合金化高锰钢的组织与性能

合金化高锰钢的组织与性能

0碳化硅钢pla自1882年英国发明耐腐蚀性钢（也称为hadfield钢）以来，高铬钢已经使用了100多年，成为一种传统的耐腐蚀性材料，并在广泛使用。耐磨高锰钢是指ω(C)=1.0%~1.4%,ω(Mn)=11%~14%的钢。高锰钢铸态组织为奥氏体及碳化物,经1000℃左右加热水韧处理时,碳化物全部或大部分溶解于奥氏体中,得到单相奥氏体或奥氏体加少量碳化物的组织,因此具有良好的塑性和韧性,裂纹扩展速率很低,使用安全可靠。高锰钢最大的特点是使用过程中,在较大的冲击载荷或接触应力作用下,其表层迅速产生加工硬化并形成马氏体及ε相沿晶面滑移,表面硬度急剧升高,而内部奥氏体仍保持着良好的韧性。因此水韧处理后的高锰钢铸件具有良好的耐磨性,同时能承受较大的冲击载荷而不破裂。高锰钢作为耐磨材料,在抵抗强冲击、大压力作用下的磨料磨损或凿削磨损方面,其耐磨性是其他材料所无法比拟的。高锰钢的这一特殊性能使其长期广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路、电力、煤炭等机械装备中。但在使用实践中发现,高锰钢的耐磨性是有条件的,只有在冲击大、应力高、磨料硬的情况下,高锰钢的高耐磨性才得到体现。同时由于高锰钢的屈服强度低、初次使用时易于变形,而造成较大的磨损。因此,提高高锰钢的屈服强度,降低初次使用时的变形量,将可以进一步提高高锰钢耐磨性。1提高高锰钢的抗旱性1.1提高材料的耐磨性高锰钢的合金化及变质改性处理是目前提高这一传统材料耐磨性的主要手段之一。高锰钢合金化研究的主要趋势是通过在传统成分的高锰钢中加入Cr、Mo、V、Ti、Re等合金元素并进行变质处理,从而在其奥氏体基体上获得弥散分布的碳化物颗粒以提高材料的耐磨性。通过合金化得到产生第二相强化机制的碳化物颗粒,是使传统高锰钢耐磨性提高的有效途径。此外,通过合金元素对奥氏体基体的强化进而增强其形变硬化能力,同样是提高合金化高锰钢耐磨性的重要措施。何力、卢锦德等关于合金化对高锰奥氏体基体强度及耐磨性影响的研究表明:经过合金化处理后的高锰钢除了获得弥散的碳化物颗粒外,奥氏体基体点阵亦发生了较大畸变,磨损后的磨痕形态较传统高锰钢发生了明显变化,磨料颗粒划过的犁沟两侧材料的流变形态反映出,合金化增强了奥氏体基体形变硬化的水平及变形-硬化的响应速率。1.2表面变形和强化1.2.1拉应力在增强和延长零件使用寿命方面的应用工业界广泛应用的机械喷丸强化工艺是通过对零件表层实施冷挤压,从而使表层冷作硬化并产生残余压应力。冷作硬化使零件的强度有所提高,残余压应力则会消除工件因机械加工、热处理等形成的拉应力,从而能显著提高零件抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力,延长零件使用寿命。王静宜和谈育煦研究了喷丸对高锰钢组织结构的影响后认为,除了在表层引入残余应力外,表层组织结构得到改善(即组织强化)也是喷丸强化的一个重要机制。高锰钢(Mn13)是面心立方晶体并且具有较低的层错能,高锰钢经喷丸强化后表面层内能形成大量显微变形孪晶,能使表面层内位错密度急剧升高,同时伴有一定数量的ε马氏体。因此喷丸处理后零件的使用性能(如弯曲疲劳强度、接触疲劳强度及耐磨性等)会得到大幅度提高,耐磨性增强。1.2.2宏观残余应力爆炸强化也是一种表面形变强化的方法,生产上常用来提高构件的疲劳寿命。疲劳强度提高的原因与喷丸强化相同,简单归纳为:①表面强化层中发生亚结构的变化;②表面强化层中存在宏观残余应力。王静宜分析了高锰钢爆炸层的组织结构,通过运用TEM衍衬图象可看出和喷丸强化层相仿,随着层深增加孪晶栅栏的密度渐次减少,变形层表面位错密度很高,ε马氏体的形态和喷丸时形成的完全相同。爆炸强化层中偶尔还可发现少量α马氏体,形态也为条状,但其内部不出现残余奥氏体的衬度。α马氏体是最终的稳定相,其形成原因可能与爆炸时的高应变速率及大变形量有关。1.3网状纤维束复合铸件分散镶铸工艺是在高锰钢铸件中镶铸一定直径和数量的网状弹簧钢丝骨架,经水韧处理后,可在铸件内得到呈长条网状分布的马氏体纤维束,成为在高碳高锰的奥氏体内分布的中碳中锰马氏体网状纤维束的复合铸件。其中网状马氏体纤维束具有高强度和高硬度,同时马氏体相变产生的应力时期周围的奥氏体预先加工硬化从而提高硬度,使高锰钢复合材料在中、低冲击磨料磨损工况条件下的耐磨性显著提高。余江龙等人根据这种方法在高锰钢中镶铸65Mn弹簧钢丝,结果表明:分散镶铸后65Mn弹簧钢丝在高锰钢铸件内部产生了良好的冶金结合,水韧处理后产生了网状纤维马氏体组织,从而提高了高锰钢件在低应力磨料磨损条件下的耐磨性。