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奥氏体锰钢

2016年12月20日 17:18  点击:[]

1882年Robert Abbot Hadfield发明了高锰钢。此钢在高冲击载荷及高挤压应力下,使工件表面加工硬化,显微硬度由HV250提高到HV750左右,而工件内部仍保持优良韧性,即使零件很薄,仍能承受较大的冲击载荷而不断裂,其耐磨性与HRC50的马氏体相当。因此广泛用于冶金、矿山机械、建筑机械、拖拉机履带板等易损件。

高锰钢的加工硬化机理有位错堆积与形变诱导变两种理论。近年来的研究更多的支持了位错堆积论。认为,高锰钢在摩擦作用下高度强化是由于形成大量的位错、孪晶变形、锒嵌缺陷及块状组织细化等。在位错密度达到极限值时,滑移实际上不可能,这是孪晶成为主要的变形形式。

但是在低冲击载荷或低应力下,由于不可能达到那样高的加工硬化度,这时高锰钢的耐磨性不如其它耐磨钢好。如用高锰钢作喷丸机的喷嘴,其寿命和一般碳钢相当。用ZGMn13做球磨机衬板一般使用六到八个月,多者一年,使用寿命还不如T8钢及其它低合金耐磨钢。

另外,即使在较高的冲击载荷下,如果破碎的矿石较软,其耐磨性也较差。如锤式破碎机的锤头,破碎含有泥沙的较软的矿石时,锤头表层加工硬化只有240—300HB,锤头寿命最多18小时。综上可见,高锰钢不是任何情况都是耐磨的,只有在高冲击下和高应力下迅速加工硬化,形成耐磨的表面层时,才显出较高的耐磨性。

虽然近年来新型材料很多,部分地取代了高锰钢,但人们还从各方面对高锰钢进行改进,并取得了很大的成交。主要有三条途径,一是高锰钢的再合金化,二是改变高锰钢的Mn/C比,三是生产工艺的改进。分述如下:

1、高锰钢的再合金化

为了提高高锰钢的耐磨性及屈服强度等性能,因内外广泛使用合金化或微合金化的方法骐在于强化固溶体,减少碳化物的析出,改变碳化物的形态和分布,改善奥氏体加工硬化性能。合金元素提高屈服强度和抗拉强度的幅度依次为V>mo>Cr,但V、Mo、Cr都使延伸率和冲击韧性下降。其中,V使延伸率和冲击值的下降幅度最大,MO,Cr次之。

在Mn13中加入2%的Cr,亦即Mn13Cr2,可提高屈服强度,提高耐磨性。但由于晶界碳化物析出倾向增加,从而使钢的延性和比Mn13降低30—40%。

加放1%--2%的Mo可使屈服强度提高,并且提高980°时的高温强度及延性,从而减少了热裂倾向。钼还能阻止连续冷却或等温停留时奥氏体分解。钼可以与较低的奥氏体化温度相配合,形成弥散颁布的碳化物,还能抑制厚大锰钢件冷却时珠光体和针状碳化物的形成。钨也有类似作用,但效果不如钼。

加入2—3%的Ni可制造无磁工件。如同时加入0.2—0.4%的Bi,能改善高锰钢的加工性能。微合金化(约0.05%--0.14%)的方法对高锰钢进行变质处理是用得最多的生产方法,生产工艺简单,成本低,技术难度也较低,效果很明显。

加入0.1—0.5%的Ti,有减小形成晶界碳化物膜的倾向,可以细化组织和提高耐磨性。但Ti量不宜太高,太高促使碳化物和氮化物沉积,对韧性不利。加Ti后耐磨性可以提高25—50%。

有钒钛同时对高锰钢变质处理,可细化晶粒,消除柱状晶,在不降低塑性韧性条件下提高屈服强度。一般在出钢时加入包中,出钢前用铝脱氧。加钒钛的高锰钢在较低的变形量(15%)下,就可以得到高的硬度值。而Mn13要在25%的变形量下才能达到同样的硬度值。在加Ti或V、Ti的同时加入0.2%左右的稀土,效果也很好。在Mn13中加入0.7—0.8%Mo、0.3—0.4%VEY 0.2—0.4%Ti,600°保温6小时再加热至1000°固容处理后,4M3电铲铲齿的寿命提高70—170%。

国内在高锰钢中加入约0.05%的N和1.5%左右的Cr,其性能见表1。

方案

钢种

σ

kg/mm2

δ

kg/mm2

σ

%

Ψ

%

αk

硬度

磨损量

1

Mn13

40

63

25

42

19

179

1.4

2

Mn13NRE

55

70

25

44

26

218

1.01

3

M13NTi

46

82

31

51

23

202

1.10

4

M13NCr

53

93

29

44

27

224

0.9

5

比1提高%

32

48

12

5

48

25

54

由表1可以看出,加入氮铬的高锰钢综合性能较好。装机对比试验结果表明,Mn13NCr高锰钢而磨性比标准型高锰钢提高35%。

日本在高锰钢中加入1.0—3.5%的Cu、<0.6%的Mo和0.01—0.03%的B,改善加工硬化性能,又配合加入V、Nb、W、N等元素,耐磨性比Mn13提高50%,用于破碎机和大型球磨机衬板等耐磨件。

