合金化高錳鋼的組織與性能

合金化高錳鋼的組織與性能

0碳化硅鋼pla自1882年英國(guó)發(fā)明耐腐蝕性鋼（也稱(chēng)為hadfield鋼）以來(lái)，高鉻鋼已經(jīng)使用了100多年，成為一種傳統(tǒng)的耐腐蝕性材料，并在廣泛使用。耐磨高錳鋼是指ω(C)=1.0%~1.4%,ω(Mn)=11%~14%的鋼。高錳鋼鑄態(tài)組織為奧氏體及碳化物,經(jīng)1000℃左右加熱水韌處理時(shí),碳化物全部或大部分溶解于奧氏體中,得到單相奧氏體或奧氏體加少量碳化物的組織,因此具有良好的塑性和韌性,裂紋擴(kuò)展速率很低,使用安全可靠。高錳鋼最大的特點(diǎn)是使用過(guò)程中,在較大的沖擊載荷或接觸應(yīng)力作用下,其表層迅速產(chǎn)生加工硬化并形成馬氏體及ε相沿晶面滑移,表面硬度急劇升高,而內(nèi)部奧氏體仍保持著良好的韌性。因此水韌處理后的高錳鋼鑄件具有良好的耐磨性,同時(shí)能承受較大的沖擊載荷而不破裂。高錳鋼作為耐磨材料,在抵抗強(qiáng)沖擊、大壓力作用下的磨料磨損或鑿削磨損方面,其耐磨性是其他材料所無(wú)法比擬的。高錳鋼的這一特殊性能使其長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、建材、鐵路、電力、煤炭等機(jī)械裝備中。但在使用實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),高錳鋼的耐磨性是有條件的,只有在沖擊大、應(yīng)力高、磨料硬的情況下,高錳鋼的高耐磨性才得到體現(xiàn)。同時(shí)由于高錳鋼的屈服強(qiáng)度低、初次使用時(shí)易于變形,而造成較大的磨損。因此,提高高錳鋼的屈服強(qiáng)度,降低初次使用時(shí)的變形量,將可以進(jìn)一步提高高錳鋼耐磨性。1提高高錳鋼的抗旱性1.1提高材料的耐磨性高錳鋼的合金化及變質(zhì)改性處理是目前提高這一傳統(tǒng)材料耐磨性的主要手段之一。高錳鋼合金化研究的主要趨勢(shì)是通過(guò)在傳統(tǒng)成分的高錳鋼中加入Cr、Mo、V、Ti、Re等合金元素并進(jìn)行變質(zhì)處理,從而在其奧氏體基體上獲得彌散分布的碳化物顆粒以提高材料的耐磨性。通過(guò)合金化得到產(chǎn)生第二相強(qiáng)化機(jī)制的碳化物顆粒,是使傳統(tǒng)高錳鋼耐磨性提高的有效途徑。此外,通過(guò)合金元素對(duì)奧氏體基體的強(qiáng)化進(jìn)而增強(qiáng)其形變硬化能力,同樣是提高合金化高錳鋼耐磨性的重要措施。何力、盧錦德等關(guān)于合金化對(duì)高錳奧氏體基體強(qiáng)度及耐磨性影響的研究表明:經(jīng)過(guò)合金化處理后的高錳鋼除了獲得彌散的碳化物顆粒外,奧氏體基體點(diǎn)陣亦發(fā)生了較大畸變,磨損后的磨痕形態(tài)較傳統(tǒng)高錳鋼發(fā)生了明顯變化,磨料顆粒劃過(guò)的犁溝兩側(cè)材料的流變形態(tài)反映出,合金化增強(qiáng)了奧氏體基體形變硬化的水平及變形-硬化的響應(yīng)速率。1.2表面變形和強(qiáng)化1.2.1拉應(yīng)力在增強(qiáng)和延長(zhǎng)零件使用壽命方面的應(yīng)用工業(yè)界廣泛應(yīng)用的機(jī)械噴丸強(qiáng)化工藝是通過(guò)對(duì)零件表層實(shí)施冷擠壓,從而使表層冷作硬化并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。