提高高锰钢耐磨性工艺研究.doc

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1、浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文提高高锰钢耐磨性工艺研究Study on Improving Wear Resistance Process of High manganese steel王芳东海科学技术学院 机电工程系，浙江 舟山 316004摘要本文介绍了合金元素含量、水韧处理对高锰钢的显微组织和机械性能的影响，对奥氏体的显微硬度和冲击硬化做了试验，对加工硬化机理做了阐述，着重探讨了高锰钢的铸造性能和耐磨性能。还介绍了当前国内外关于调整成分进行合金化与改进铸造工艺来提高高锰钢耐磨性的研究情况。实验采用高锰钢经不同温度下的水韧处理获得一种最佳的实验方案从而得出提高耐磨性的方法，普通

2、高猛钢水韧处理温度在10501100。试验钢中有V，Cr，两者都是碳化物形成元素，铸态下钢中碳化物数量增加，由于残留碳化物的数量、形状及分布很大程度上取决于水韧处理温度并最终影响钢的机械性能，因此，针对其温度进行了试验。发现：在10001100淬火晶粒度没有变化；1180淬火出现粗大，且组织中出现了磷共晶。通过在不同温度条件下水韧处理的实验，结果总结出了一组比较适合的实验条件。实验表明：为了保证碳化物充分溶解于奥氏体中并使碳能均匀扩散，又不使晶粒粗化，试验钢的水韧温度下限提高到1080更能满足性能要求。在1080和1100淬火，都能获得较好的机械性能。在普通高锰钢中加钒，可使b提高10%以上。

3、在含铬高猛钢中加钒后，b提高1623%，其韧性还略有提高。关键词：水韧处理；机械性能；铸造性能；加工硬化；耐磨性AbstractThis article described the effect of different amount of alloying elements,water quenching heat treatment on microstructure and mechanical properties of high manganese steel. The hardness and the impact strength of the sample were teste

4、d, and the mechanism of work hardening was discussed. It also introduced the current researching situation in domestic and abroad about the wear resistance of high manganese steel.The best heat treatment process of high manganese steel was obtained by water quenching for improving the wear resistanc

5、e. The temperature of water quenching of high manganese steel is between 1050 to 1100. The two elements of V and Cr are both carbide forming elements. The amount, shape and distribution of residual carbides, depending on the temperature of water quenching to a large extent, ultimately effect the mec

6、hanical properties of steel. Therefore, the study focused on the temperature tested.A series of experiments were carried out at different temperatures, and a most suitable experimental condition was obtained. The results showed that in order to make carbide melt in austenite evenly, and prevent grai

7、n size from coarsening, the properties of the steel can be best when it was heated at 1080.Keywords：water quenching；mechanical properties；work hardening；abrasion resistance 目 录前言1第一章 绪论21.1 概况21.2 高锰钢的化学成分21.3 高锰钢的加工硬化41.3.1 形变诱发马氏体相变硬化假说41.3.2 孪晶硬化假说41.3.3 位错硬化假说41.3.4动态应变时效硬化假说51.3.5 Fe-Mn-C原子团硬化假

8、说51.3.6 综合作用硬化假说51.4 高锰钢的铸造工艺51.5 改善高锰钢耐磨性的方法61.5.1 合金化变质处理61.5.2 表面形变强化61.6 高锰钢铸件的热处理71.6.1 高锰钢沉淀强化的热处理81.7 高锰钢铸件的主要缺陷及防止对策101.7.1 黏砂形成机理及防止对策101.7.2 气孔产生原因及防止对策101.7.3 裂纹的形成原因及防止措施111.7.4 晶粒粗大的形成机理及防止措施111.7.5 组织不致密性的形成原因及防止措施11第二章 实验部分132.1 高锰钢样品的制备132.1.1 实验材料、配置浸蚀剂的药品、仪器设备132.1.2 水韧处理工艺142.2 高锰

