【正文】 ...............................................................2不同稀土加入量高錳鋼斷口分析 .................................................................. 24第四章 結(jié) 論 ....................................................................................................... 26參考文獻(xiàn) ................................................................................................................. 27致　　 謝 ..................................................................................................................28第 一 章 文 獻(xiàn) 綜 述 耐 磨 高 錳 鋼 概 述目前，國(guó)內(nèi)外在沖擊磨料磨損工況中所使用的金屬耐磨材料主要有三大類[1]，即奧氏體錳鋼，低合金高強(qiáng)度耐磨鋼及白口鑄鐵(高鉻鑄鐵)。雖然高鉻鑄鐵耐磨性高，但脆性大，只適合于低沖擊工況。低合金高強(qiáng)度耐磨鋼硬度較高，其韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高錳鋼，只適用于中低沖擊工況。奧氏體耐磨高錳鋼的兩個(gè)重要特性是優(yōu)異的加工硬化能力和高的沖擊韌性，經(jīng)強(qiáng)烈沖擊變形后，其表層硬度可從 HB170230 提高到 HB500800[2]，而硬化層內(nèi)側(cè)仍保持為高韌性的奧氏體組織。因而不僅具有良好的安全可靠性，而且具有較高的抗沖擊磨料磨損的能力。此外其產(chǎn)品價(jià)格較低，有良好的性價(jià)比。因此被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、建材、電力和鐵路等部門所使用的耐磨件上，如挖掘機(jī)鏟齒、球磨機(jī)襯板、錘式破碎機(jī)錘頭及襯板、拖拉機(jī)履帶板和鐵路道岔等 [3]。 耐 磨 高 錳 鋼 的 由 來 、 發(fā) 展 歷 史 及 研 究 現(xiàn) 狀自 1882 年英國(guó)人 Robert Hadfield 發(fā)明了耐磨高錳鋼，高錳鋼的使用己有一百多年的歷史，被廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、工程機(jī)械、建材及其他經(jīng)受沖擊載荷的部件?，F(xiàn)在作為耐磨材料的高錳鋼的化學(xué)成分大致為 [4,5]:C ～1. 5 %,Mn 10～15 %,S i0. 3～1. 0%,S ≤0. 05%,P ≤0. 10%。標(biāo)準(zhǔn)型奧氏體高錳鋼的主要化學(xué)成分是碳和錳，經(jīng)水韌處理后可以獲得單一的奧氏體組織。高錳鋼中錳的主要作用是穩(wěn)定奧氏體組織，在鋼中擴(kuò)大 Y 相區(qū)。用于強(qiáng)烈沖擊條件的高錳鋼鑄件，含錳量應(yīng)該高些。含錳量一定時(shí)，適當(dāng)提高含碳量可以改善耐磨性，但是含碳量超過 1. 5%時(shí)，對(duì)耐磨性的影響則不明顯 [6]。而且提高含碳量在改善高錳鋼耐磨性的同時(shí)，會(huì)明顯降低材料的沖擊韌性。而高錳鋼在高沖擊負(fù)荷作用下才能表現(xiàn)出最佳的耐磨性，在此情況下沖擊韌性是一個(gè)很重要的性能指標(biāo)。因此，為了使高錳鋼具有較好的耐磨性和沖擊韌性的配合，含碳量不宜過高。