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高锰钢现状及今后发展

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  [摘要] 本文通过分析加工硬化机理、高锰钢生产中的常见问题等方面系统论述了高锰钢的现状,从生产工艺方面论述了高锰钢今后发展的情况,并进一步对高锰钢的应用进行了阐述。
  [关键词] 加工硬化机理 常见问题 现状 发展 应用
  
  高锰钢俗称“耐磨钢” ,被广泛的应用于各个行业的许多耐磨件上。随着对磨损机理研究的深入发展,人们对高锰钢的特性也了解的更透彻。
  一、高锰钢加工硬化机理
  高锰钢原始硬度很低,而加工硬化能力很强,在使用中硬度提高,形变速度越快,硬化效果显著,硬度也越高,目前强化机理有以下几种:
  1.位错强化机制:高锰钢是大量Mn原子置换铁原子,显著降低层错能,因而易于形变,使位错密度增高,形成堆垛层错和形变亚结构,呈现加工硬化现象。
  2.形变孪晶机制:高锰钢拉伸后,硬化区出现层状孪晶,硬度达HV460。经重锤锤击后出现层状孪晶及位错缠结达HV500。爆炸硬化时出现复合孪晶,硬度提高,硬化层加厚。
  3.形变马氏体机制:从热力学角度讲,合金快速冷至Ms点以下可获得马氏体,而在Ms点以下存在Md点,在Ms——Md之间因应力作用可产生形变马氏体。一般Ms点低于200℃。Mn量为12%时,Ms点为-230℃以下,因此室温下一般变形的高锰钢不会产生形变诱发马氏体。如果钢中碳量降至0.8%时,在室温下也没能发现形变马氏体,而在-196℃低温下可出现δ.θ马氏体,改变高锰钢中的含锰量,将锰量降至4%,室温形变后有ε.δ马氏体产生,常规成分高锰钢固溶后经50%的变形量形变,硬度已达到较高数值,变值量增至35%时,发现有少量(约1.4%)δ马氏体,其间硬度变化与δ马氏体量的增加速度不一致,这样较大变形量的试验,也间接证明硬化主要原因不是由于产生了δ马氏体。以前关于发现马氏体的报导,可能是高锰钢在空气炉中高温加热,造成表面碳、锰降低,或是加热不足,局部贫碳,促使形变马氏体出现。根据这个机理,现在已有将高锰钢进行表面控制脱碳,使得在水韧处理后产生马氏体,用以强化高锰钢,提高耐磨性的报导。
  4.析出相强化机制:在形变过程中,高锰钢随变形量增加,奥氏体中缺陷增加,过饱和的碳在位错、空位、层错、孪晶等处聚集形成柯氏气团,阻碍滑移,形变热量继续积累,使偏聚的碳、锰原子重新分布,在缺陷处择优形核、长大,形成弥散分布在基体内及晶界上的ε碳化物。根据奥罗万机制,滑动位错与弥散碳化物颗粒间作用,使强迫位错通过颗粒所需的临界分切应力增大,强化了奥氏体。
  人们在碳含量高的高锰钢中(碳为1.49%),经过50%的压缩变形发现有碳化物析出。对常规成份高锰钢虽未发现碳化物析出,却也发现了晶格常数的减小,相当于奥氏体中碳量降低0.1%。在全国齿板评比对性能较好的高锰钢齿板分析时,发现奥氏体中出现了原始组织中未有的新相,可能就是形变诱发的ε碳化物。
  二、高锰钢生产中的一些问题
  根据各地厂家的生产情况,把易忽略的问题扼要介绍一下:
  1.冶炼:首先炉料要精选烘干,尤其对感应电炉更加重要,锰铁中磷较高,在选购锰铁时,要选择含磷低的锰铁合金。冶炼时,锰铁宜后加入炉内,以减少烧损量,后加入的铁合金要预先经过烘烤,出钢前还可用12×20×300mm浇注后直接水韧处理的试棒,视其冷弯的角度来检验钢水质量。
  高锰钢由于碳量高,导热性低及结晶速度较快,容易产生粗大的结晶组织,当传热有方向性时,往往形成柱状晶,在枝晶之间存在显微疏松和夹杂物,影响钢的性能,尤其是标准高锰钢铸态晶粒的大小通过热处理是很难改变的。根据建材部标准规定高锰钢铸件晶粒度不粗于2级,有的工艺文件还规定壁厚不大于20mm的铸件不允许有柱状晶,大于20mm的铸件,断面两边柱状晶厚度之和不超过该断面厚度五分之二者为合格,否则为不合格。因此在生产中要求高温冶炼,低温浇注,主要严格控制出钢温度。另外,浇注温度低还可以减少热裂缺陷、缩孔、粘砂、含气量和节约能源,是影响铸件质量的重要因素。