9、钢机械性能的测试152.2.1 抗拉强度等机械性能的测试152.2.2 硬度的测定152.2.3 冲击硬化测试16第三章 实验的结果分析和总结173.1 高锰钢的机械性能分析173.1.1 抗拉强度等机械性能的测试结果分析173.1.2 硬度的测定结果分析183.1.3 冲击硬化测试的结果分析183.2 高锰钢的显微金相组织分析19第四章 总结和展望23致谢24参考文献25IV前 言时光飞逝，四年的大学生活已近尾声，做为机械专业的一名毕业生，回顾四年我感到收获颇丰。最后的这次毕业设计更是对自己所学知识的一次总结和学习过程。四年来，我认真地学习了各门基础课，专业课，也较为系统地学习和掌握了专业技

10、术课，在历次课程设计中，我都认真对待努力钻研，这些课程培养了我的设计、绘图、识图等各方面的能力，为我今后参加工作打下了良好的基础，使我具有了分析问题解决实际问题的能力。同时，在学习生活中也培养了吃苦耐劳的品质，互相帮助互相配合的团队合作精神，通过合理的组织协调，达到共同收获共同进步的目的，也深刻体会到一份劳动一份收获的道理。毕业设计的目的是培学生初步掌握独立从事专业技术的能力，提高学生从事工业设计的水平，使学生初步掌握从事本专业科学研究工作的能力，所以我认真把握这个机会。毕业设计，培养了我们运用各种工具书的方法和技巧，同时也培养了我们独立思考问题解决问题的能力，设计过程中借签了许多书籍，扩大了

11、我的视野，丰富了我的知识面。本设计主要是以高锰钢耐磨性工艺的研究为目标，我实验的主要目的是找寻一种最佳的水韧处理方案来得到高锰钢最佳的耐磨性性能，在不断的学习和实验中获得较好的实验效果，研究得到制备的较好的工艺条件。对于实验仪器的认识和样品的配置等等，都是对我一个很大的考验。但是终于我还是在不断的实践过程中掌握了这些东西，也是让我觉得很有成就感。这次设计是在学完基础课，专业基础课和专业课的学习任务，并在完成课程设计和毕业实习的基础上完成的，是对我们三年多所学知识的一次综合运用能力的全面检测。设计过程中，我参考了许多资料，做了一些实验，并在王春涛老师及其他老师的共同帮助下完成了本次毕业设计。由于

12、本人知识有限，实践经验不足，设计中难免有不足之处，请各位老师和同学见谅，恳请大家提出宝贵意见，在此表示衷心感谢！第一章 绪论1.1 概况高锰钢是历史最悠久的一种耐磨材料之一，它是由英国的Hadfield于1882年发明的，于1883年获得英国发明专利，亦称Hadfield钢，至今已有一百多年的历史。高锰钢使用状态的组织为奥氏体，它具有良好的韧性和加工硬化能力。即在强烈的冲击载荷或挤压载荷下，受力表面被加工硬化，硬度可从原始的HB200左右提高到HB500以上，而心部仍保持着良好的韧性。故高锰钢工件经加工硬化后能形成表面硬而耐磨的外壳和高韧性抗断裂的心部。广泛制作抗冲击载荷的耐磨件，尤其是矿山用

13、的大型耐磨件，如大型颚式破碎机的颚板、大型圆锥破碎机的破碎锥体和轧臼壁等。高锰钢优异的耐磨性是建立在加工硬化基础上的，需在高应力条件下服役才能充分加工硬化，而从耐磨件服役条件而言，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，高的抗磨性未被发挥。一些大断面工件，由于水冷固溶处理冷速不够，心部出现碳化物使韧性储备不足。一些高锰钢在高寒地区服役，当应力较大时会出现脆断等种种现象。20世纪60年代，我国的材料科学工作者着手在普通高锰钢ZGMn13基础上添加其他合金元素改善其性能。Cr能降低奥氏体的稳定性，提高高锰钢的屈服强度，衡阳冶金机械修造厂试制了含Cr高锰钢（Z

14、GMn13Cr）；稀土、钛能细化高锰钢晶粒，改善冶金质量，形成高硬度的TiC化合物增加高锰钢的抗磨性，包钢机械总厂试制了含RE、Ti的高锰钢（ZGMn13RETi），于1967年11月参加冶金部组织的在包钢白云鄂博矿4m3电铲铲齿的挖矿评比。由于RE、Ti能有效地提高高锰钢的耐磨性，包钢的ZGMn13RETi获第一名，自此，包钢将ZGMn13RETi作为本公司产品生产矿山用耐磨件。为改善高锰钢碳化物分布提高耐磨性，尤其是温热物料的挖掘、破碎工作，含Mo高锰钢（ZGMn13Mo）也少量投入生产使用。为保证大断面ZGMn13固溶处理后不出现碳化物，断面大于200mm高锰钢件加入2%4%Ni，即使在