冷作硬化使零件的強(qiáng)度有所提高,殘余壓應(yīng)力則會(huì)消除工件因機(jī)械加工、熱處理等形成的拉應(yīng)力,從而能顯著提高零件抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕能力,延長(zhǎng)零件使用壽命。王靜宜和談?dòng)阊芯苛藝娡鑼?duì)高錳鋼組織結(jié)構(gòu)的影響后認(rèn)為,除了在表層引入殘余應(yīng)力外,表層組織結(jié)構(gòu)得到改善(即組織強(qiáng)化)也是噴丸強(qiáng)化的一個(gè)重要機(jī)制。高錳鋼(Mn13)是面心立方晶體并且具有較低的層錯(cuò)能,高錳鋼經(jīng)噴丸強(qiáng)化后表面層內(nèi)能形成大量顯微變形孿晶,能使表面層內(nèi)位錯(cuò)密度急劇升高,同時(shí)伴有一定數(shù)量的ε馬氏體。因此噴丸處理后零件的使用性能(如彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度及耐磨性等)會(huì)得到大幅度提高,耐磨性增強(qiáng)。1.2.2宏觀殘余應(yīng)力爆炸強(qiáng)化也是一種表面形變強(qiáng)化的方法,生產(chǎn)上常用來(lái)提高構(gòu)件的疲勞壽命。疲勞強(qiáng)度提高的原因與噴丸強(qiáng)化相同,簡(jiǎn)單歸納為:①表面強(qiáng)化層中發(fā)生亞結(jié)構(gòu)的變化;②表面強(qiáng)化層中存在宏觀殘余應(yīng)力。王靜宜分析了高錳鋼爆炸層的組織結(jié)構(gòu),通過(guò)運(yùn)用TEM衍襯圖象可看出和噴丸強(qiáng)化層相仿,隨著層深增加孿晶柵欄的密度漸次減少,變形層表面位錯(cuò)密度很高,ε馬氏體的形態(tài)和噴丸時(shí)形成的完全相同。爆炸強(qiáng)化層中偶爾還可發(fā)現(xiàn)少量α馬氏體,形態(tài)也為條狀,但其內(nèi)部不出現(xiàn)殘余奧氏體的襯度。α馬氏體是最終的穩(wěn)定相,其形成原因可能與爆炸時(shí)的高應(yīng)變速率及大變形量有關(guān)。1.3網(wǎng)狀纖維束復(fù)合鑄件分散鑲鑄工藝是在高錳鋼鑄件中鑲鑄一定直徑和數(shù)量的網(wǎng)狀彈簧鋼絲骨架,經(jīng)水韌處理后,可在鑄件內(nèi)得到呈長(zhǎng)條網(wǎng)狀分布的馬氏體纖維束,成為在高碳高錳的奧氏體內(nèi)分布的中碳中錳馬氏體網(wǎng)狀纖維束的復(fù)合鑄件。其中網(wǎng)狀馬氏體纖維束具有高強(qiáng)度和高硬度,同時(shí)馬氏體相變產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí)期周?chē)膴W氏體預(yù)先加工硬化從而提高硬度,使高錳鋼復(fù)合材料在中、低沖擊磨料磨損工況條件下的耐磨性顯著提高。余江龍等人根據(jù)這種方法在高錳鋼中鑲鑄65Mn彈簧鋼絲,結(jié)果表明:分散鑲鑄后65Mn彈簧鋼絲在高錳鋼鑄件內(nèi)部產(chǎn)生了良好的冶金結(jié)合,水韌處理后產(chǎn)生了網(wǎng)狀纖維馬氏體組織,從而提高了高錳鋼件在低應(yīng)力磨料磨損條件下的耐磨性。1.4第三相再構(gòu)成亞反沖的第四相點(diǎn),這是提高超高錳鋼組織及力學(xué)性能的基高錳鋼在非強(qiáng)沖擊磨料磨損的條件下,工件表面受到磨料的沖擊和切割作用,常常是在形變后發(fā)生剪切破壞,如何提高材料的強(qiáng)度和抗剪切破壞能力是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。