高碳高錳鋼的研究與應(yīng)用

高碳高錳鋼的研究與應(yīng)用

高鉻鋼的研究和使用歷史悠久。它于1882年由英國(guó)的羅伯特海德爾發(fā)明，因此也被稱為海德爾鋼。高錳鋼有良好的加工硬化性能,在工件經(jīng)受強(qiáng)烈沖擊或重力擠壓的工況條件下,其表面迅速硬化,而心部依舊保持原有的硬度和良好的韌性。因而高錳鋼廣泛用于制造抗沖擊磨損的工件,所制成的構(gòu)件,在高沖擊負(fù)荷下,既安全可靠,又耐磨長(zhǎng)壽,廣泛用于冶金、礦山、建材、鐵路、農(nóng)機(jī)及軍工等各個(gè)部門。近年來(lái),高錳鋼在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面日益得到重視。有許多學(xué)者在超高錳鋼成分設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造等方面做了大量工作,既提高了高錳鋼的加工硬化能力、耐磨性以及制造加工性能外,又將高錳鋼的應(yīng)用領(lǐng)域拓展到高強(qiáng)度高塑性鋼領(lǐng)域。1化學(xué)成分分析高錳鋼分為數(shù)種,有高碳高錳耐磨鋼(如ZGMn13)、中碳高錳無(wú)磁鋼(如40Mn18Cr3、50Mn18Cr4)低碳高錳不銹鋼及高錳耐熱鋼等。高錳鋼中C、Mn含量及Mn、C比值的大小,直接影響著高錳鋼的性能。高錳鋼的Mn、C比值通?？刂圃?0左右。一般說(shuō)來(lái),Mn/C>10,可增加奧氏體的穩(wěn)定性,易于保證高錳鋼的韌性;Mn/C=10,易于得到強(qiáng)韌性的良好配合;Mn/C<10,則有利于進(jìn)一步提高耐磨性。高錳鋼使用前通常進(jìn)行水韌處理,經(jīng)水韌處理后的高錳鋼一般為奧氏體加碳化物或者奧氏體加少量的馬氏體組成。C.Scott等研究了高錳鋼的Mn、C含量與水韌處理后的組織關(guān)系,結(jié)果如圖1所示。作為耐磨材料的高碳高錳鋼(也稱為Hadfield鋼)的化學(xué)成分大致為w(C)=0.9%～1.5%,w(Mn)=10%～18%,w(Si)=0.3%～1.0%,w(S)<0.05%,w(P)<0.05%,其中ZG13作為耐磨材料的應(yīng)用較廣。高錳鋼的耐磨性能是通過(guò)加工硬化機(jī)制實(shí)現(xiàn)的,它具有一般鋼所沒(méi)有的極強(qiáng)的加工硬化能力。當(dāng)制件受到強(qiáng)烈沖擊摩擦或鑿削時(shí),表面硬度會(huì)從HB180～220提高至HB500～550。至于其加工硬化的機(jī)理曾有多種觀點(diǎn),這些觀點(diǎn)主要有:形變誘發(fā)馬氏體相變硬化、孿晶硬化、位錯(cuò)硬化、動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效硬化、Fe-Mn-C原子團(tuán)硬化、綜合作用硬化,但是目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的理論能完善地解釋高錳鋼的加工硬化行為,通常認(rèn)為,這與奧氏體變形產(chǎn)生高密度位錯(cuò)和誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變以及產(chǎn)生大量的機(jī)械孿晶有關(guān)。2高強(qiáng)塑性高錳鋼的研發(fā)近年來(lái),有許多學(xué)者在高錳鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)方面做了大量工作,以尋求進(jìn)一步提高高錳鋼加工硬化能力,擴(kuò)大高錳鋼的應(yīng)用范圍。對(duì)于耐磨高錳鋼這些改進(jìn)主要包括以下幾個(gè)方面。第一,降低C、Mn含量并合金化,如奧氏體中錳鋼。美國(guó)Climax公司研制的奧氏體中錳鋼,其化學(xué)成分為:w(C)=1.00%～1.80%,w(Mn)=6.0%～8.0%,w(Si)=0.30%～1.00%,w(S)<0.05%,w(P)S<0.05%。該鋼經(jīng)水韌處理后得到不穩(wěn)定的奧氏體組織,在壓縮或沖擊磨損條件下塑性變形誘發(fā)產(chǎn)生大量形變誘發(fā)馬氏體,從而迅速硬化。