CN108130487A - 一种合金化奥氏体中锰钢 - Google Patents

一种合金化奥氏体中锰钢 Download PDF

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Abstract

一种合金化奥氏体中锰钢，为了提高高锰钢抗高冲击和强凿削磨损能力，在高锰钢的基础上，适当降低碳、锰含量，并加入适量的铬、钼、稀土等元素，制备了奥氏体合金化Mn8钢。Mn8钢奥氏体组织均匀，晶粒较细，碳化物以网状和短链状弥散分布在晶内，其力学性能优于Mn13钢，Mn8钢中添加了适量的铬和钼元素，阻碍了粒状碳化物的聚集，提高了材料的韧性，Mn8钢的耐磨性和硬度随着冲击磨损功的增大而增强。

Description

一种合金化奥氏体中锰钢
所属技术领域
本发明涉及一种奥氏体锰钢，尤其涉及一种合金化奥氏体中锰钢。
背景技术
高锰钢具有硬度低、韧性好、在高冲击载荷下表现出优异的耐磨性能，自1882年由英国的R. A. Hadfield发明以来，一直作为优良的耐磨材料广泛应用于冶金、矿山、铁路、农机等各个行业。但高锰钢的铸态脆性较大，不宜直接使用，水韧处理易使细长件、薄壁件氧化脱碳或变形超差，工件加工硬化能力强，难以切削加工。
奥氏体中锰钢，Mn含量小于8%，冲击磨损下会诱发产生马氏体相变，加工硬化能力提高，同时加入RE，使冲击韧性明显提高，用中锰钢代替高锰钢生产破碎机鄂板，既提高了非强烈冲击条件下工件的耐磨性，又降低了锰合金的含量，具有良好的经济性。在冲击力不很大，又要求耐磨的工况条件下，提高耐磨性的另一途径是使高锰钢低合金化。
发明内容
本发明的目的是为了改善高锰钢的抗高冲击和强凿削磨损能力，设计了一种合金化奥氏体中锰钢。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
合金化奥氏体中锰钢的制备原料包括：采用不氧化法溶炼，在150kg中频感应炉中熔炼，炉前用稀土硅铁孕育变质处理。变质剂由质量分数为50%的50Re-13Mg-7Si-30Fe和60%Ti-40%Fe组成。采用砂型铸造，温度将至1450-1480℃时开始浇注，试样浇注成标准Y型试块。
合金化奥氏体中锰钢的制备步骤为：高锰钢Mn13采用传统水韧处理工艺，合金化中锰钢Mn8由于降低了Mn和C的含量，添加了合金元素，其铸态组织中存在大量碳化物，需增加在1150℃保温15-20min。为防止奥氏体中析出较多碳化物和大量分解为共析组织，升温温度在T＜500℃时为100℃/h，500-700℃之间升温速度为200℃/h，700-1150℃之间升温速度为100℃/h，保温1.5-2h，为防止碳化物再次析出，出炉水冷温度不低于950℃。为了提高合金化奥氏体Mn8钢的硬度和耐磨性需要对试样进行回火处理，第一次回火工艺为将试样加热到650-700℃保温2-3h后出炉水冷，此时试样组织为：珠光体、奥氏体晶界附近析出少量碳化物及马氏体，此时奥氏体未完全转变。二次回火工艺将试样加热至350-400℃，保温2-3h出炉后水冷，试样组织为奥氏体基体上均匀分布的粒状碳化物及马氏体。
合金化奥氏体中锰钢的检测步骤为：对试样力学性能进行测试，在WE-10A万能材料试验机拉伸试验，使用MT-3型硬度计测量试样的硬度。采用D8型X射线衍射仪对材料磨损面进行相分析，Quanta200型扫描电镜分析材料的显微组织和磨损表面形貌，并利用其配套的能谱仪对磨损面进行了元素分析。动载磨料磨损试验在MM-200型试验机上进行，Mn13钢或合金化奥氏体Mn8钢作为上试样(尺寸为10mm×10mm×40mm)，试验机冲锤质量为10kg，冲击功分别选取1、2、3J，对应冲锤高度分别为10、20、30mm，下试样是圆环形40Cr钢对磨试样，硬度为45-55HRC，磨料为人造石英砂，粒度为8-10目。试验条件是下试样以200r/min的速度旋转，上试样以200次/min频率冲击下试样，磨料以300mL/min流量流入上下试样之间，试验时间为30min。上试样在试验前后均用酒精和丙酮进行超声清洗，且在精度为0.1mg。