  2.铸造:为了获得细铸态晶粒,减少碳化物析出量,除了控制浇注温度,对厚大件要放置外冷件(内冷铁一般不宜放),这样同时也提高了高锰钢铸件的致密度,减少缩孔、疏松。高锰钢体收缩大,但只要工艺控制得当,可以不出现缩孔,而以轴线疏松形式存在,由于它韧性好,基本不影响使用,这也是高硬度耐磨材料无法与之相比的。因此高锰钢铸件厚度小于25mm时,一般不用冒口,在大于50mm时,必须设置冒口。高锰钢难切割,浇注系统往往分散引入,冒口采用保温、细颈、易割三种冒口。在工艺上采用补浇,放发热剂的办法增强补缩效果。高锰钢钢水中的MnO呈碱性,和型砂中的的二氧化硅易产生化学粘砂,因此最好用镁砂高铝粉和铬铁矿粉做涂料,提高铸件表面质量。
  3.热处理:加热温度在保证碳化物充分溶解的情况下,尽量选低些。入水温度不得低于950℃。零件与水量之比应达1∶8,水温低于30℃。人们往往认为高锰钢淬透性很高,我们发现厚度大于80mm的高锰钢件水韧后,心部冷速慢,析出了针状碳化物,使性能下降。为了减少高温下碳化物固溶的困难,降低能耗及缩短生产周期,对100mm以下厚度的简单铸件,可采用200℃入炉,以70~80℃/h速度升温,不进行650℃保温的水韧工艺。
  4.清理:对铸态不能敲掉的浇、冒口,可以水韧后进行浇水切割。
  三、高锰钢生产工艺的发展
  1.精炼:为了提高钢水质量,炉外精炼工艺被愈来愈广泛应用,从20世纪80年代起,在高锰钢生产上也得到使用,精炼后,夹杂物减少,分布改善,使强度提高,可由657MPa提高到834Mpa,耐磨性也能提高30%。
  2.悬浮浇注:浇注温度对高锰钢性能的影响很大,生产厂家往往炉子容量大,浇注时间长,控温较难,虽然采取各样的措施,仍不能避免晶粒粗大的弊病。人们研究在浇注时,随钢水连续加入2%~3%(尺寸为0.15~0.3m)铁粉或锰铁粉与铁粉的混合物,它起内冷铁作用和增加结晶核心,改善高锰钢性能还使耐磨性提高30%~50%,但要注意加入后使钢水流动性降低。
  3.表面合金化:为了既提高耐磨性又节约合金元素,采用表面加入合金的方法可以达到目的,具体措施是在铸型表面刷含合金涂料,撒锰铁粉或是贴上合金铸铁片,钢水浇入后熔化与熔接这些材料,提高了铸件表面性能,现在还有用含铬焊条在高锰钢上进行堆焊,以提高耐磨性,哈焊所高铬粉块堆焊效果也很好。
  4.爆炸硬化:用滚压、喷丸等方式予强化高锰钢效果不理想。利用爆炸极短时间内产生3×107KPa高压使高锰钢表面形成40~50mm硬化层,硬化层硬度达到HB300~500,表层屈服强度可提高2倍,耐磨性提高50%,此种方法对标准高锰钢最为有效。
  5.铸态水韧处理:高锰钢凝固后,在960℃以上利用余热进行水韧处理,可减少表层脱碳,缩短生产周期和节约能源,对壁厚的中小铸件,能采用此法,唐山水泥机械厂曾用金属型铸造高锰钢衬板时利用了此法,但必须仔细控制入水温度。
  6.沉淀强化:标准高锰钢水韧处理后,不宜再加热,而加入合金元素后,就可以用沉淀强化热处理的方法,使高锰钢基体强化,并在基体上分布弥散的粒状碳化物,使耐磨性提高。
  四、工况条件与高锰钢的应用
  在长期使用中发现,高锰钢韧性很好,但在某些条件下,其耐磨性不尽人意,影响耐磨性因素有:铸件原始硬度,加工硬化速度,析出第二相硬粒子的沉淀强化,铸件工作面的硬化层深度,前面谈到的各种措施就是提高高锰钢耐磨性采用的一些方法。随着科学研究的发展,人们开始跳出了高锰钢的圈子,着眼于马氏体钢、贝氏体钢、镍硬铸铁、高铬铸钢(铁)、复合材料、铸石、橡胶等

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