15、空冷条件下也无碳化物析出。所以特大型的高锰钢工件可用ZGMn13Ni24来制作，Ni含量多少可由工件断面大小来定。为解决在中低应力下服役的高锰钢工件耐磨性低的问题，我国于20世纪70年代开始了中锰钢的研制。1981年在洛阳召开的拖拉机履带板新材料鉴定会上，以武汉工学院为首的几个单位提出了Mn含量为6%9%的中锰钢拖拉机履带板新材料。通过降低Mn含量，降低了锰钢奥氏体的稳定性，加速了在中低应力条件下的加工硬化能力，促进抗磨性的提高。由于在中低应力下服役，中锰钢加工硬化能力明显优于高锰钢，所以其耐磨性也优于高锰钢。但中锰钢韧性储备远低于高锰钢，不宜在高应力条件下服役，中应力条件下须慎用，低应力抗磨

16、件较适用。1.2 高锰钢的化学成分高锰钢最初是Hadfield在纯铁中加入锰铁得到的，经水淬后得到单相奥氏体组织。高锰钢刚研制成功时，成分在一个很宽的范围内变化，随着研究工作深入，钢的化学成分逐趋定型，传统高锰钢化学成分如表1-1所示。表1-2-1 传统高锰钢的化学成分（单位：%）元素CMnPSiS含量/%1.11.411140.070.31.00.05而作为耐磨材料的高锰钢其化学成分大致如下：C含量：0.9%1.5%；Mn含量：10%15%；Si含量：0.3%1.0%；S含量0.05%；P含量0.10%高锰钢属于C含量高的钢种，C含量在0.9%1.5%左右变化，碳对高锰钢的力学性能具有极为显

17、著的影响。碳在钢中有两个作用，一是促使形成单相奥氏体组织；二是固溶强化，以保证高的力学性能。随着碳含量的增加，碳的固溶强化作用增加，奥氏体锰钢的强度、硬度和耐磨性得以提高。Mn是高锰钢中的主要合金元素。锰在奥氏体锰钢中扩大了奥氏体区，稳定奥氏体组织，锰和碳都使奥氏体稳定性提高。钢中碳含量一定时，随着锰含量的增加，钢的组织逐渐由珠光体型变为马氏体型并进一步转变为奥氏体型。随着锰含量增加，钢的强度、硬度、韧性增加。当碳含量不变时，锰含量增加，加工硬化能力提高。锰能促使奥氏体枝晶生长，使得液态高锰钢趋于糊状凝固，在冷却收缩过程中，薄壁铸件由于温度梯度高，极易产生热裂，因此，锰含量不能过高。高锰钢中猛

18、含量通常为10%14%。硅在高锰钢中规格含量为0.3%0.8%，其主要作用的脱氧。残存在高锰钢中的Si固溶于奥氏体中，由于其晶格类型（立方锆石型）不是面心立方，原子半径比相小得多，所以能使奥氏体晶格产生明显畸变，起到明显的固溶强化作用。Si对高锰钢的强化作用和对其他钢种一样，能明显提高高锰钢的屈服强度。磷在高锰钢中是有害元素。高锰钢中P含量高于其他钢种是因为低磷锰铁难求，尽管在电弧炉中采用氧化法炼钢，可将废钢中P含量降低至0.02%0.03%，但由于还原期加入锰铁，一些锰铁的P含量高达0.3%0.4%，锰铁中将带入0.075%0.085%的P，加上废钢中的P，则钢中的P将高达0.1%或以上。如

19、采用不氧化法炼钢（共装法或返回法）则钢中P含量将会更高。磷的有害作用主要在于恶化高锰钢的力学性能、抗磨性能和铸造工艺性能。一般钢中的硫以FeS形式存在，它能溶解在钢液中。由于高锰钢中含有大量的锰，锰和硫的亲和能力大于铁，因而能夺取FeS中的S，形成不溶于钢液、高熔点（1785）的MnS，作为非金属夹杂MnS又大部分上浮（密度5.8g/cm3）至炉渣中被排除。因此高锰钢中含硫低，一般都小于0.02%，甚至可达0.005%或以下。残留在钢中的MnS以非金属夹杂形式存在，一般呈圆球形，数量又少，对高锰钢性能影响甚微。高锰钢中铝是作为终脱氧元素加入。由于高锰钢液极易氧化，尤其是转包浇注，包中钢水表面没