高錳鋼的沉淀強(qiáng)化熱處理方法可以使高錳鋼的均勻奧氏體固溶體中出現(xiàn)彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn),這種第二相質(zhì)點(diǎn)起強(qiáng)化作用,在金屬中構(gòu)成位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力。第二相質(zhì)點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)中的位錯(cuò)交互作用使臨界分切應(yīng)力提高,使材料具有良好的抗磨料磨損能力。袁子洲等人研究了時(shí)效處理對(duì)超高錳鋼組織及力學(xué)性能的影響。通過(guò)比較固溶未時(shí)效及不同時(shí)效工藝處理的金相照片可知:320℃時(shí)效時(shí)碳化物在較短的時(shí)間內(nèi)大量析出,但還沒(méi)有能力快速聚集粗化;520℃時(shí)碳化物析出速度和聚集速度都很快,并且晶界處點(diǎn)陣缺陷多、能量高、擴(kuò)散容易,碳化物在晶界優(yōu)先析出,快速聚集,形成局部脫溶。時(shí)效處理后材料的力學(xué)性能也有明顯的變化:隨著時(shí)效時(shí)間的增加,硬度先增加后降低;時(shí)效溫度越高,硬度增加的值越大,沖擊韌度越低。不同的時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間對(duì)沖擊韌度的影響呈現(xiàn)出不同的規(guī)律,適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理還可以提高超高錳鋼的形變硬化能力。2高鉻鋼沉淀、強(qiáng)化鐵粉的加熱2.1沉淀強(qiáng)化熱處理沉淀強(qiáng)化熱處理的目的是通過(guò)熱處理使奧氏體基體中出現(xiàn)彌散分布的第二相,強(qiáng)化基體、提高材料抗磨料磨損的能力。沉淀強(qiáng)化處理的高錳鋼的化學(xué)成分需要調(diào)整,錳、碳的含量都有所變化。通常需要加入與碳結(jié)合能力較強(qiáng)的合金元素,通過(guò)沉淀強(qiáng)化處理使奧氏體中析出含有合金元素的碳化物而成為第二相,使高錳鋼具有很好的抗磨料磨損能力。沉淀強(qiáng)化熱處理的原則是先進(jìn)行固溶處理消除鑄態(tài)組織,使鑄態(tài)組織中的各種碳化物(如晶間網(wǎng)狀碳化物、塊狀碳化物和針狀碳化物等)及共析組織全部溶解,成為單一的奧氏體固溶體;隨后在奧氏體從高溫冷卻的過(guò)程中,由于奧氏體中碳的脫溶會(huì)析出含有合金元素的碳化物,此外,奧氏體冷卻過(guò)程中分解產(chǎn)生的共析組織中也有較多的含有合金元素的碳化物。此后升溫的過(guò)程中進(jìn)行奧氏體的重結(jié)晶。在升溫和保溫時(shí)有部分的碳化物會(huì)溶解,但有相當(dāng)一部分碳化物保留下來(lái)。奧氏體中碳脫溶析出的碳化物和共析組織中的碳化物分散度較高,而且在升溫和保溫過(guò)程中會(huì)發(fā)生粒狀化。這樣,經(jīng)過(guò)重結(jié)晶之后,高溫水淬所得到的組織是經(jīng)過(guò)重結(jié)晶、有所細(xì)化的奧氏體基體上分布的、彌散的、粒狀的碳化物第二相質(zhì)點(diǎn)。