高錳鋼中錳鋼

1、高錳鋼 中錳鋼高錳鋼 中錳鋼合理設(shè)計(jì)了中錳奧氏體基耐磨鋼的成分，并選擇合適的水韌處理工藝來(lái)獲得一種介穩(wěn)的單相奧氏體組織，在此組織基礎(chǔ)上進(jìn)行不同的等溫?zé)崽幚砉に?，獲得一定量的馬氏體，以提高基體的初始硬度，又不惡化其沖擊韌度。再通過(guò)與高錳鋼(Mn13)在同等工況條件下進(jìn)行耐磨性模擬對(duì)比試驗(yàn)，來(lái)選擇適合中鉆鋼在中、低沖擊磨料磨損條件下使用的熱處理工藝和組織。同時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行了金相組織觀察及力學(xué)性能測(cè)試。關(guān)鍵詞：中錳鋼；熱處理；耐磨性耐磨奧氏體錳鋼最早于1882 年由英國(guó)冶金學(xué)家Hadfield 發(fā)明，其基本成分為：11%- 14%Mn1.0%1.4%G這種高鉆鋼在水淬后具有高韌性、高冷作硬化能力，在高

2、沖擊載荷下使用，耐磨性好。但它同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)，主要是屈服強(qiáng)度較低和在較小載荷下使用加工硬化能力不足等。為解決這些不足，主要采取兩種辦法：一是加入某些合金元素，在奧氏體基體上形成細(xì)小彌散分布的第二相粒子，來(lái)提高鋼的屈服強(qiáng)度；二是降低奧氏體的穩(wěn)定性，在磨粒作用下誘發(fā)馬氏體相變，提高加工硬化效應(yīng)，提高耐磨性。介穩(wěn)奧氏體中鉆鋼正是通過(guò)降低含 C、Mn量來(lái)降低奧氏體的穩(wěn)定性，并通過(guò)添加 少量的合金元素鉻來(lái)提高鋼的屈服強(qiáng)度。這種介穩(wěn)的奧氏體無(wú)論是溫度變化或塑性變形都有可能誘發(fā)馬氏體相變。1 試驗(yàn)原理與方法高錳鋼 中錳鋼1.1 化學(xué)成分的設(shè)計(jì)依據(jù) 由圖11可看出，一定的鉆、碳配比可使合金經(jīng)水韌處理后在室

3、溫處于單相奧 氏體組織，如Mn含量在8% 10% C含量在0.5%0.8%時(shí)，合金在室溫下處于 Y相區(qū)，但同時(shí)由于它靠近 T + a相區(qū)，這種奧氏體的穩(wěn)定性低，易于誘發(fā)馬 氏體相變。我們以Ms點(diǎn)在-20-30C, Md>M計(jì)(50100c),即在室溫附近為 出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行碳、鈕等成分的設(shè)計(jì)，同時(shí)添加少量的合金元素銘，來(lái)提高中鉆鋼 的屈服強(qiáng)度。圖 1 Fe-Mn-C相圖(20 C)(950 1100C,水淬)1.2 化學(xué)成分 中鉆鋼的設(shè)計(jì)成分如表1所示。表1中鉆鋼設(shè)計(jì)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))w(%)鋼編PCSiMnCrMoS、P10.51 0.600.30.68.69.51.01.5/<0

4、.0620.61 0.700.30.67.68.51.01.5/<0.0630.61 0.700.30.67.68.51.01.50.15 0.30<0.06根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式2:Ms(C) = 550-361C-39Mn-35V-20Cr-17Ni-10Cu-5Mo+ W+ 15Co+ 30Al經(jīng)對(duì)設(shè)計(jì)鋼的Ms Md估算，1號(hào)鋼Ms點(diǎn)約為-24C； 2號(hào)鋼Ms點(diǎn)約為-21C ； 3號(hào)鋼Ms點(diǎn)約為-22 C。Md點(diǎn)均在室溫附近，符合設(shè)計(jì)要求。1.3 冶煉及鍛造冶煉是在堿性爐襯中頻感應(yīng)爐中進(jìn)行的。熔煉后鋼水澆入預(yù)先制好的干砂型中， 再經(jīng)鍛造、機(jī)加工制成金相試樣、沖擊試塊、拉伸試樣及耐磨損試

5、樣。1.4 水韌處理高銳鋼Mn13的固溶處理溫度為10501100C。中銳鋼在降低含碳、鈕量的同時(shí)也添加了一定量的合金元素，但由于加入量較少，因此其固溶處理溫度基本同于高鉆鋼，但加鋁鋼種由于鑄態(tài)組織中存在大量碳化物，需增加在1150c保溫1520min。升溫速度在T<500c時(shí)為100c/h,為防止奧氏體中析出較多的碳化物和大量 分解為共析組織，在500700c之間快速升溫(200 C / h),在700c之后升溫速 度為100c/h,到溫保溫1.52h。為了防止再次析出碳化物，出爐時(shí)試樣入水 溫度不得低于950。1.5 等溫?zé)崽幚碓嚇咏?jīng)水韌處理后，為單相奧氏體組織，其硬度較低(1802