20、有炉渣保护而是裸露在大气中，会产生二次氧化，如果是厚壁件，浇注时和进入铸型未凝固前，钢液还将会进一步氧化，形成大量的MnO夹杂偏聚于晶界，促进高锰钢铸件热裂，韧性降低等一系列缺陷。V在高锰钢中使用较为广泛，加V后经固溶处理，可使V固溶于奥氏体中，再经时效处理（时效温度400），可使碳化钒弥散析出，有效提高高锰钢的抗磨性。在高锰钢中加入少量V，可使强度提高而塑性、韧性不降低（见表1-2-2）。由于V的加入提高了高锰钢的变形阻力，在应力作用下可提高加工硬化能力，使高锰钢耐磨性增加。V的加入使高锰钢低温冲击韧性降低，使冷脆转变温度升高。表1-2-2 V对高锰钢力学性能影响V含量/%b/MPa/%/%

21、kU/(J/cm2)0681.628.126.6211.80.20.3814.029.629.4212.8稀土元素能提高ZGMn13的耐磨性，尤其是较强冲击载荷服役下工件耐磨性。冲击载荷越大，加工物料越硬，更显示其不可取代性。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，使耐磨性提高。1.3 高锰钢的加工硬化关于高锰钢具有异常高的加工硬化能力的原因，长期以来一直引起人们的高度重视，国内外学者对此开展了广泛的研究。先后提出了形变诱发马氏体相变硬化说、孪晶硬化说、位错硬化说、层错硬化说、动态应变时效硬化说、Fe-Mn-C原子团说、位错+曾错+孪晶+马氏体、孪晶+Mn-C原子对造成的强烈

22、不对称畸变等多种复合硬化说。1.3.1 形变诱发马氏体相变硬化假说形变诱发马氏体相变硬化假说认为奥氏体高锰钢加工硬化的原因是由于高锰钢形变诱发高锰钢中的奥氏体转变成马氏体。由于两者的体积不同，后者的体积较大产生了膨胀阻碍滑移面滑移引起的。相关研究表明，在研究高锰钢中奥氏体的稳定性与形变能力时提出：奥氏体高锰钢由于层错能低，在形变过程中容易形成层错，在层错处会出现马氏体或形成形变孪晶，但是并不容易出现马氏体，并且在形变后也没有达到更高硬化程度。1.3.2 孪晶硬化假说孪晶硬化假说认为高锰钢加工硬化是由于高锰钢形变事是按“孪生”机制进行塑性变形形成孪晶引起的，所谓孪生是以晶体中一定的晶面沿着一定晶

23、向移动而形成的。在形变过程中会有大量的形变孪晶形成。这些形变孪晶讲金属基体切割成很多小块，位错被锁住，位错运动困难；另外孪晶界存在能垒也阻碍了位错的运动，使得高锰钢发生塑性变形需客服更大的阻力。由于存在这两种阻力，因此高锰钢在形变时出现硬化现象。晶体以孪晶方式形变时，整个孪晶区域作了均匀切变，其余各层晶面的相对位移距离是孪晶方向原子间距的分数值，这表明孪生时每层晶面的位移是借助一个不全位错的移动而造成的。1.3.3 位错硬化假说位错硬化假说认为高锰钢加工硬化的机制是由于奥氏体高锰钢在形变时产生高位错密度，大量位错形成高密度位错区，高密度位错区会阻碍位错运动而产生强化效应，从而导致高锰钢的加工硬

