢的的组组织织分分析析 图 3 1 稀土加入量不同的高锰钢铸态试样 100 倍的光学显微组织 图 3 1 中为稀土加入量不同的高锰钢铸态照片 稀土高锰钢的铸态组织由 奥氏体 基体 和碳化物组成 晶界上存在密集的碳化物 碳化物呈弥散状 1 2 3 是分别加入稀土硅铁量为 0 3 0 5 0 7 的铸态高锰钢 从图 3 1 中对比 1 和 2 可以看出随着稀土加入量的增大 高锰钢晶粒细化更明显 碳化物明显减少 对比 2 和 3 可以看出晶粒较前者更显粗大 图 3 2 稀土加入量不同的高锰钢铸态试样 500 倍的光学显微组织 图 3 2 中为稀土加入量不同的高锰钢铸态试样 500 倍的光学显微组织 1 2 3 是分别加入稀土硅铁量为 0 3 0 5 0 7 的铸态高锰钢 从图 3 2 对比 1 和 2 可以看出随着稀土加入量的增大 晶界碳化物数量减少 晶内 碳化物形状为不连续的团块状 对比 2 和 3 可以看出随着稀土加入量的增大 碳化物数量急剧增多 晶界与晶内都存在碳化物 珠光体是共析铁素体和共析碳化物的有机结合的整合组织 珠光体有片状 粒状 针状 类珠光体以及相间沉淀等多种形貌 形形色色 但其本质不变 图 3 2 中可以清晰地看到片状珠光体 3 1 2 不不同同稀稀土土加加入入量量 水水韧韧处处理理状状态态下下高高锰锰钢钢的的组组织织分分析析 图 3 3 稀土加入量不同的高锰钢水韧处理后试样的光学显微组织 图 3 4 中为稀土加入量不同的高锰钢不锈钢水韧处理后照片 1 2 3 分别是加入稀土硅铁含量为 0 3 0 5 0 7 的水韧态高锰钢 高锰钢水韧处理后为理想的单一奥氏体组织 由于受生产过程中冷却速度不足 的影响 沿晶界析出少量碳化物 由于水韧处理固溶温度低 保温时间短 导 致碳化物溶解不完全 而在晶内或晶界残存碳化物 1 2 3 稀土高锰钢组织中有碳化物分布 这与热处理有关 在经过了 水韧处理后 在高锰钢中依然有少量碳化物没有溶于基体 是因为钢中含有钼 钒等元素 在组织中会有特殊碳化物 其溶解较困难 从图中对比 1 和 2 可以看出随着稀土加入量的增大 晶粒得到明显细化 晶界偏聚明显减少 对比 2 和 3 可以看出看出随着稀土加入量的增大 晶内碳 化物明显增多 其碳化物呈弥散分布于晶粒内部 不存在或尽量少的存在于晶界 3 2 夹夹杂杂物物分分析析 图 3 4 相同稀土加入量不同热处理状态高猛钢的夹杂物 500 倍扫描照片 图 3 4 为相同稀土加入量不同热处理状态高猛钢的夹杂物 500 倍扫描照片 1 3 5 分别为加入稀土硅铁合金为 0 3 0 5 0 7 的铸态高锰钢 2 4 6 分别为加入稀土硅铁合金 0 3 0 5 0 7 的水韧态高锰钢 对比 1 和 2 3 和 4 5 和 6 可以明显看出水韧态高锰钢比铸态高锰钢碳化物少 或者没有 对比 1 和 2 3 和 4 可以明显看出水韧态高锰钢中稀土偏聚 从 5 和 6 我们可以看出稀土加入过量 偏聚严重 a 夹杂物呈圆孔状 亮白色区域为稀土夹杂物 黑色区域为缩孔 三角形状夹杂物为钛 没有固溶于基体 钛 正方形状 Si Al O 白灰区域 黑色是钛 白色是稀土硫化物 稀土液滴形成 白色区域为稀土 黑色区域为钛 在钢液凝固过程中形成 稀土氧化物 稀土氧化物与疏松伴随 图 3 5 稀土夹杂物的形态分布及稀土夹杂物元素而分布图 铝 钛与稀土这些元素都在一定程度上具有脱氧 脱硫 形成氮化物和碳 氮化物等作用 钛脱氧形成 TiO2 并与 SiO2形成复合夹杂 铝是强脱氧剂 生 成 Al2O3或 SiO2 Al2O3的复合夹杂 稀土可以和 S 形成 R3S4 RS 熔点 19000C 和 S O 形成 R2O2S 和 H 形 成 RH2 RH3型化合物 和 C 形成 RC2 RC RZC 型碳化物 熔点 20000C 以上 和铅 锡 锑等低熔点金属形成高熔点化合物 加入稀土后非金属夹杂物 MnO FeO 锰的固溶体 铁锰硅酸盐等的熔点提高 这些高熔点化合物在钢液凝固前 已经是固态 所以大大提高了其在钢的晶粒内的分布数量 同时 高熔点的 RC2 RC R2C3型碳化物成为结晶核心 增加了结晶数量 从而细化晶粒 夹杂物的尺寸与稀土元素的聚集量有关 稀土元素越多 吸附的其他杂质 元素就越多 稀土元素越少 吸附的其他元素也就越少 为了均匀夹杂物控制 其尺寸不超标就要控制稀土元素的加入量及加入方式使杂质元素不过分集中在 一个晶核上 采取措施使其多处形核 弥散分布 使其不能聚集长大 稀土夹杂物对高锰钢具有双重作用 稀土可以改善夹杂物的形状和分布 使硫 氧等有害元素聚集 