6、20HV),為此需將試 樣進(jìn)行等溫?zé)崽幚?，以析出一定量的?qiáng)化相，來(lái)提高試樣的初始硬度和耐磨性。本試驗(yàn)采用了兩種不同的熱處理工藝：分級(jí)等溫亞溫處理工藝 3包括兩個(gè)階 段：第一階段的中溫等溫工藝，即將試樣加熱至 550C, 溫23h,出爐水冷; 第二階段的亞溫等溫工藝，將試樣繼續(xù)升溫至 680700c保溫22.5h后出爐 水冷。中錳奧氏體在550經(jīng)保溫處理，此時(shí)奧氏體將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，若奧氏體未轉(zhuǎn)變完全，水冷過(guò)程將發(fā)生部分馬氏體轉(zhuǎn)變，因此， 中溫處理后得到的組織為：珠光體、馬氏體和殘留奧氏體。然后再升溫至680700c區(qū)間，這時(shí)原有的珠光體發(fā)生粒化，另一部分珠光體重新轉(zhuǎn)變成奧氏體，其相對(duì)量和含碳量

7、取決于加熱溫度；冷卻時(shí)，這種奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w和馬氏體，此外還會(huì)殘留部分奧氏體組織。這樣，便可得到由珠光體、屈氏體、馬氏體及殘留奧氏體所組成的 多相組織；二次回火處理工藝 將水韌處理后的鋼入爐經(jīng)500c等溫2h,出爐 水冷；再重新入爐，經(jīng)380c保溫2h,出爐水冷。水韌處理后的中銳鋼得到單一的奧氏體組織， 經(jīng)一次回火后，在奧氏體晶界附近， 可析出許多碳化物及馬氏體組織，此時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變還未完成，一部分奧氏體將殘 留下來(lái)。再將其升溫至380C,等溫2h,碳化物形態(tài)發(fā)生改變，所得的組織將是 奧氏體基體上均布的粒狀碳化物及馬氏體。1.6 力學(xué)性能測(cè)試10mm勺圓棒型長(zhǎng)試樣，沖擊試樣尺寸為(10X10

8、X 55)mm 無(wú)缺口。1.7 沖擊磨料磨損試驗(yàn)沖擊磨料磨損試驗(yàn)是在改裝的 MM-20CS磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，經(jīng)自制上試樣夾具，所用試樣為(10X10X 10)mm小方樣。上試樣夾具示意圖如圖 2所示。圖2磨損夾具示意圖在磨損過(guò)程中用一固定好的光滑漏斗均勻地往兩磨損面之間注入人造石英砂，石英砂大約為810目。為保證該磨料的性能穩(wěn)定，流速平穩(wěn)，經(jīng)一定時(shí)間磨損后， 去掉磨碎的粉塵，再摻入新的石英砂。并采用多沖間歇磨損方式，模擬在沖擊載 荷作用下間歇磨料磨損行為。磨損試驗(yàn)開(kāi)始前，先在萬(wàn)分之一的分析天平上稱取上試樣質(zhì)量， 開(kāi)機(jī)磨損1h后, 取下試樣，經(jīng)水沖洗并用丙酮洗凈干燥后再次稱重。 對(duì)其經(jīng)一定時(shí)間

9、磨損后的失 重值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制成磨損量與時(shí)間曲線，并計(jì)算相對(duì)耐磨性（與Mn13鋼對(duì)比）大小，通過(guò)此方法來(lái)測(cè)試所研制的中鉆鋼在鑄態(tài)、 水韌態(tài)及不同熱處理?xiàng)l件下耐 磨性與高銳鋼在同等工況條件下的對(duì)比情況。該試驗(yàn)的工作示意圖如圖3所示。圖3磨損工作示意圖1.8 技術(shù)路線化學(xué)成分設(shè)計(jì)一冶煉鍛造一送機(jī)加工一水韌處理一等溫?zé)崽幚硪恍阅軠y(cè)試一耐 磨性對(duì)比試驗(yàn)2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1 化學(xué)成分分析及組織觀察經(jīng)化學(xué)分析中心分析，該批試驗(yàn)鋼化學(xué)成分如表2所示。表2試驗(yàn)鋼實(shí)際化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）w（%）因1號(hào)與3號(hào)化學(xué)成分基本相近，本次試驗(yàn)抽取其中的3號(hào)與2號(hào)作為試驗(yàn)鋼種。圖4為中鉆鋼水韌化處理后的單一奧氏體組織，2

10、、3號(hào)鋼水切化處理后再進(jìn)行分級(jí)等溫亞溫工藝處理后組織為粒狀珠光體、馬氏體、碳化物及奧氏體組織（如圖5、6）。水韌化十二次回火工藝處理后組織為奧氏體、粒狀碳化物及馬氏體組織（見(jiàn)圖7、8）圖5 2號(hào)鋼550C X2.5h+700C X2h,水冷X 250粒狀珠光體、馬氏體、碳化物及奧氏體圖 6 3 號(hào)鋼 550C X 2.5h + 700c X 2h,水冷 X 250粒狀珠光體、馬氏體、碳化物及奧氏體圖7 2號(hào)鋼500c X 2h水冷+ 380c X 2h水冷奧氏體、粒狀碳化物及馬氏體X250圖8 3號(hào)鋼500c X 2h水冷+ 380c X 2h水冷奧氏體、粒狀碳化物及馬氏體X2502.2 力學(xué)