24、化。相关文献认为高锰钢的形变加工硬化可分为三个阶段：（1）易滑移阶段，滑移只在一个滑移系内发生。在平行的滑移系面上移动的位错很少受到其他的位错干扰，故可移动相当长的距离，并可能到达晶体表面。这样位错源就能增殖出新位错。（2）第二阶段随着变形量加大，滑移在多个晶面族和滑移系内发生，此时硬化机制有三种：位错交割产生割阶、固定位错使位错运动困难；位错交割和再交割成位错缠结或三位网络，位错在某一滑移面运动时会以不同的角度穿过此滑移面并与其他的位错形成林位错。此时由于位错间的弹性相互作用使位错运动受阻；位错相互作用形成胞状结构或亚晶粒互相锁住，同时胞壁成为位错运动的障碍。（3）第三阶段开始后，足够高的应

25、力使被阻挡的位错借助于交滑移而运动。1.3.4动态应变时效硬化假说晶体之所以能发生塑性变形是由于位错运动引起的，据此动态应变时效硬化假说认为，晶体发生塑性变形时溶质原子受到与位错周围扭曲的原子结构所伴生的高能应变能的影响，讲被吸引到位错中心出形成柯氏气团，使系统的应变能降低并对位错的运动起钉扎作用，即产生了动态应变时效强化效应，从而导致了加工硬化现象的出现。奥氏体锰钢的穆斯堡儿谱试验显示出其冷加工时碳原子的群集，且群集程度随时效的增加而增大。1.3.5 Fe-Mn-C原子团硬化假说1996年李士同等研究者通过热分析、磁分析、声分析、XRD、SEM、TEM、EDAX、穆斯堡儿谱和电子探针等现代化

26、检测手段，研究了不同的C、Mn含量的奥氏体高锰钢的加工硬化行为，提出了奥氏体高锰钢加工硬化是由于奥氏体高锰钢中形成的Fe-Mn-C原子团偏聚区，这些偏聚区会阻碍滑移系启动和位错的运动，因此出现了高锰钢加工硬化能力的观点。1.3.6 综合作用硬化假说认为是由于集中机理综合作用引起形变高锰钢的加工硬化，而不是由单独一种机理引起的。陈富生等研究了高锰钢爆破处理后会出现硬化现象，提出了这是由于冷作硬化、晶粒细化、位错、堆垛层错和孪晶的综合作用引起高锰钢加工硬化的观点。还有很多研究者根据不同的实验提出其他的几种不同的机理同时对高锰钢加工硬化起作用的观点，这些观点有一个共同点，就是认为是几种机制同时起作用

27、引起了高锰钢的加工硬化现象。1.4 高锰钢的铸造工艺高锰钢中C、Mn含量较高，和普通铸钢相比，它具有良好的流动性，故充型能力强，能生产形状复杂和不同壁厚的各种铸件。高锰钢在磨损条件下服役，工况不同，受载情况不同，所以它要储备某些特性。故高锰钢铸件的铸造工艺和操作除了遵循一般铸钢件的共同规律外，尚有它自身的特点。合理的铸造工艺将是保证高质量铸件获得的关键之一。高锰钢的导热率比碳钢低的多(仅为中碳钢的1 /41 /2) ,因此钢液凝固缓慢,且高锰钢凝固温度范围较宽,在凝固过程中,树状晶长得粗大,易形成长条柱状晶,降低了钢的塑性及冲击韧性。因此,高锰钢通常采用金属模铸造。形状复杂或者粗大的高锰钢铸件

28、易产生裂纹,铸件产生的裂纹主要是热裂纹,高锰钢自由线收缩值(2. 4%3. 0% )比碳素钢的大,因此,高锰钢铸件在疑固过程中若收缩受阻,便会产生内应力而使铸件产生热裂。其次,高锰钢的导热系数低,所以高锰钢铸件在加热及冷却过程中各部位的温差较大,造成相当大的热应力,这也是高锰钢铸件产生热裂的另一个重要原因。高锰钢在室温下为单一的奥氏体组织,即从液态凝固后冷却时没有相变,不能通过热处理的方法来细化高锰钢铸件的组织,因而,改善高锰钢铸件的组织就尤为重要。提高高锰钢铸件性能常用的措施有: (1)孕育处理。为了使孕育剂更有效地起到晶粒细化作用,最好在出钢时采用冲入法(将孕育剂预先包好放在盛钢桶底部,用