我国稀土资源丰富,用稀土对高锰钢进行变质处理,可细化晶粒,改善碳化物和非金属夹杂的形态分布,有利于提高韧性和抗热裂倾向。在Mn13中加入0.1—0.3%的稀土硅铁,作破碎机锤头比Mn13寿命提高16.1%,用作铲齿提高1.6—16%,用作腭式破碎机齿板提高20—30%,而且韧性好,抗冲击,不掉牙,不断裂磨损均匀,用作球磨机衬板寿命可提高25%。

2、改变锰碳比,降低高锰钢奥氏体的稳定性,提高耐磨性。

(1)低碳高锰钢。C,0.3—0.9%,Mn11—14%,适当加入NiMo等以保证机械性能。由于碳低锰高,铸态下无碳化物,铸态冲击值也较高,可以生产形状复杂的铸件,同时这种钢的耐热性能也较好,适合于有一定温度的场合。

(2)高碳中锰钢。C1.2%左右,Mn含量6—7%,并含有0.5—1.0%的Mo,由于Mn低,奥低体稳定性较低,较低应力下也能加工硬化。但高碳中锰钢的韧性比Mn13下降较多,其韧性和耐磨性见表2。

表2高锰钢改型锰钢的韧性和耐磨性

材 料

冲 击 功 ft*i

热处理态试样磨损失重 mg

铸 态

热处理态

1.15C - 12Mn

1.15C -12Mn - 0.5Mo

1.15C -12Mn - 1.0Mo

1.4C - 12Mn

1.4C - 12Mn - 0.5Mo

1.4C - 6.5Mn - 1.0Mo

1.2C - 6.5Mn - 0.5Mo

1.2C - 6.5Mn - 1.0Mo

3.9

8.6

10.9

3.3

4.1

4.5

1.9

2.3

114

98

74

31

21

27

20

38

71.4

71.0

70.9

67.3

65.9

66.4

52.5

53.1

注:销盘磨损试验机、磨料150目红榴石。

高碳中锰钢用于球磨机衬板,寿命提高18—20%。用于风扇磨打击板寿命比Mn13提高30%以上。这种锰钢,可用于矿山和采矿部门的各种破碎机锤头,破碎机辊子,磨球、档板、主衬板,建筑部门各种形式的装料器和挖泥船斗齿、钻头、凿子及推土机刮板等。

(3)中碳(0.6—0.9%)中锰介稳奥氏体锰钢。加入适量的Cr、Mo、V、Ti、稀土等,经固溶和时效后,由于Mn含量较低,奥氏休珠稳定性较差,在较低的冲击力应力下也能加工硬化,又由于碳含量也较低,碳化物析出倾向较高碳中锰钢小,因此韧性也较好,可以用在非强烈冲击载荷的场合,得到的耐磨性。

(4) 超高锰钢。将Mn13中的碳和锰都适当提高,即将碳提高至1.5%左右,锰提高到18%左右,发现其加工硬化能力优于高锰钢。将1.53%C;0.55%Si;18.2%Mn;2.65%Cr;0.22%Ti;0.35%Re;<=0.06P;<0.05%S的超高锰钢制作风扇磨冲击板,寿命比Mn13提高近一倍。试验证明,碳的提高有利于提高钢的耐磨性;锰量提高则有昨于提高冲击韧性。

如果碳含量保持在1.0—1.2%,在Mn提高到18%左右,则可提高和减少碳化物的析出倾向,可用来制作超大截面的耐磨件,如大锤头等,使用效果也相当好。另外,超高锰钢还可以在低温下使用,对我国北方冬季比较严寒的特点具有很大的意义。

最近,国外有一专利,发明了一种含Mn25%的超高锰钢,该专利认为这种钢的加工硬化速度快,在4个国家25个单位运行表明,寿命增加30%左右。这将是超高锰钢的另一发展方向。

3、高锰钢生产工艺的改进

(1)悬浮浇注对耐磨性的提高有利。悬浮浇注对耐磨性的提高有利。悬浮浇注是将合金粉(如WC、VC粉等)在钢水浇注时带入型腔,以期达到激冷、增核与致密的作用,从而提高铸件的耐磨性。

(2)吹氩处理。能减少钢中氢、氧和夹杂物,使钢水温度均匀且改善了钢液的流动性,从而可降低浇注温度来细化一次晶粒,提高机械性能,最终提高了耐磨性。另外,如考虑经济效益,也可以吹氮处理,效果也很好。

(3)表面强化技术。也就是用机械方法使高锰钢产生预硬化,以达到提高耐磨性的目的。用得比较多的是爆炸硬化。

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