所述的合金化奥氏体中锰钢，合金化奥氏体Mn8钢经过变质处理和二次回火沉淀强化处理，奥氏体组织均匀，晶粒较小，碳化物以网状和短链状弥散分布在晶内，力学性能优异。
所述的合金化奥氏体中锰钢，合金化奥氏体Mn8钢中碳和锰含量降低，材料的硬度和强度较高，添加了适量的铬和钼元素，阻碍了粒状碳化物的聚集，提高了材料的韧性。
所述的合金化奥氏体中锰钢，Mn8钢的加工硬化能力和相对耐磨性优于Mn13钢，且其相对耐磨性随着磨损冲击功的增大而增强，高载荷磨损后磨面发生较多的马氏体相变，生成(Fe，Cr)3C和(Fe，Mn)23C6碳化物相，弥散分布的碳化物阻碍了滑移系的开动和滑移，使位错缠结，加工硬化和耐磨性增强。
本发明的有益效果是：
通过调整化学成分的配比，加入适量的Cr、Mo和稀土元素，降低Mn和C的含量，从而降低奥氏体的稳定性，同时使其出现碳化物，提高其硬度，强化基体并提高其加工硬化能力。
具体实施方式
实施案例1：
合金化奥氏体中锰钢的制备原料包括：采用不氧化法溶炼，在150kg中频感应炉中熔炼，炉前用稀土硅铁孕育变质处理。变质剂由质量分数为50%的50Re-13Mg-7Si-30Fe和60%Ti-40%Fe组成。采用砂型铸造，温度将至1450-1480℃时开始浇注，试样浇注成标准Y型试块。合金化奥氏体中锰钢的制备步骤为：高锰钢Mn13采用传统水韧处理工艺，合金化中锰钢Mn8由于降低了Mn和C的含量，添加了合金元素，其铸态组织中存在大量碳化物，需增加在1150℃保温15-20min。为防止奥氏体中析出较多碳化物和大量分解为共析组织，升温温度在T＜500℃时为100℃/h，500-700℃之间升温速度为200℃/h，700-1150℃之间升温速度为100℃/h，保温1.5-2h，为防止碳化物再次析出，出炉水冷温度不低于950℃。为了提高合金化奥氏体Mn8钢的硬度和耐磨性需要对试样进行回火处理，第一次回火工艺为将试样加热到650-700℃保温2-3h后出炉水冷，此时试样组织为：珠光体、奥氏体晶界附近析出少量碳化物及马氏体，此时奥氏体未完全转变。二次回火工艺将试样加热至350-400℃，保温2-3h出炉后水冷，试样组织为奥氏体基体上均匀分布的粒状碳化物及马氏体。合金化奥氏体中锰钢的检测步骤为：对试样力学性能进行测试，在WE-10A万能材料试验机拉伸试验，使用MT-3型硬度计测量试样的硬度。采用D8型X射线衍射仪对材料磨损面进行相分析，Quanta200型扫描电镜分析材料的显微组织和磨损表面形貌，并利用其配套的能谱仪对磨损面进行了元素分析。动载磨料磨损试验在MM-200型试验机上进行，Mn13钢或合金化奥氏体Mn8钢作为上试样(尺寸为10mm×10mm×40mm)，试验机冲锤质量为10kg，冲击功分别选取1、2、3J，对应冲锤高度分别为10、20、30mm，下试样是圆环形40Cr钢对磨试样，硬度为45-55HRC，磨料为人造石英砂，粒度为8-10目。试验条件是下试样以200r/min的速度旋转，上试样以200次/min频率冲击下试样，磨料以300mL/min流量流入上下试样之间，试验时间为30min。上试样在试验前后均用酒精和丙酮进行超声清洗，且在精度为0.1mg。
实施案例2：
