1、高錳鋼 中錳鋼高錳鋼 中錳鋼合理設計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獲得一種介穩的單相奧氏體組織，在此組織基礎上進行不同的等溫熱處理工藝，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。再通過與高錳鋼(Mn13)在同等工況條件下進行耐磨性模擬對比試驗，來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。同時對試樣進行了金相組織觀察及力學性能測試。關鍵詞：中錳鋼；熱處理；耐磨性耐磨奧氏體錳鋼最早于1882 年由英國冶金學家Hadfield 發明，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。但它同時也存在一些缺點，主要是屈服強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小彌散分布的第二相粒子，來提高鋼的屈服強度；二是降低奧氏體的穩定性，在磨粒作用下誘發馬氏體相變，提高加工硬化效應，提高耐磨性。介穩奧氏體中鉆鋼正是通過降低含 C、Mn量來降低奧氏體的穩定性，并通過添加 少量的合金元素鉻來提高鋼的屈服強度。這種介穩的奧氏體無論是溫度變化或塑性變形都有可能誘發馬氏體相變。1 試驗原理與方法高錳鋼 中錳鋼1.1 化學成分的設計依據 由圖11可看出，一定的鉆、碳配比可使合金經水韌處理后在室

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，合金在室溫下處于 Y相區，但同時由于它靠近 T + a相區，這種奧氏體的穩定性低，易于誘發馬 氏體相變。我們以Ms點在-20-30C, Md>M計(50100c),即在室溫附近為 出發點，進行碳、鈕等成分的設計，同時添加少量的合金元素銘，來提高中鉆鋼 的屈服強度。圖 1 Fe-Mn-C相圖(20 C)(950 1100C,水淬)1.2 化學成分 中鉆鋼的設計成分如表1所示。表1中鉆鋼設計化學成分(質量分數)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根據經驗公式2:Ms(C) = 550-361C-39Mn-35V-20Cr-17Ni-10Cu-5Mo+ W+ 15Co+ 30Al經對設計鋼的Ms Md估算，1號鋼Ms點約為-24C； 2號鋼Ms點約為-21C ； 3號鋼Ms點約為-22 C。Md點均在室溫附近，符合設計要求。1.3 冶煉及鍛造冶煉是在堿性爐襯中頻感應爐中進行的。熔煉后鋼水澆入預先制好的干砂型中， 再經鍛造、機加工制成金相試樣、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，出爐時試樣入水 溫度不得低于950。1.5 等溫熱處理試樣經水韌處理后，為單相奧氏體組織，其硬度較低(1802

6、20HV),為此需將試 樣進行等溫熱處理，以析出一定量的強化相，來提高試樣的初始硬度和耐磨性。本試驗采用了兩種不同的熱處理工藝：分級等溫亞溫處理工藝 3包括兩個階 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，將試樣繼續升溫至 680700c保溫22.5h后出爐 水冷。中錳奧氏體在550經保溫處理，此時奧氏體將發生珠光體轉變，若奧氏體未轉變完全，水冷過程將發生部分馬氏體轉變，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區間，這時原有的珠光體發生粒化，另一部分珠光體重新轉變成奧氏體，其相對量和含碳量

7、取決于加熱溫度；冷卻時，這種奧氏體將轉變為屈氏體和馬氏體，此外還會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500c等溫2h,出爐 水冷；再重新入爐，經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，此時奧氏體轉變還未完成，一部分奧氏體將殘 留下來。再將其升溫至380C,等溫2h,碳化物形態發生改變，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 力學性能測試10mm勺圓棒型長試樣，沖擊試樣尺寸為(10X10

8、X 55)mm 無缺口。1.7 沖擊磨料磨損試驗沖擊磨料磨損試驗是在改裝的 MM-20CS磨損試驗機上進行的，經自制上試樣夾具，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定，流速平穩，經一定時間磨損后， 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。磨損試驗開始前，先在萬分之一的分析天平上稱取上試樣質量， 開機磨損1h后, 取下試樣，經水沖洗并用丙酮洗凈干燥后再次稱重。 對其經一定時間

