相对冲击功作用下高锰钢加工硬化能力的影响因素研究

相对冲击功作用下高锰钢加工硬化能力的影响因素研究

自出版以来，高锰钢作为一种优良的研磨材料，广泛应用于矿山机械、冶金、地板、军事等行业。采用高锰钢作为抗磨材料,主要原因是由于在冲击作用下,工件的表面能迅速产生加工硬化效果,提高工件表面的硬度并能保持足够的冲击韧性,使其具有良好的抗磨能力。高锰钢在使用时的硬度主要取决于其加工硬化,因此,提高高锰钢的抗磨性,就是要提高其加工硬化能力。目前文献中对高锰钢的加工硬化试验多采用小能量多次冲击和静载荷压缩或拉伸的方法来获得加工硬化,与大部分的实际工况相差甚远。本试验研究在对实际工况进行分析的情况下,采用自制落锤式冲击试验机,采用不同的“相对冲击功”,以期模拟不同实际工况条件下高锰钢的加工硬化效果,并探索冲击功、碳和锰的含量、变质处理及热处理工艺对加工硬化能力的影响规律。旨在为实际冲击条件下,高锰钢的成分确定及改性,合理应用高锰钢并充分发挥高锰钢加工硬化能力和抗磨性提供技术依据。1试验和研究的内容和方法1.1试验试验结果在实际生产中,高锰钢的应用范围很广,实际工况条件多种多样,所受到的冲击功大小也很难确定,选取高锰钢应用较多的锤式破碎机锤头和球磨机衬板为例,推测在实际工况条件下,高锰钢所受到的相对冲击功范围,以确定试验所用的相对冲击功的大小。计算数据如表1和表2所示。从表1、表2可知,物料冲击锤头或磨球冲击衬板的功是相当大的。因此,设计了落锤式冲击试验机,其最大冲击功可达到200J/cm2以上,在试验中可以较大幅度地改变冲击功的大小。试验中,分别采取50J/cm2、80J/cm2、100J/cm2、200J/cm2的相对冲击功,探索冲击功对加工硬化能力的影响规律,同时采用80J/cm2的相对冲击功,探索碳和锰的含量、变质处理及热处理工艺对加工硬化能力的影响规律。1.2冲击硬化材料的含量研究所用的材料在10kg中频感应电炉中熔炼,以高锰钢中间合金、废钢、金属锰、铬铁、钼铁等为原料配制熔化,经浇注、水韧处理、切割而成冲击硬化试样,其中铬的含量在1.6%～2.2%,钼的含量在0.5%～0.8%。热处理采用一般奥氏体高锰钢的水韧处理方法,温度为1100℃,保温后水淬。部分试样的材料取自成品破碎机锤头,采用线切割的方法从中心部位取得,经JP-100型光学金相显微镜观察,组织为单相奥氏体。用SPECTROLAB光电光谱分析仪测得试验所用材料的化学成分。2试验结果及分析2.1高锰钢的加工硬化能力对C、Mn含量不同的两种成分的高锰钢分别在50J/cm2、80J/cm2、100J/cm2和200J/cm2冲击功作用下进行加工硬化试验,结果如图1a、b所示。从图中可以看出,在低冲击功(50J/cm2)作用下,加工硬化能力较小,经过一定的冲击次数后,未能达到最佳的硬化效果。随着冲击功的增加,加工硬化能力提高。对于这两种成分的高锰钢达到最佳加工硬化效果所需的冲击功分别为100J/cm2和80J/cm2。由此可知,对于给定成分的高锰钢,存在一定的临界“相对冲击功”,低于临界功的情况下,冲击次数再多也无法达到其最佳的加工硬化效果;在临界冲击功的情况下,试样达到最佳的加工硬化效果;高于临界冲击功,加工硬化速率有所提高,但最终的硬化效果没有改变。对比图1a和图1b,当C、Mn含量较低时,所需的临界冲击功(100J/cm2)较高;C、Mn含量较较高时,所需的临界冲击功(80J/cm2)较小。因此,在冲击功较小的工况条件下,宜采用C、Mn含量较高的高锰钢,这样才能充分发挥加工硬化能力,达到良好的耐磨效果。对比表1、2的实际冲击条件可知,对锤式破碎机锤头在这样强冲击条件下,高锰钢可以达到最佳冲击硬化效果,而对于一般球磨机的衬板,高锰钢难以达到最佳耐磨效果,只有在大直径球磨机并同时使用大磨球的情况下例外。2.2碳含量对铁的影响对高锰和低锰两种系列的高锰钢,研究碳含量对加工硬化的影响,结果如图2a、b所示。从图中可以看出,碳含量的增加对加工硬化能力的提高是有益的。在图2b中,当碳含量达到1.77%时,加工硬化速率非常快,只需经20次冲击就可达到最大硬度值;但对于高锰钢而言,当碳含量过高时其韧性很差,含碳1.77%的锰钢在10次冲击后就已经出现裂纹,因此,在实际的生产中,只有选择适宜的碳含量,保证抗磨性和韧性的适当配合,才能延长高锰钢的使用寿命,防止使用过程中工件过早断裂。碳含量在1.2%～1.3%范围,研究锰含量变化对加工硬化能力的影响,其加工硬化曲线如图3所示。锰含量越高,钢的初始硬度就越高。但是在随后的冲击过程中,锰含量越高,在相同的冲击次数下,其硬度增加的速度就越慢,60次冲击后最终达到的硬度值越低。可见锰含量的增加对加工硬化能力的提高是不利的。2.3实验结果分析选取两种成分的高锰钢,每种成分有变质和未变质两种试样,对其进行冲击硬化试验,加工硬化曲线如图4a、b所示。综合两图可知,变质处理可以提高高锰钢初期的加工硬化速率,对锰钢件寿命的提高是有益的,尤其对锰碳含量较高的锰钢,但是变质处理并不能提高最终的硬度,这是一个值得进一步深入探讨的问题。对两种成分的高锰钢分别进行三种不同的热处理工艺,然后对其进行加工硬化试验,结果如图5a、b所示。从图中可知,在冲击硬化的后期,沉淀强化处理的高锰钢加工硬化能力优于只进行水韧处理的高锰钢,沉淀强化的温度为350℃时,其加工硬化的效果较好,当沉淀强化的温度升高到450℃时,反而不利于加工硬化能力的再提高。因此,合适的沉淀强化处理可以在一定范围内提高高锰钢的加工硬化能力。3沉淀强化处理对高锰钢的影响(1)高锰钢的加工硬化能力和所加冲击功有很大的关系。对于给定成分的高锰钢存在一定的临界相对冲击功,只有在大于临界冲击功的条件下,才能充分发挥高锰钢的加工硬化能力,达到最佳的抗磨效果。(2)Mn含量的降低和C含量的升高有利于加工硬化能力的提高,稀土变质处