奥氏体锰钢

奥氏体锰钢 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。 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%，Mn 11—14%，适当加入Ni Mo 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。 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，其性能为: 。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。