高锰钢水韧处理后组织为单一奥氏体。合金化奥氏体Mn8钢经过1150℃保温15-20min水韧处理和二次回火处理，组织为奥氏体基体及晶界及晶内上析出细小合金碳化物，奥氏体晶粒明显小于Mn13钢的晶粒尺寸，碳化物主要以网状和短链状分布于晶内。这是因为变质剂中的钛可与钢液中的碳形成高熔点的TiC，优先析出成为奥氏体结晶核心，能显著细化晶粒；此外，变质剂中添加少量的Mg有促进碳化物球化、稀土吸附及稀土夹杂物与碳化物的非均质晶核的作用，也有阻止夹杂物、碳化物进一步长大的作用。合金化奥氏体Mn8钢的力学性能优于Mn13钢，这是因为相比Mn13钢，Mn8钢降低了碳含量，加入了一定量的铬和钼。钢中碳量过高，热处理后形成高碳马氏体组织，热处理时容易形成裂纹，材料韧性低；碳含量过低，铸件淬透性不好，硬度低，耐磨性差，因此，Mn8钢加入适量的碳(0.78wt%)，比较适中，在保证材料有高的强度和硬度的同时韧性也较高。另外，材料中加入的铬元素能提高材料的淬透性，可固溶强化基体，提高了材料的强韧性，铬与碳结合形成高硬度的颗粒碳化物，Mn8钢的硬度也较高，同时，钼与铬、锰配合使用，提高Mn8钢的回火稳定性，阻碍碳化物的析出和聚集。
实施案例3：
普通Mn13钢在1J冲击功下磨损30min后的硬度为46HRC，而Mn8钢硬度为61HRC，且随着磨损冲击功的增大硬度提高，但Mn8钢的加工硬化效果更显著，磨损冲击功1J后其磨面硬度是Mn13钢的1.2倍，2J后磨面硬度是Mn13钢的1.25倍，3J后磨面硬度是Mn13钢的1.27倍，这是因为Mn8钢的碳含量较低，碳含量对加工硬化能力影响较大，因此在较高冲击功作用下其加工硬化能力更强。合金化奥氏体Mn8钢的相对耐磨性呈线性上升趋势，在磨损冲击功为1J时两种材料的磨损始终相差不大，但随着磨损冲击功增大到2J后，Mn8钢的相对耐磨性是Mn13钢的1.17倍，增大到3J后，其相对耐磨性是Mn13钢的1.47倍，说明奥氏体合金化Mn8钢的耐磨性随着冲击功的增大而增强。随着磨损冲击功由1J增大到3J磨面相成分变化不大，主要为奥氏体，仅发生了少量的马氏体相变。随着磨损冲击功由1J增大到3J，磨面发生马氏体相转变的量增大，这是因为材料在很大压力、摩擦力和冲击力的作用下会发生塑性变形，表面奥氏体产生强烈的加工硬化，形变强化的结果又促使奥氏体向马氏体转变以及碳化物沿滑移面形成，同时析出了合金碳化物，这种相结构在保证材料在具有较高韧性的基础上表面硬度增加，耐磨性增强。
实施案例4：
Mn13钢经不同磨损冲击功作用后磨面形貌磨面形态主要以切削犁沟和反复塑性变形导致的剥落坑为主，且随着磨损冲击功的增大，材料挤出现象明显。磨面微区元素分析如表3所示，分析可知磨面中浅灰色区域主要含有Fe、C和Mn元素，且含有一定的白亮区域和深灰色区域的主要元素为O、Mg和Al，这可能是磨料在磨面的残存。合金化奥氏体Mn8钢不同磨损冲击功后磨面形貌，表面比较平整，没有明显的剥落和凿坑磨损，只有少量的犁沟，切痕较短浅。同时对磨面进行了微区成分分析，结果显示磨面深灰色区域和白亮区域主要元素有C、O、Al、Mg和少量的Cr、Fe，这主要是石英砂磨料在磨面的粘附残存，磨面浅灰色区域主要元素为C、Fe、Mn和Cr，且随着磨损冲击功的增大，Fe、Cr含量增加。Mn8钢中发生了相变，生成了(Fe，Cr)3C6固溶体，这种碳化物第二相弥散强化组织提高了材料的抵抗显微切削的能力，提高了材料的抗切削阻力，Mn8钢热处理后组织为奥氏体基体上弥散分布着粒状碳化物，这使基体具有较高的韧度，面在硬化的同时也保持了一定的韧度，因此材料能吸收较多的冲击功，有利于抑制磨损表层中裂纹的产生和扩展，减少疲劳剥层失效。
实施案例5：
冲击磨损过程中变形速度较快，集中于磨损表层，磨损亚表层的变形组织位错密度高，主要由高密度位错和孪晶带组成，在冲击载荷的作用下，磨损亚表层的孪晶带相互交叉、截割。但Mn8钢在磨损冲击功为3J时磨面析出新相(Fe，Cr)3C和(Fe，Mn)23C6，碳化物的弥散分布可以抑制多个滑移系开动，易使位错生成位错环，使位错密度提高，进一步相互缠结，使滑移线受阻呈弯曲状而绕过硬质点，提高了加工硬化能力，由于表层的变形较大，可是心部保持一定韧度的同时，表层获得较高硬度，增强磨面抵抗磨料切削和凿坑变形磨损的能力。