由于形變誘發(fā)馬氏體的強(qiáng)化效果遠(yuǎn)高于高錳鋼的層錯(cuò)孿晶強(qiáng)化,故而中錳鋼的耐磨性遠(yuǎn)高于高錳鋼的。第二,加入一種或幾種碳化物形成元素,如Cr、Mo、V、Ti等,以提高鋼的屈服強(qiáng)度。一種亞穩(wěn)奧氏體錳鋼的開發(fā)就是在Mn13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,其大致成分為w(Mn)=8.0%～9.0%,w(C)=1.0%～1.20%,w(Cr)=2.0%～2.5%,w(Si)=0.8%。Cr的加入不僅可以形成碳化物,還降低了奧氏體的穩(wěn)定性。鋼形變時(shí)有馬氏體出現(xiàn),加工硬化速度快,可迅速形成高硬度的穩(wěn)定的硬化層。第三,加入Mo、Ni等元素,提高奧氏體的穩(wěn)定性,提高大截面鑄件心部的塑韌性等。因此,相繼出現(xiàn)了分別含Mo、Cr、Ni、V、B的奧氏體高錳鋼和分別含Mo與Cr、Mo、Ti與Ni與N的奧氏體中錳鋼等。第四,高錳鋼在嚴(yán)寒氣候條件下使用,易發(fā)生低溫脆性斷裂。N.N.Stepanova等人認(rèn)為其可能原因有以下幾點(diǎn):(1)快速淬火時(shí)碳在晶界表面析出;(2)冷卻速度不夠高時(shí),碳化物在晶界上析出而降低晶間結(jié)合力;(3)磷化物、硫化物在400～700℃時(shí)在晶界上。按照他的分析,在盡可能降低P、S含量的基礎(chǔ)上,提高錳含量,就可以提高錳鋼奧氏體的穩(wěn)定性,阻止碳或碳化物的析出?；谶@一原理研制了一種在寒冷條件下應(yīng)用的超高錳鋼ZGMn18,其錳含量為17%～20%。結(jié)果證明,提高錳含量,不只使強(qiáng)度塑性提高,而且提高了低溫下變形的抗脆性破壞的能力。部分高錳鋼的力學(xué)、物理性能見(jiàn)表1。除了耐磨高錳鋼研究外,高強(qiáng)度高塑性高錳鋼的研究和應(yīng)用日益受到重視。1997年,G..Frommeyer等研究高錳Fe-Mn-Si-A1系相變誘發(fā)塑性(trans-formationinducedplasticity,TRIP)鋼時(shí)的研究結(jié)果見(jiàn)圖2。研究表明,Mn含量在15%～30%范圍內(nèi),隨著Mn含量的增加鋼的強(qiáng)度降低,而在25%時(shí),鋼的塑性達(dá)到最大,其抗拉強(qiáng)度(Rm)和延伸率(A)的乘積在50000MPa%以上,是高強(qiáng)韌性TRIP鋼的2倍。研究結(jié)果表明,該類合金的高強(qiáng)韌性來(lái)自形變過(guò)程中孿晶的形成而不是TRIP鋼中的相變,故命名為孿生誘發(fā)塑性(twinninginducedplasticity,TWIP)鋼。TWIP鋼具有極好的力學(xué)性能(延伸率大于80%)和高的能量吸收能力(如20℃時(shí)約為0.5J/mm),為傳統(tǒng)深沖鋼的2倍以上,有望用來(lái)制造抗沖擊部件。高錳鋼中發(fā)現(xiàn)的TWIP效應(yīng)不僅明顯提高材料的塑性,同時(shí)由于應(yīng)變強(qiáng)化又提高了材料的強(qiáng)度,為解決材料的強(qiáng)度和塑性的矛盾提供了新的思路,得到了很多鋼鐵企業(yè)的重視,因此,很多鋼鐵企業(yè)加大了高錳TWIP鋼的研制。例如,汽車用鋼的主要?dú)W洲供應(yīng)商Arcelor公司和ThyssenKruppStahl(TKS)公司的研發(fā)部門從2005年開始共同研制了一系列的高錳TWIP鋼,其典型成分為:Fe-23Mn-0.6C,抗拉強(qiáng)度為1160MPa,延伸率達(dá)到52%,并被用在汽車門柱上,以提高汽車受側(cè)面撞擊時(shí)的安全性。3熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因及解決措施高錳鋼的導(dǎo)熱率比碳鋼低的多(僅為中碳鋼的1/4～1/2),因此鋼液凝固緩慢,且高錳鋼凝固溫度范圍較寬,在凝固過(guò)程中,樹狀晶長(zhǎng)得粗大,易形成長(zhǎng)條柱狀晶,降低了鋼的塑性及沖擊韌性。因此,高錳鋼通常采用金屬模鑄造。