11、性能測(cè)試結(jié)果(高鉆鋼中鉆鋼)表3、4為2、3號(hào)鋼相應(yīng)的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，可以看出，2號(hào)樣經(jīng)分級(jí)處理后aK值(105.8J /cm2)和b值(548.8MPa)均較高，說(shuō)明其綜合力學(xué)性能較3號(hào)樣 好。2號(hào)樣經(jīng)分級(jí)處理后的顯微硬度 494HV0.1也較其經(jīng)水韌處理后的顯微硬度 213HV0.1要高得多。表3不同狀態(tài)下試樣的aK值/ J.cm2狀態(tài)2號(hào)3號(hào)鑄態(tài)/142.1水韌態(tài)114.6143.1一次回火態(tài)55.934.3二次回火態(tài)67.259.7分級(jí)處理態(tài)105.862.8表4 試驗(yàn)鋼不同狀態(tài)下(T b值/ MPa試樣號(hào)鑄態(tài)水韌態(tài)二次回火態(tài)分級(jí)處理態(tài)2/463.2493.5548.83391.04

12、02.1471.3462.62.3耐磨性試驗(yàn)結(jié)果二次回火態(tài)的相對(duì)耐磨性：2號(hào)樣為135% 3號(hào)樣為118% Mn13為100%可見(jiàn)2號(hào)樣經(jīng)二次回火后相對(duì)耐磨性比 Mn13鋼提高了 35%而3號(hào)樣則提高18%分級(jí)處理態(tài)的相對(duì)耐磨性：2號(hào)樣為153% 3號(hào)樣為120% Mn13為100%可見(jiàn) 2號(hào)樣經(jīng)分級(jí)處理后相對(duì)耐磨性比 Mn13鋼提高了 53%而3號(hào)樣則提高了 20%經(jīng)分級(jí)處理后的鋼得到的組織是由珠光體、屈氏體、馬氏體及奧氏體所組成的多相組織，這種組織既有好的韌性，又有較高的屈服強(qiáng)度，其初始硬度也較高(465 494HV)。二次回火態(tài)由于彌散的碳化物及馬氏體提高了初始硬度，耐磨性較Mn13鋼也

13、有所提高。中鉆鋼試樣經(jīng)磨損后，磨損斷面組織可出現(xiàn)大量李晶、 滑移線，并且滑移線交叉 出現(xiàn)。經(jīng)對(duì)中銳鋼樣進(jìn)行較小力的錘擊試驗(yàn)，觀察其變形面組織，可發(fā)現(xiàn)有形變馬氏體 內(nèi) 出現(xiàn)。分別見(jiàn)圖9、10、11。而Mn13鋼在相同工況條件下出現(xiàn)加工 硬化現(xiàn)象不明顯，磨損后組織仍為奧氏體，有部分滑移線，無(wú)孚晶和形變馬氏體 出現(xiàn)，因此其耐磨性較中鉆鋼差。圖9中鉆鋼2h磨損試驗(yàn)后磨損面上的交叉滑移線X 400圖10中鉆鋼4h磨損試驗(yàn)后磨損面上的李晶組織X250中鉆鋼經(jīng)小錘錘擊50次后磨損面出現(xiàn)的形變馬氏體組織X250圖112.4中鉆鋼中的等溫馬氏體中鉆鋼水韌處理后經(jīng)450625c等溫保溫一段時(shí)間，冷卻后將出現(xiàn)等溫馬

14、氏體。等溫過(guò)程是成分?jǐn)U散和固溶體成分發(fā)生改變的過(guò)程。 保溫時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)隨后冷卻 時(shí)馬氏體相的多少有影響。在一定時(shí)間范圍內(nèi)，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，馬氏體量將增 加。圖12、13分別是500c保溫5h和500c保溫10h后得到的組織。圖12 2號(hào)鋼500c X 5h水冷后組織 X 250奧氏體、針狀馬氏體及屈氏體圖13 2號(hào)鋼500C X 10h水冷后組織X 250奧氏體、針狀馬氏體及屈氏體3結(jié)論(1) 經(jīng)試驗(yàn)得出中銳鋼合適的成分范圍 w(%)為：0.600.65C, 7.58.5Mn,1.0 1.5Cr, 0.1 0.3Mo, 0.3 0.6Si , <0.06S、P;(2) 為保證中鉆鋼水切化后得到單一奧氏體組織，固溶溫度宜選擇10501100C,保溫時(shí)間1.52h,含鋁鋼另加1520min的1150c保溫過(guò)程，鋼出爐 入水溫度不低于950C；水韌化后采用分級(jí)等溫亞溫處理(550 C,保溫23h; 700C,彳溫2.5h),可得到較高耐磨性(與Mn13鋼在同等中低載荷沖擊條件下 比較 ) 和較好力學(xué)性能的多相彌散組織。(3) 中錳