這樣的組織對(duì)提高材料抗沖擊磨料磨損的能力是有利的。2.2高鉻鋼沉淀固結(jié)法2.2.1期孕育期如圖1所示,這種熱處理方法分為3個(gè)階段:第一階段是消除鑄態(tài)組織的固溶處理。第二階段是奧氏體的分解。其恒溫分解溫度約在600℃,該溫度范圍內(nèi)奧氏體的穩(wěn)定性最差,孕育期短。此階段奧氏體中既有碳的脫溶析出又有奧氏體的分解,而且鋼的組織里出現(xiàn)了大量彌散的非粒狀碳化物。第三階段是升溫進(jìn)行奧氏體化和高溫水淬,升溫階段發(fā)生奧氏體重結(jié)晶,組織細(xì)化。脫溶析出的碳化物和共析組織的碳化物會(huì)有一部分溶解,但由于合金元素的碳化物難溶,時(shí)間和溫度條件也不充分,因此不可能大量溶解。共析組織中的碳化物在升溫和保溫階段進(jìn)行粒狀化,經(jīng)過(guò)水淬后這種組織被固定下來(lái)。2.2.2鑄造過(guò)程組織的變化此方法是將鑄態(tài)高錳鋼先在850℃~870℃固溶,然后爐冷到150℃左右再升溫至1080℃左右進(jìn)行水淬。熱處理由2個(gè)階段組成,如圖2所示。在850℃~870℃的溫度范圍內(nèi)可以基本消除鑄態(tài)組織。在緩冷的過(guò)程中奧氏體中的碳脫溶析出,在通過(guò)共析轉(zhuǎn)變溫度時(shí)奧氏體發(fā)生分解,在加熱升溫過(guò)程中奧氏體重結(jié)晶、組織細(xì)化。奧氏體中碳脫溶析出的碳化物和共析組織中的碳化物由于含有合金元素,溶解溫度高,在第二階段被保存下來(lái),最終形成了細(xì)化的奧氏體和有彌散碳化物的第二相組織,奧氏體的成分更均勻,從而使熱處理后的鋼的力學(xué)性能更高。2.2.3后再加熱后碳化物法如圖3所示,將鑄態(tài)高錳鋼加熱到600℃~650℃以后保溫較長(zhǎng)時(shí)間,然后再加熱到1050℃~1100℃水淬。這種熱處理和常規(guī)水韌處理相似,但低溫保溫階段延長(zhǎng),在這個(gè)階段中鑄態(tài)組織的奧氏體中繼續(xù)析出碳化物并發(fā)生共析分解。在隨后升溫時(shí)進(jìn)行奧氏體的重結(jié)晶,有碳化物的部分溶解和它的粒狀化。2.2.4水韌處理的影響高錳奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)如圖4,由此可知,只要加熱溫度不過(guò)高,保溫時(shí)間不過(guò)長(zhǎng),就可以使奧氏體中析出碳化物卻又不使其分解。熊玉竹研究了回火溫度對(duì)合金高錳鋼耐磨性能的影響。合金高錳鋼經(jīng)水韌處理后,隨著回火溫度逐漸升高至250℃,合金高錳鋼的磨損量降低,耐磨性能上升,在250℃時(shí)為最大值。當(dāng)溫度從250℃升到350℃時(shí),其磨損量略有增加,耐磨性能有所下降,但仍?xún)?yōu)于合金高錳鋼在常規(guī)水韌處理后的耐磨性能。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到500℃時(shí),由于受碳化物析出的影響,有序團(tuán)簇強(qiáng)化作用減弱,再加上固溶強(qiáng)化作用的減弱,磨損量繼續(xù)增加,而耐磨性能明顯下降,低于水韌態(tài)時(shí)的耐磨性。經(jīng)水韌處理后合金高錳鋼在250℃回火的耐磨性能較之水韌態(tài)提高13%。另外,用低溫時(shí)效方法所制作的Mn13VTi和Mn13VTiMo鋼的電鏟鏟齒,經(jīng)礦山生產(chǎn)的實(shí)踐證明,鋼的耐磨性有大幅度提高。由此可