形狀復(fù)雜或者粗大的高錳鋼鑄件易產(chǎn)生裂紋,鑄件產(chǎn)生的裂紋主要是熱裂紋,高錳鋼自由線收縮值(2.4%～3.0%)比碳素鋼的大,因此,高錳鋼鑄件在疑固過(guò)程中若收縮受阻,便會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而使鑄件產(chǎn)生熱裂。其次,高錳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)低,所以高錳鋼鑄件在加熱及冷卻過(guò)程中各部位的溫差較大,造成相當(dāng)大的熱應(yīng)力,這也是高錳鋼鑄件產(chǎn)生熱裂的另一個(gè)重要原因。高錳鋼在室溫下為單一的奧氏體組織,即從液態(tài)凝固后冷卻時(shí)沒(méi)有相變,不能通過(guò)熱處理的方法來(lái)細(xì)化高錳鋼鑄件的組織,因而,改善高錳鋼鑄件的組織就尤為重要。提高高錳鋼鑄件性能常用的措施有:(1)孕育處理。為了使孕育劑更有效地起到晶粒細(xì)化作用,最好在出鋼時(shí)采用沖入法(將孕育劑預(yù)先包好放在盛鋼桶底部,用鋼液沖化)方式加入。鈦、鋯和釩等元素適合作孕育劑。(2)控制澆注溫度澆注溫度對(duì)高錳鋼的晶粒大小有顯著影響,澆注溫度高時(shí),鋼液積蓄的熱量多,鋼液凝固速度慢,會(huì)造成晶粒粗大,因而力學(xué)性能低。因此在保證鋼液充滿鑄型的條件下,盡量降低澆注溫度,有利于得到較細(xì)的晶粒組織和較好的力學(xué)性能。通常采用的澆鑄溫度為T=T(液相線)+(20～40)℃。(3)采用金屬型或冷鐵激冷用金屬型鑄造或采用冷鐵激冷鑄件局部,有利于在鑄件表面得到較細(xì)的晶粒組織。(4)懸浮澆注。懸浮澆注是往鑄型中澆入鋼液的過(guò)程中,利用液流帶入一些錳鐵微細(xì)顆粒,顆粒大小為1～5mm,按鋼液多少而定,鋼液量大時(shí),顆粒也應(yīng)大些。此外,還有不少學(xué)者研究了稀土元素對(duì)高錳鋼液的凈化作用,發(fā)現(xiàn)輕稀土能從以下幾個(gè)方面改善高錳鋼的性能:(1)凈化鋼液,改善高錳鋼的冶金質(zhì)量;(2)改善一次結(jié)晶,優(yōu)化高錳鋼組織;(3)改善高錳鋼鑄造工藝性能;(4)增加高錳鋼的力學(xué)性能;(5)促進(jìn)加工硬化,改善高錳鋼的抗磨性。目前,國(guó)內(nèi)外采用連鑄工藝生產(chǎn)高錳鋼的報(bào)道很少,最近,德國(guó)Spitzer報(bào)道了采用薄帶連鑄的工藝生產(chǎn)的高錳鋼板材,成分為:Fe-25Mn-3Al-3Si。4采用水韌處理技術(shù)目前,大多數(shù)高錳鋼制件的工藝過(guò)程比較簡(jiǎn)單,一般經(jīng)鑄造和熱處理兩步主要工序,其鑄態(tài)組織是以?shī)W氏體為基體,晶內(nèi)或晶界上分布著大量塊狀或條狀的碳化物。這種組織韌性較低、脆性較大,不能充分體現(xiàn)抗沖擊磨損的優(yōu)異特性。在1000～1100℃溫度下加熱后水淬,即可得到單一奧氏體組織.該組織的韌性極好,可以承受很大沖擊而不斷裂,所以,這種水中淬火處理又叫水韌處理,是高錳鋼獲得理想使用組織的最有效方法。水韌處理的機(jī)理是,將鋼加熱到臨界溫度以上,在保溫期間,鋼中的碳化物全部溶解到奧氏體中,在將鋼置于水中急冷時(shí),碳化物來(lái)不及從奧氏體中析出,從而鋼的韌性提高。由于易加工硬化、導(dǎo)熱系數(shù)低、線膨脹系數(shù)大等特點(diǎn),導(dǎo)致了高錳鋼在常溫切削時(shí)切削力大,切削溫度高,刀具易磨損,斷屑困難,工件熱變形大,是典型的難切削材料。近來(lái),有不少研究者對(duì)高錳鋼的切削性能進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明,切削高錳鋼時(shí)應(yīng)選用硬度高、紅硬性高、耐磨性好,并有較高強(qiáng)度、韌性和導(dǎo)熱系數(shù)的刀具材料。優(yōu)先采用復(fù)合氧化鋁陶瓷AG2、SG4、AT6和涂層硬質(zhì)合金YB415、YB215、CN25等;一般采用YW類硬質(zhì)合金如YW2A、YW3、813、798、767、726等牌號(hào);用非涂層硬質(zhì)合金加工時(shí),宜選用含TiC、NbC的細(xì)晶粒牌號(hào)。用高速鋼要采用TiN涂層刀具,或是采用高性能高速鋼W2Mo9Cr4VCo8、W12Mo3Cr4VCo5