9、磨損后的失 重值進行統計，繪制成磨損量與時間曲線，并計算相對耐磨性（與Mn13鋼對比）大小，通過此方法來測試所研制的中鉆鋼在鑄態、 水韌態及不同熱處理條件下耐 磨性與高銳鋼在同等工況條件下的對比情況。該試驗的工作示意圖如圖3所示。圖3磨損工作示意圖1.8 技術路線化學成分設計一冶煉鍛造一送機加工一水韌處理一等溫熱處理一性能測試一耐 磨性對比試驗2試驗結果與分析2.1 化學成分分析及組織觀察經化學分析中心分析，該批試驗鋼化學成分如表2所示。表2試驗鋼實際化學成分（質量分數）w（%）因1號與3號化學成分基本相近，本次試驗抽取其中的3號與2號作為試驗鋼種。圖4為中鉆鋼水韌化處理后的單一奧氏體組織，2

10、、3號鋼水切化處理后再進行分級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（見圖7、8）圖5 2號鋼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

11、性能測試結果(高鉆鋼中鉆鋼)表3、4為2、3號鋼相應的力學性能測試結果，可以看出，2號樣經分級處理后aK值(105.8J /cm2)和b值(548.8MPa)均較高，說明其綜合力學性能較3號樣 好。2號樣經分級處理后的顯微硬度 494HV0.1也較其經水韌處理后的顯微硬度 213HV0.1要高得多。表3不同狀態下試樣的aK值/ J.cm2狀態2號3號鑄態/142.1水韌態114.6143.1一次回火態55.934.3二次回火態67.259.7分級處理態105.862.8表4 試驗鋼不同狀態下(T b值/ MPa試樣號鑄態水韌態二次回火態分級處理態2/463.2493.5548.83391.04

12、02.1471.3462.62.3耐磨性試驗結果二次回火態的相對耐磨性：2號樣為135% 3號樣為118% Mn13為100%可見2號樣經二次回火后相對耐磨性比 Mn13鋼提高了 35%而3號樣則提高18%分級處理態的相對耐磨性：2號樣為153% 3號樣為120% Mn13為100%可見 2號樣經分級處理后相對耐磨性比 Mn13鋼提高了 53%而3號樣則提高了 20%經分級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，又有較高的屈服強度，其初始硬度也較高(465 494HV)。二次回火態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。中鉆鋼試樣經磨損后，磨損斷面組織可出現大量李晶、 滑移線，并且滑移線交叉 出現。經對中銳鋼樣進行較小力的錘擊試驗，觀察其變形面組織，可發現有形變馬氏體 內 出現。分別見圖9、10、11。而Mn13鋼在相同工況條件下出現加工 硬化現象不明顯，磨損后組織仍為奧氏體，有部分滑移線，無孚晶和形變馬氏體 出現，因此其耐磨性較中鉆鋼差。圖9中鉆鋼2h磨損試驗后磨損面上的交叉滑移線X 400圖10中鉆鋼4h磨損試驗后磨損面上的李晶組織X250中鉆鋼經小錘錘擊50次后磨損面出現的形變馬氏體組織X250圖112.4中鉆鋼中的等溫馬氏體中鉆鋼水韌處理后經450625c等溫保溫一段時間，冷卻后將出現等溫馬

14、氏體。等溫過程是成分擴散和固溶體成分發生改變的過程。 保溫時間的長短對隨后冷卻 時馬氏體相的多少有影響。在一定時間范圍內，隨保溫時間延長，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結論(1) 經試驗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,保溫時間1.52h,含鋁鋼另加1520min的1150c保溫過程，鋼出爐 入水溫度不低于950C；水韌化后采用分級等溫亞溫處理(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 ) 和較好力學性能的多相彌散組織。(3) 中錳