29、钢液冲化)方式加入。钛、锆和钒等元素适合作孕育剂。(2)控制浇注温度浇注温度对高锰钢的晶粒大小有显著影响,浇注温度高时,钢液积蓄的热量多,钢液凝固速度慢,会造成晶粒粗大,因而力学性能低。因此在保证钢液充满铸型的条件下,尽量降低浇注温度,有利于得到较细的晶粒组织和较好的力学性能。通常采用的浇铸温度为T = T(液相线) + (2040) 。(3)采用金属型或冷铁激冷用金属型铸造或采用冷铁激冷铸件局部,有利于在铸件表面得到较细的晶粒组织。(4)悬浮浇注。悬浮浇注是往铸型中浇入钢液的过程中,利用液流带入一些锰铁微细颗粒,颗粒大小为15mm,按钢液多少而定,钢液量大时,颗粒也应大些。此外,还有不少学者

30、研究了稀土元素对高锰钢液的净化作用,发现轻稀土能从以下几个方面改善高锰钢的性能: (1)净化钢液,改善高锰钢的冶金质量; (2)改善一次结晶,优化高锰钢组织; (3)改善高锰钢铸造工艺性能; (4)增加高锰钢的力学性能; (5)促进加工硬化,改善高锰钢的抗磨性。1.5 改善高锰钢耐磨性的方法1.5.1 合金化变质处理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

31、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1-2。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。1.5.2 表面形变强化（1） 喷丸强化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

32、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3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4-8。（2） 爆炸强化爆炸强化也是一种表面形变强

33、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: 表面强化层中发生亚结构的变化; 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,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马氏体,形态也为条状,但其内部不出现残余奥氏体的衬度。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。（3） 分散镶铸工艺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

34、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9。（4） 沉淀强化热处理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

35、,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

36、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。1.6 高锰钢铸件的热处理适当的化学成分和热处理可以保证高锰钢的组织和性能，当化学成分改变时处理也应适当调整。高锰钢热处理的目的就是根据高锰钢的化学成分和使用要求选择最佳处理工艺以求得理想的组织和性能。高锰钢的热处理有两种：其一为单一固溶处理，即水韧处理。这种热处理是将高锰钢加热到Acm以上温度保温一段时间，使铸态组织中碳化物溶解，得到化学成分基本均匀单相奥氏体组织。然后淬入水中快速

37、冷却得到过冷奥氏体固溶体组织。其二为固溶+时效处理，即经固溶处理的高锰钢再在一定温度下进行人工时效，让碳化物在奥氏体基体上弥散析出。碳化物是硬质点抗磨相，它的弥散析出只要形状、大小、分布合理是不会降低高锰钢韧性，反而能提高高锰钢抗磨料磨损能力。1.6.1 高锰钢沉淀强化的热处理（1） 沉淀强化的目的和原则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

38、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

39、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。水淬600水淬温度/时间图1 第一种热处理方法示意图（2） 高锰钢的沉淀强化工艺 第一种热处理方法如图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

40、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。 第二种热处理方法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1 080 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,

41、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。温度/时间炉冷1000水淬图2 第二种热处理方法示意图 第三种热处理方法如图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1 050 1 100 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。水淬温度/时间图3 第三种热处理方法示意图 第四种热处理方法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

42、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,

43、钢的耐磨性有大幅度提高。由此可见,低温时效方法使高锰钢具有很好的抗磨料磨损能力。温度/时间10501100水淬350空冷图4 第四种热处理方法示意图1.7 高锰钢铸件的主要缺陷及防止对策1.7.1 黏砂形成机理及防止对策形成机理：造型时铸件紧密度不够、砂型表面粗糙、涂料质量低劣等使钢液浸入型砂颗粒之间的空隙，将砂粒嵌附于铸件上形成机械黏砂。另外，由于钢中含有较多的碱性氧化物MnO，而制作型、芯的材料为石英砂，则MnO与石英砂中的SiO2发生化学反应，生成低熔点化合物MnOSiO2，从而产生化学黏砂。防止对策：（1）采用金属模板和标准砂箱造型，提高砂型的紧实度和尺寸精度，面砂采用较细砂粒和型砂，