Claims (4)

1.一种合金化奥氏体中锰钢，制备原料包括：采用不氧化法溶炼，在150kg中频感应炉中熔炼，炉前用稀土硅铁孕育变质处理，变质剂由质量分数为50%的50Re-13Mg-7Si-30Fe和60%Ti-40%Fe组成，采用砂型铸造，温度将至1450-1480℃时开始浇注，试样浇注成标准Y型试块。
2.根据权利要求1所述的合金化奥氏体中锰钢，其特征是合金化奥氏体中锰钢的制备步骤为：高锰钢Mn13采用传统水韧处理工艺，合金化中锰钢Mn8由于降低了Mn和C的含量，添加了合金元素，其铸态组织中存在大量碳化物，需增加在1150℃保温15-20min，为防止奥氏体中析出较多碳化物和大量分解为共析组织，升温温度在T＜500℃时为100℃/h，500-700℃之间升温速度为200℃/h，700-1150℃之间升温速度为100℃/h，保温1.5-2h，为防止碳化物再次析出，出炉水冷温度不低于950℃，为了提高合金化奥氏体Mn8钢的硬度和耐磨性需要对试样进行回火处理，第一次回火工艺为将试样加热到650-700℃保温2-3h后出炉水冷，此时试样组织为：珠光体、奥氏体晶界附近析出少量碳化物及马氏体，此时奥氏体未完全转变，二次回火工艺将试样加热至350-400℃，保温2-3h出炉后水冷，试样组织为奥氏体基体上均匀分布的粒状碳化物及马氏体。
3.根据权利要求1所述的合金化奥氏体中锰钢，其特征是合金化奥氏体中锰钢的检测步骤为：对试样力学性能进行测试，在WE-10A万能材料试验机拉伸试验，使用MT-3型硬度计测量试样的硬度，采用D8型X射线衍射仪对材料磨损面进行相分析，Quanta200型扫描电镜分析材料的显微组织和磨损表面形貌，并利用其配套的能谱仪对磨损面进行了元素分析，动载磨料磨损试验在MM-200型试验机上进行，Mn13钢或合金化奥氏体Mn8钢作为上试样(尺寸为10mm×10mm×40mm)，试验机冲锤质量为10kg，冲击功分别选取1、2、3J，对应冲锤高度分别为10、20、30mm，下试样是圆环形40Cr钢对磨试样，硬度为45-55HRC，磨料为人造石英砂，粒度为8-10目，试验条件是下试样以200r/min的速度旋转，上试样以200次/min频率冲击下试样，磨料以300mL/min流量流入上下试样之间，试验时间为30min，上试样在试验前后均用酒精和丙酮进行超声清洗，且在精度为0.1mg。
4.根据权利要求1所述的合金化奥氏体中锰钢，其特征是所述的合金化奥氏体中锰钢，合金化奥氏体Mn8钢经过变质处理和二次回火沉淀强化处理，奥氏体组织均匀，晶粒较小，碳化物以网状和短链状弥散分布在晶内，力学性能优异，所述的合金化奥氏体中锰钢，合金化奥氏体Mn8钢中碳和锰含量降低，材料的硬度和强度较高，添加了适量的铬和钼元素，阻碍了粒状碳化物的聚集，提高了材料的韧性，所述的合金化奥氏体中锰钢，Mn8钢的加工硬化能力和相对耐磨性优于Mn13钢，且其相对耐磨性随着磨损冲击功的增大而增强，高载荷磨损后磨面发生较多的马氏体相变，生成(Fe，Cr)3C和(Fe，Mn)23C6碳化物相，弥散分布的碳化物阻碍了滑移系的开动和滑移，使位错缠结，加工硬化和耐磨性增强。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110923429A (zh) * 2019-12-12 2020-03-27 燕山大学 一种获得耐磨高锰钢粒状和细短棒状碳化物组织的方法和一种耐磨高锰钢

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CN110923429A (zh) * 2019-12-12 2020-03-27 燕山大学 一种获得耐磨高锰钢粒状和细短棒状碳化物组织的方法和一种耐磨高锰钢
CN110923429B (zh) * 2019-12-12 2021-02-05 燕山大学 一种获得耐磨高锰钢粒状和细短棒状碳化物组织的方法和一种耐磨高锰钢

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