高錳鋼優(yōu)異的耐磨性是建立在加工硬化的基礎(chǔ)上，需要在高應(yīng)力下才能充分加工硬化，但就目前耐磨件工作條件而言，高應(yīng)力工況不足 5%，絕大部分都是在中低應(yīng)力狀態(tài)下工作，因而高錳鋼不易被加工硬化，耐磨性不能充分發(fā)揮 [5]。在固溶處理后的水淬過程中受冷卻速度的限制，容易析出脆性碳化物引入脆性相。對(duì)于厚大斷面工件，心部常常出現(xiàn)碳化物，從而降低使用性能[6,7]。寒冷條件下使用的高錳鋼常出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象 [8]。而在高溫或濕磨的條件下又面臨腐蝕磨損 [9,10]。因?yàn)檫@些原因使其在今天的許多工程機(jī)械中以表現(xiàn)出不適應(yīng)性。為了克服傳統(tǒng)高錳鋼所表現(xiàn)出來的弱點(diǎn)或降低它們的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為此進(jìn)行了許多研究，其中改型高錳鋼、合金化高錳鋼、超高錳鋼及介穩(wěn)奧氏體錳鋼的研究都取得了許多有益的進(jìn)展 [1113]，一些國(guó)家以將改進(jìn)型的奧氏體錳鋼納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) [14,15]。作為耐磨材料而言高錳鋼近年來的發(fā)展趨勢(shì)和取得的進(jìn)展主要表現(xiàn)在以下的幾個(gè)方面:. 1 改 型 高 錳 鋼為了克服傳統(tǒng)高錳鋼的不足，對(duì)此鋼種進(jìn)行了大量的研究對(duì)比。采用不同的方法，努力提高屈服強(qiáng)度和耐磨性，以滿足使用要求。在原高錳鋼的成分基礎(chǔ)上，適量添加 Ti，V，Nb，W，B，N 和 Re 元素，形成高熔點(diǎn)化合物，細(xì)化晶粒來發(fā)揮作用。有關(guān)測(cè)試表明，加入 0. 069%N, %Ti 和 %Ni 的高錳鋼，其耐磨性分別提高 60%和 ～ 倍。也有人通過加入 Cr，Mo，Ti 和 V等碳化物形成元素，使其產(chǎn)生綜合作用，以改變高錳鋼中碳化物彌散分布的形態(tài)，獲得以 M23C6。為主的粒狀碳化物，使其彌散分布于奧氏體基體上，有效地提高耐磨性達(dá) 2 倍以上，挖掘使用表明，這種合金化的高錳鋼，不僅在高沖擊應(yīng)力下具有良好的耐磨性，而且在低應(yīng)力條件下仍很耐磨 [16]。 (a)提高 C 含量 C 在 Mnl3 鋼中一部分固溶在鋼中，一部分與 Fe , Mn 形成碳化物，提高鋼的硬度和耐磨性。近年研究表明，在非強(qiáng)烈沖擊工況條件下，在含 C 量超過1%時(shí)，每增加 0. 1% C，耐磨性提高 5%～10%。高碳高錳鋼的耐磨性遠(yuǎn)高于Mn13，如含 C 1. 78%的 GTMn 一 A 球磨機(jī)襯板的使用壽命是 Mn13 的 3. 8 倍以上。目前，一些國(guó)家高錳鋼中的碳含量趨向于向高碳方向發(fā)展。 (b)降低碳錳含量Mn 在鋼中是促進(jìn)奧氏體形成元素，在保證奧氏體組織的前提下，隨著 Mn 含量降低，奧氏體穩(wěn)定性下降，但加工硬化能力增強(qiáng)。介穩(wěn)奧氏體錳鋼是在 Mnl3的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低碳錳含量，并加入一定含量的鉻，從而降低奧氏體穩(wěn)定性所獲得的一種耐磨材料 [17,18]。大致成分為:Mn 8. 0～%，～1. 20%，Cr2. 0～2. 5%，Si0. 8%。介穩(wěn)奧氏體錳鋼在形變時(shí)形成大量孿晶，孿晶帶薄，孿晶間距小，并有 ε 馬氏體出現(xiàn) [19]。沖擊載荷作用小時(shí)，其加工硬化速度快，可迅速形成高硬度的穩(wěn)定的硬化層，抗沖擊磨料磨損的能力大幅度提高。美國(guó) Climax 公司研制的奧氏體中錳鋼，開辟了一條發(fā)揮奧氏體錳鋼潛力的新途徑 [4]。 (c)既提高 Mn 含量，又提高 C 的含量超高錳鋼是在普通高錳鋼成分的基礎(chǔ)上通過提高碳錳含量發(fā)展而來的。