44、以减少砂粒间的空隙，孔芯采用镁砂砖芯。（2）铸型涂料取消白泥涂料，代之以碱性的镁橄榄石粉涂料，并掌握涂料涂刷厚度1mm，且不堆积。1.7.2 气孔产生原因及防止对策产生原因：（1）造型材料方面。造型材料与铸件产生气孔有较密切的关系，如加入的黏土过量或混砂工艺不当，一方面降低了型、芯的透气性，另一方面混合不均匀的小黏土块导致与钢液接触时产生大量气体进入铸件。（2）型、芯干燥方面。砂型、砂芯没有烘干、未干透的铸型进行热型合箱，合箱后的铸型放置时间太长，情况没有及时浇注等、会使铸件产生气孔。（3）铸造工艺及浇注方面。浇注系统设计不合理，钢液进入铸型不平稳，会卷入气体而在铸件中形成气孔。浇注速度太快，

45、铸型中的气体来不及排出，从而侵入铸件中形成气孔。防止对策：（1）合理地设计浇注系统，采用开放式浇注系统，使钢液能均匀平稳地充满型腔，避免钢液氧化与卷气。（2）严格控制造型材料的水含量、发气量、透气性和砂型、砂芯烘干程度，确保砂型、砂芯通气道畅通，多扎通气孔，利于气体的顺利排出。（3）钢液出炉后有一定的镇静时间，以利于钢液中的气体上浮。1.7.3 裂纹的形成原因及防止措施形成原因：（1）工艺方面。铸件生产是一个复杂的过程，每个环节都至关重要，浇冒口位置开设不的那个，不仅会影响到铸件的凝固方式和顺序，甚至会在铸件内诱发热应力，致使铸件开裂。打箱、搬运过程中的碰撞或激冷所导致的热应力，也会使铸态组织

46、为奥氏体和碳化物的高锰钢开裂。（2）化学成分方面。生产实践表明，高锰钢中C、P含量超标是造成铸件水韧处理淬裂的主要原因。（3）热处理方面。高锰钢的热导率仅有普通碳钢的1/41/3，热膨胀系数却是普通碳钢的2倍，因此在水韧处理加热过程中如果没有正确掌握铸件的升温速度，也会导致铸件产生裂纹。防止措施：（1）设计铸造工艺时留较小的加工余量，一般为35mm，较大件也不超过10mm。铸件外形采用负公差，孔槽采用正公差，尽量放置易割冒口，浇道分散布置。（2）浇注后按1min/5min壁厚计算时间并及时松箱。（3）严格控制打箱时间，打箱后不得将铸件放在过堂出，搬运过程中要少碰撞，严禁浇水，以防由于应力和激冷

47、造成的应力使铸件开裂。（4）铸件入炉前，将浇冒口系统和飞边、毛刺用锤头敲掉，孔的薄膜也要撞掉，如果过厚最好用砂轮机割掉，而不用气割。（5）严格控制水韧加热速度和出炉时间。1.7.4 晶粒粗大的形成机理及防止措施形成机理：高锰钢热导率低使得钢液凝固缓慢，一般凝固方式由树枝状向糊状凝固方式转变。凝固过程中热量散失较慢，树枝晶长得很粗大，很容易长成条状的柱状晶，使塑性和冲击韧性急剧下降，脆性增加。一次结晶的组织缺陷主要影响因素是浇注温度，高温浇注会使晶粒粗大，并出现柱状晶，过高浇注温度甚至会出现穿晶。粗晶与柱状晶都将降低高锰钢的耐磨性。防止措施：（1）钢液终脱氧时适当增加终脱氧Al量，一般铝用量为钢

48、液总量的0.1%。为了提高钢液中铝的残余量（0.08%），以使铝与钢中磷形成高熔点的Al2P化合物，成为形核核心细化晶粒，并降低钢液中不利形态的磷含量，可将铝用量增加至钢液总量的0.2%。（2）合理控制浇注温度。实践证明高锰钢晶粒大小与浇注温度密切相关。浇注温度高时，钢液蓄热量多，凝固速度慢，结晶后晶粒粗大，所以高锰钢应采用低温快浇工艺。1.7.5 组织不致密性的形成原因及防止措施形成原因：铸件致密度对力学性能有重要影响。高锰钢的致密度不仅影响力学性能，还直接影响钢的耐磨性。（1）致密度对高锰钢性能影响：致密度是金属显微缺陷的标志，它反映了金属内部质量。钢中显微疏松、夹杂物、气体等各种显微缺陷愈少，则钢的