1.4第三相再构成亚反冲的第四相点,这是提高超高锰钢组织及力学性能的基高锰钢在非强冲击磨料磨损的条件下,工件表面受到磨料的冲击和切割作用,常常是在形变后发生剪切破坏,如何提高材料的强度和抗剪切破坏能力是一个关键的问题。高锰钢的沉淀强化热处理方法可以使高锰钢的均匀奥氏体固溶体中出现弥散分布的第二相质点,这种第二相质点起强化作用,在金属中构成位错的运动阻力。第二相质点和运动中的位错交互作用使临界分切应力提高,使材料具有良好的抗磨料磨损能力。袁子洲等人研究了时效处理对超高锰钢组织及力学性能的影响。通过比较固溶未时效及不同时效工艺处理的金相照片可知:320℃时效时碳化物在较短的时间内大量析出,但还没有能力快速聚集粗化;520℃时碳化物析出速度和聚集速度都很快,并且晶界处点阵缺陷多、能量高、扩散容易,碳化物在晶界优先析出,快速聚集,形成局部脱溶。时效处理后材料的力学性能也有明显的变化:随着时效时间的增加,硬度先增加后降低;时效温度越高,硬度增加的值越大,冲击韧度越低。不同的时效温度、时效时间对冲击韧度的影响呈现出不同的规律,适当的时效处理还可以提高超高锰钢的形变硬化能力。2高铬钢沉淀、强化铁粉的加热2.1沉淀强化热处理沉淀强化热处理的目的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。通常需要加入与碳结合能力较强的合金元素,通过沉淀强化处理使奥氏体中析出含有合金元素的碳化物而成为第二相,使高锰钢具有很好的抗磨料磨损能力。沉淀强化热处理的原则是先进行固溶处理消除铸态组织,使铸态组织中的各种碳化物(如晶间网状碳化物、块状碳化物和针状碳化物等)及共析组织全部溶解,成为单一的奥氏体固溶体;随后在奥氏体从高温冷却的过程中,由于奥氏体中碳的脱溶会析出含有合金元素的碳化物,此外,奥氏体冷却过程中分解产生的共析组织中也有较多的含有合金元素的碳化物。此后升温的过程中进行奥氏体的重结晶。在升温和保温时有部分的碳化物会溶解,但有相当一部分碳化物保留下来。奥氏体中碳脱溶析出的碳化物和共析组织中的碳化物分散度较高,而且在升温和保温过程中会发生粒状化。这样,经过重结晶之后,高温水淬所得到的组织是经过重结晶、有所细化的奥氏体基体上分布的、弥散的、粒状的碳化物第二相质点。这样的组织对提高材料抗冲击磨料磨损的能力是有利的。2.2高铬钢沉淀固结法2.2.1期孕育期如图1所示,这种热处理方法分为3个阶段:第一阶段是消除铸态组织的固溶处理。第二阶段是奥氏体的分解。其恒温分解温度约在600℃,该温度范围内奥氏体的稳定性最差,孕育期短。此阶段奥氏体中既有碳的脱溶析出又有奥氏体的分解,而且钢的组织里出现了大量弥散的非粒状碳化物。第三阶段是升温进行奥氏体化和高温水淬,升温阶段发生奥氏体重结晶,组织细化。脱溶析出的碳化物和共析组织的碳化物会有一部分溶解,但由于合金元素的碳化物难溶,时间和温度条件也不充分,因此不可能大量溶解。共析组织中的碳化物在升温和保温阶段进行粒状化,经过水淬后这种组织被固定下来。2.2.2铸造过程组织的变化此方法是将铸态高锰钢先在850℃~870℃固溶,然后炉冷到150℃左右再升温至1080℃左右进行水淬。热处理由2个阶段组成,如图2所示。在850℃~870℃的温度范围内可以基本消除铸态组织。在缓冷的过程中奥氏体中的碳脱溶析出,在通过共析转变温度时奥氏体发生分解,在加热升温过程中奥氏体重结晶、组织细化。奥氏体中碳脱溶析出的碳化物和共析组织中的碳化物由于含有合金元素,溶解温度高,在第二阶段被保存下来,最终形成了细化的奥氏体和有弥散碳化物的第二相组织,奥氏体的成分更均匀,从而使热处理后的钢的力学性能更高。2.2.3后再加热后碳化物法如图3所示,将铸态高锰钢加热到600℃~650℃以后保温较长时间,然后再加热到1050℃~1100℃水淬。这种热处理和常规水韧处理相似,但低温保温阶段延长,在这个阶段中铸态组织的奥氏体中继续析出碳化物并发生共析分解。在随后升温时进行奥氏体的重结晶,有碳化物的部分溶解和它的粒状化。2.2.4水韧处理的影响高锰奥氏体等温转变曲线如图4,由此可知,只要加热温度不过高,保温时间不过长,就可以使奥氏体中析出碳化物却又不使其分解。熊玉竹研究了回火温度对合金高锰钢耐磨性能的影响。合金高锰钢经水韧处理后,随着回火温度逐渐升高至250℃,合金高锰钢的磨损量降低,耐磨性能上升,在250℃时为最大值。当温度从250℃升到350℃时,其磨损量略有增加,耐磨性能有所下降,但仍优于合金高锰钢在常规水韧处理后的耐磨性能。当温度继续升高到500℃时,由于受碳化物析出的影响,有序团簇强化作用减弱,再加上固溶强化作用的减弱,磨损量继续增加,而耐磨性能明显下降,低于水韧态时的耐磨性。经水韧处理后合金高锰钢在250℃回火的耐磨性能较之水韧态提高13%。另外,用低温时效方法所制作的Mn13VTi和Mn13VTiMo钢的电铲铲齿,经矿山生产的实践证明,钢的耐磨性有大幅度提高。由此可