形成夹杂物浮出钢液或留在钢中 净化钢的基体和 晶界 但同时使夹杂物的数量增多 尺寸增大 对高锰钢造成不利影响 3 3 拉拉伸伸冲冲击击实实验验及及其其结结果果分分析析 通过对稀土高锰钢的应力 应变曲线分析稀土不同加入量对高锰钢的力学性能的 影响 0 00 10 20 30 40 50 6 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 应 力 MPa 应 变 1 铸 态 0 0 00 0 50 1 00 1 50 2 00 2 50 3 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 应 力 MPa 应 变 2 铸 态 0 0 00 0 50 1 00 1 50 2 00 2 50 3 00 3 50 4 00 4 5 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 应 力 MPa 应 变 3 铸 态 表 3 3 1 不同稀土加入量高锰钢铸态应力应变曲线 从表 3 3 1 不同稀土加入量高锰钢铸态应力应变曲线我们可以看出高锰钢拉伸曲线 包括弹性变形与均匀塑性变形两个阶段 材料屈服后强度随应变直线上升 加工硬化明 显 维持较长段的均匀变形 达到最高强度后马上失效 基本无颈缩 这种现象取决于高 锰钢的变形机制 TRIP2TWIP 效应 材料变形过程中 应变诱导的马氏体或孪晶在局部 高应变区或元素偏聚区 形成 阻止了这些区域内位错的进一步滑移以及晶格切变 促 使其它区域形成高强马氏体或孪晶 显著抑制缩颈产生 TWIP Twinning Induced Plasticity 钢是一种低层错能合金 孪生是影响其塑性变 形的主要机制被称为孪晶诱导塑性钢 Grassel 等系统研究了了 Fe Mn A1 Si 系高锰钢 的组织 力学性能 以及变形机制 发现 Mn 元素在 15 30 之间变化时 Fe M n A1 Si 系高锰钢呈现出不同的加工硬化特征 由于 TWIP 钢具有稳定的奥氏体组织和 低的层错能 因而其变形机制以孪生为主 在 TWIP 钢的孪生变形过程中将产生大量 的形变孪晶 而且随变形量增加 形变孪晶越来越多 由于孪晶对位错的钉扎作用阻 止了滑移变形 促成了应变诱发孪晶 从而发生了机械孪品诱发塑性 即 TWIP 效应 一方面 形变生成的孪晶层片呈交织状分布于奥氏体晶粒内分割品粒 实质上起到了 亚晶界的作用 在一定程度上起着细化基体的作用 对强韧性也有一定的贡献 另一方 面 孪生变形通过改变晶体位向为位向不利或难滑移的滑移系的运动提供了可能 孪 生变形增加了塑性变形方式 更利于基体金属均匀变形 而目孪生本身也有一定的塑 性形变量 故孪生变形对基体金属塑性的增加有着积极的作用 推迟颈缩的形成 极 大提高了断后仲长率 样品 编号 CMnSi 稀土硅铁 加入量 kg t b MPa a k J cm 2 HB 1 4974 06 256 2 1 210 5112 20 3 36 376 29 210 3 5254 39 222 4 1 110 7312 56 5 24 7121 11 205 5 4796 39 230 6 1 120 6811 99 7 49752 697 27 256 表 3 3 2 稀土元素含量对高锰钢力学性能的影响 稀土加入高锰钢使高锰钢的综合力学性能提高 其中以屈服强度 冲击性能提高 尤为明显 屈服强度的提高主要归功于稀土元素原子半径大 其微量固溶 是晶格畸变 稀土对冲击韧性的改善 主要因为细化晶粒和净化钢液 改善了非金属夹杂物的 形状 大小 数量和分布 由于晶粒细化 晶界增多 加上钢液被净化 夹杂分布改 善 使晶界夹杂物数量明显减少 少量的细小的圆粒状夹杂弥散分布于奥氏体晶内 使夹杂对冲击韧性的危害降低到最低程度 促使高锰钢冲击韧性降低的夹杂主要是 MnO 稀土消除或减少了 MnO 在晶界的分布 必然会使韧性提高 稀土加入能细化晶粒 促进位错密度提高 加快了加工硬化速度 使耐磨性调高 稀土加入 降低了层错能 层错能的降低必然促使大量孪晶形成 大量的孪晶变形使 全位错和不全位错在共格的孪晶面上受阻 另一方面 变形过程中产生大量 C Mn 原子 对 对位错核心中 C 重新取向并锁住了位错 导致位错密度的提高 加速了加工硬化 能力 是耐磨性大幅度提高 从表 3 3 2 可以看出号试样力学性能最佳 加入稀土元素一定要适量 一般有个最 佳范围 这在表 3 3 2 中得到验证 在这个最佳稀土元素含量下 高锰钢的力学性能最 