它既具有高的加工硬化速率，又保持了高韌性的奧氏體組織，在中低沖擊工況下，具有良好的耐磨性 [20,21]。我國(guó)安徽電力修造廠利用這一原理開發(fā)了一種超高錳鋼 ZGMn18Cr2Ti，提高錳含量可以固溶較多的合金元素，再通過變質(zhì)處理和以后的沉淀強(qiáng)化處理，就能進(jìn)一步提高韌性和加工硬化能力。其化學(xué)成分大致為: C1. 53%，Si 0. 55%，Mn 18. 2%，Cr 2. 65%，Ti 0. 22%，Re 0. 35%, P0. 06%, S0. 05。此種材質(zhì)適用于軟磨料大角度沖蝕磨損條件。通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)使用證明，這種材質(zhì)的沖擊板比普通高錳鋼的使用壽命提高近一倍。 合 金 化 高 錳 鋼在 Mn 13 鋼中添加合金元素 Cr，Mo，V 形成合金高錳鋼。合金元素的加入主要是控制碳化物的析出和改善屈服極限。高錳鋼中合金元素的主要作用如下所述。鉻:合金元素 Cr 是固溶強(qiáng)化和碳化物形成元素，一般用量 1. 5%～3. 0% 。Cr 能提高鋼的淬透性和耐磨性，也能提高鋼的屈服強(qiáng)度，但是在常溫下隨鉻含量的增加，高錳鋼的沖擊韌性有所降低。鑰:合金元素 Mo 可以緩解碳的擴(kuò)散速度，能抑制碳化物的析出和珠光體的形成。含 Mo 鋼經(jīng)過強(qiáng)化處理后，可獲得較高的屈服強(qiáng)度，且韌性不降低，當(dāng)鋼中加入 0. 5%～0. 6%的 M。時(shí)，鋼的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性提高 20%30%0 鑰能改善奧氏體沿樹枝晶發(fā)展的傾向，鋁的加入還可阻止奧氏體晶粒在熱處理時(shí)加熱和保溫過程中的長(zhǎng)大。釩:是 C，N 化合物形成元素，在高錳鋼中有細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用。釩的加入使硬度提高，當(dāng)含量較高時(shí)沖擊韌性下降。稀土元素:RE 的加入可凈化鋼液、細(xì)化晶粒、抑止碳化物的生長(zhǎng)和改善夾雜物形態(tài)、分布的作用 [1,2,5,12]。硅:硅促使枝晶粗大及碳化物的形成。硅含量大于 0. 65%,鋼的裂紋傾向增加，在高錳鋼中硅的含量一般控制在 0. 6%以下。 高 錳 鋼 的 變 質(zhì) 處 理因?yàn)樘蓟镂龀鰧?dǎo)致高錳鋼韌性迅速降低的一個(gè)重要因素是這些碳化物通常趨于沿奧氏體的晶界析出，并且這些碳化物往往呈現(xiàn)出對(duì)材料韌性最不利的片狀或針狀。利用稀土元素對(duì)晶界和相界明顯的凈化作用，對(duì)碳化物形核過程的影響以及對(duì)析出相的改性作用，可望通過稀土元素對(duì)合金化的高錳鋼進(jìn)行變質(zhì)處理改變析出碳化物在奧氏體基體中的分布狀態(tài)和碳化物的形態(tài)，在奧氏體錳鋼基體上獲得顆粒狀的碳化物并使之均勻分布于奧氏體晶粒內(nèi)部，從而抑制由于不利的析出相分布和形態(tài)給材料韌性帶來的影響 [2326]。 高 錳 鋼 的 組 織 和 性 能 高 錳 鋼 的 顯 微 組 織目前我們常用的耐磨高錳鋼為 ZGMn13 型，其化學(xué)成分大致為 C: ～ %, Mn:11～14 %, Si: ～ %, S≤ %, P≤。在此基礎(chǔ)上還可以添加 Cr, Ni 等合金元素進(jìn)行合金化和變質(zhì)處理，形成合金耐磨高錳鋼。圖 為含 13 %Mn 的 FeMnC 三元合金相圖的截面圖。由于 Mn 的加入，臨界點(diǎn) S 和 E 明顯左移。鑄件在鑄造結(jié)晶的過程中，冷速緩慢，室溫時(shí)組織是以奧氏體為基體，晶內(nèi)和晶界存在大量塊狀、條狀或者針狀碳化物，晶界上碳化物呈網(wǎng)狀，如圖 (a)所示。高錳鋼的鑄態(tài)組織的特點(diǎn)使其性能很差，需經(jīng)過水韌處理后才能使用，經(jīng)過水韌處理后的組織應(yīng)為單一