【正文】 ...............................................................................................................28第 一 章 文 獻(xiàn) 綜 述 耐 磨 高 錳 鋼 概 述目前，國內(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)。采用拉伸沖擊測(cè)試、金相觀察,SEM 等方法研究了不同稀土加入量對(duì)高錳鋼微觀組織、拉伸沖擊力學(xué)性能及斷口形貌的影響并采用能譜儀測(cè)定材料的物相組成。稀土高錳鋼的研究摘 要：稀土高錳鋼因其高耐磨損和其他優(yōu)良性能，得到了廣泛的應(yīng)用。目前稀土高錳鋼的研究和應(yīng)用，多年來徘徊不前，主要原因是對(duì)稀土的作用機(jī)理及影響因素理解不透，加入方法不夠恰當(dāng)，加入量不能定量控制，因而導(dǎo)致效果不顯著，成本較高。結(jié)果表明：高錳鋼加入稀土后，晶粒得到細(xì)化，碳化物數(shù)量減少，其力學(xué)性能得到了顯著提高，且加入稀土硅合金為 %的水韌態(tài)高錳鋼力學(xué)性能最佳。雖然高鉻鑄鐵耐磨性高，但脆性大，只適合于低沖擊工況。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。此外其產(chǎn)品價(jià)格較低，有良好的性價(jià)比。 耐 磨 高 錳 鋼 的 由 來 、 發(fā) 展 歷 史 及 研 究 現(xiàn) 狀自 1882 年英國人 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。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。用于強(qiáng)烈沖擊條件的高錳鋼鑄件，含錳量應(yīng)該高些。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。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。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。寒冷條件下使用的高錳鋼常出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象 [8]。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。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。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。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。 (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。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。 (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)。大致成分為:Mn 8. 0～%，～1. 20%，Cr2. 0～2. 5%，Si0. 8%。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。 (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。我國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。此種材質(zhì)適用于軟磨料大角度沖蝕磨損條件。 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。高錳鋼中合金元素的主要作用如下所述。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。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。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。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。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]。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。由于 Mn 的加入，臨界點(diǎn) S 和 E 明顯左移。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)為單一的奧氏體組織，但由于冷速不足，固溶溫度低，保溫時(shí)間短，導(dǎo)致碳化物不能完全溶解，而在晶內(nèi)或晶界殘留有少量的碳化物 [2]，如圖 (b)所示。圖 FeMnC 三元合金相圖(含 13 %Mn) FeMnC ternary alloy diagram(including 13%manganese) (a)鑄態(tài)組織 (b)水韌組織 (c)加工硬化后組織(a)The ascast (b)Heat treatment (c)Workhardening Microstructure Microstructure Microstructure 圖 高錳鋼的顯微組織 ( The microscopic structure of high manganese steel 高 錳 鋼 的 性 能高錳鋼的物理性能高錳鋼的液相線溫度為 1400℃，固相線溫度為 1350℃,隨著高錳鋼的含碳量增加液相線溫度和固相線溫度降低。硬度高錳鋼的硬度有三種，一是鑄態(tài)硬度，二是水韌處理后硬度，三是加工硬化層硬度。鑄態(tài)組織的硬度高低與鋼中碳含量及其它合金含量有關(guān)，碳含量增加組織中的碳化物數(shù)量增多，鋼的硬度增加。水韌處理后奧氏體的硬度約為 170～230HB。耐磨性錳在奧氏體中為置換固溶體，錳含量增加，加工硬化速度下降，對(duì)耐磨性不利。適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分和熱處理可以使碳化物的形態(tài)和數(shù)量發(fā)生改變，從而影響鋼的耐磨性。 稀 土 在 高 錳 鋼 中 的 作 用 及 其 機(jī) 理 稀 土 元 素稀土元素包括瀾系、憶和釩共 17 個(gè)元素。輕稀土（又稱鈰組）包括：鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓。在周期表中均屬強(qiáng)堿性金屬，具有幾平相同的外層電子數(shù)和很大的負(fù)電性。比鋁()和錳()都大。稀土元素具有較大的原子半徑，比鐵的原子半徑大得多，可見稀土在鐵巾不會(huì)有較大的固溶度，一般在 ～%。因此，稀上加入鋼液不致發(fā)生不熔化和揮發(fā)問題，也不會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈沸騰和噴濺現(xiàn)象。稀土元素在金屬材料中的研究和應(yīng)用已有 80 多年的歷史。目前國際上把稀土譽(yù)為新技術(shù)革命中的戰(zhàn)略元素,高技術(shù)的生長(zhǎng)點(diǎn),新材料的寶庫。2)細(xì)化結(jié)晶，優(yōu)化高錳鋼組織。4)強(qiáng)化作用。高錳鋼含硫量較低，一般都在 %以下，因稀土和硫結(jié)合力強(qiáng)。不加稀土高錳鋼硫化物夾雜熔點(diǎn)低，分布于支晶間或晶界上；加入稀土后形成高熔點(diǎn)稀土硫化物，稀土氧化物，和稀土氮化物，其熔點(diǎn)一般都在 2022℃以上，以細(xì)小，粒狀，彌散分布于晶內(nèi)。 高錳鋼鋼液容易吸氣，鋼液中的[H],[N]含量比普通鋼液要高，隨著鋼液溫度降低和結(jié)晶凝固。稀土加入能和鋼液中的[H],[N]形成較為穩(wěn)定的化合物，如 REH2,REH3,REN 等，固定了鋼液中的氣體，減少了高錳鋼鑄件氣孔缺陷。常溫和低溫時(shí)使韌性降低，在強(qiáng)沖擊載荷下易開裂。表 31 列舉了兩組加稀土高錳鋼與普通高錳鋼的化學(xué)成分及氣體含量。組別 RE C Si Mn P S [O] [N]12表 31 不同處理狀態(tài)的哦化學(xué)成分及氣體含量變化/% 細(xì) 化 晶 粒圖 32 表明，稀土對(duì)標(biāo)準(zhǔn)成分高錳鋼的晶粒粗化有明顯的抑制作用。圖 32 稀土元素對(duì)高錳鋼晶粒生長(zhǎng)的影響結(jié)晶過程中稀土在液固兩相界面上富集，阻礙原子擴(kuò)散，阻礙固相從液相中獲得相應(yīng)的原子，則阻礙晶粒長(zhǎng)大，達(dá)到抑制柱狀晶發(fā)展，細(xì)化等軸晶粒的效果。在固溶處理時(shí)，稀土元素在晶界富集，阻礙原子擴(kuò)散和奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。另外，由于稀土元素是表面活性物質(zhì)，加入鋼中，降低了相界面的表面張力，使晶核形成功降低，晶核形成速度激劇增加。由于選擇吸附的結(jié)果，它們大多富集在正在長(zhǎng)大晶體與鋼液的界面上，建立起一層吸附薄膜，阻礙并降低了晶體長(zhǎng)大的傾向。稀土的這種孕育作用對(duì)于單相結(jié)晶的奧氏體高錳鋼尤為重要。稀土元素在晶界上富集，填充了晶界空穴等缺陷，阻礙原子借晶界空穴進(jìn)行躍遷式擴(kuò)散，阻礙碳化物沿晶界長(zhǎng)大。稀土元素外層電子排列的特點(diǎn)是 5d 層電子嚴(yán)重不飽和，稀土元素是強(qiáng)烈碳化物形成元素，它和碳之間能形成 REC，RE 2C3， REC2等類型特殊碳化物，并且該碳化物熔