佳 3 4 不不同同稀稀土土加加入入量量高高锰锰钢钢断断口口分分析析 将断裂件的断口经除锈清洗后 可见断口平齐 无明显塑性变形 在晶界上 夹 杂物阻碍晶粒长大 破坏了材料的连续性 为典型的沿晶断裂 图 5 晶界析出的网状碳化物 图 6 晶界析出的鱼针状碳化物 为进一步判定碳化物的形态及明确碳化物的性质 对浸蚀后的金相试样进行扫描 分析 用 WDS 判定晶界析出物为网状碳化物 晶内的析出物为针状碳化物 第第四四章章结结论论 通过对不同稀土加入量的高锰钢的铸态和水韧态的组织 夹杂物以及力学性能的 研究 结论如下 1 稀土元素加入高锰钢中后有微合金化作用 能够细化晶粒 改变碳化物形态 和分布 使之呈颗粒状弥散 减少碳化物偏聚 加入稀土含量越高 越明显 2 稀土高锰钢的铸态组织为奥氏体 在基体中存在大量的的碳化物 以强化基 体 分布于奥氏体基体 3 稀土能有效地改善高锰钢的拉伸强度 屈服强度等综合力学性能 当稀土硅 铁加入量为 0 5 高锰钢达到最佳综合力学性能 参参考考文文献献 1 陈希杰高锰钢 北京 机械工业出版社 1989 2 张增志 耐磨高锰钢 北京 冶金工业出版社 2002 12 3 朝志强 吕宇鹏 董玉平 奥氏体耐磨锰钢的研究现状及进展 钢铁研究学报 1998 4 李树索 陈希杰 高锰钢的发展与应用 矿山机械 1998 5 谢敬佩 李卫 宋延沛 耐磨铸钢及熔炼 北京 机械工业出版社 2003 6 吴俊忠 90Kg 超高锰钢大锤头的研究和应用 水利电力机械 2001 7 赵四勇 涂小慧 郑开宏 关于高锰钢的若干问题 铸造技术 1999 4 34 8 许沂 袁晓光 李智超 加工硬化对高锰钢低温韧性的影响 金属热处理 1998 9 鲁幼勤 王夏和 影响熟料破碎机锤头使用寿命的因素探讨 水泥 1999 10 丁厚福 卢书媛 崔方明 冶金矿山湿式磨机衬板钢冲击磨蚀磨损行为的研究 兵器 材料科学与工程 2003 11 吕宇鹏 李士同 王晓燕等 变质处理对超高锰钢铸态和热处理组织的影响 钢铁 1998 12 刘世永 史雅琴 李世军 碳化物弥散分布耐磨高锰钢的研究 机械工程材料 1996 13 朱瑞福 王世清 王静 Mn13 SG GrT 耐磨钢磨损处理工艺研究 金属热处理 1991 14 美国国家标准 ANSI ASTM A128 78a 15 法国国家标准 NFA32 71 1962 16 王洪发 金属耐磨材料的现状与展望 铸造 2000 9 17 陈绍春 陈希杰 张钊 氮碳锰对介稳奥氏体锰钢加工硬化性能的研究 特殊钢 2003 18 肖汉杰 王玉玮 中锰钢相变过程中的试验研究 铸造 1996 6 15 19 朱瑞富 朝志强 魏涛 奥氏体中锰钢加工硬化的微观机制 钢铁研究学报 1997 20 吕宇鹏 朱瑞富 朝志强 超高锰耐磨钢的组织及性能研究 矿山机械 1998 21 李树索 陈希杰 超高锰钢铸造性能的研究 铸造技术 1997 22 章守华 吴承建 钢铁材料学 北京 冶金工业出版社 1992 23 Joy G D Nuttingproperties of steel J Effect of second phase particles on the mechanical IS 1971 24 余宗森 褚幼义 钢中稀土 北京 冶金工业出版社 1982 25 王仲环 稀土变质处理改善高锰钢性能 热加工技术 2001 26 何力 金志浩 卢锦德 稀土变质处理及合金化对高锰钢组织结构的影响 金属热处 理学报 2000 27 I KARAMAN H SEHITOGLU K GALL Deformation of single crystal hadfield steel by twinning and slip Acta mater 2000 48 13451359 致致 谢谢 本毕业论文指导老师计云萍导师的悉心指导下完成的 老师严谨的治学之风 平 易近人态度非常令我非常感动 使我受益非浅 计云萍导师在我的实验以及数据的处 理过程中不断的指导 及时的指出论文当中的缺点与不足 给了我很大的帮助 在此表 示由衷的感谢 对于在实验过程中 给予我大力支持的实验王玉芬老师 任慧平老师 赵勇桃老 师 孙昊老师和冯佃臣老师表示由衷的感谢 对于在实验过程中 给予我很大帮助的霍文霞学姐 陈涛 房威同学表示由衷的 感谢 对于在实验过程中给予我很多良好建议的各位老师和同学表示由衷的感谢 最后 祝所有老师和同学们身体健康 工作顺利 袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