高碳高锰钢的研究与应用

高碳高锰钢的研究与应用

高铬钢的研究和使用历史悠久。它于1882年由英国的罗伯特海德尔发明，因此也被称为海德尔钢。高锰钢有良好的加工硬化性能,在工件经受强烈冲击或重力挤压的工况条件下,其表面迅速硬化,而心部依旧保持原有的硬度和良好的韧性。因而高锰钢广泛用于制造抗冲击磨损的工件,所制成的构件,在高冲击负荷下,既安全可靠,又耐磨长寿,广泛用于冶金、矿山、建材、铁路、农机及军工等各个部门。近年来,高锰钢在理论研究和实际应用方面日益得到重视。有许多学者在超高锰钢成分设计、生产制造等方面做了大量工作,既提高了高锰钢的加工硬化能力、耐磨性以及制造加工性能外,又将高锰钢的应用领域拓展到高强度高塑性钢领域。1化学成分分析高锰钢分为数种,有高碳高锰耐磨钢(如ZGMn13)、中碳高锰无磁钢(如40Mn18Cr3、50Mn18Cr4)低碳高锰不锈钢及高锰耐热钢等。高锰钢中C、Mn含量及Mn、C比值的大小,直接影响着高锰钢的性能。高锰钢的Mn、C比值通常控制在10左右。一般说来,Mn/C>10,可增加奥氏体的稳定性,易于保证高锰钢的韧性;Mn/C=10,易于得到强韧性的良好配合;Mn/C<10,则有利于进一步提高耐磨性。高锰钢使用前通常进行水韧处理,经水韧处理后的高锰钢一般为奥氏体加碳化物或者奥氏体加少量的马氏体组成。C.Scott等研究了高锰钢的Mn、C含量与水韧处理后的组织关系,结果如图1所示。作为耐磨材料的高碳高锰钢(也称为Hadfield钢)的化学成分大致为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作为耐磨材料的应用较广。高锰钢的耐磨性能是通过加工硬化机制实现的,它具有一般钢所没有的极强的加工硬化能力。当制件受到强烈冲击摩擦或凿削时,表面硬度会从HB180～220提高至HB500～550。至于其加工硬化的机理曾有多种观点,这些观点主要有:形变诱发马氏体相变硬化、孪晶硬化、位错硬化、动态应变时效硬化、Fe-Mn-C原子团硬化、综合作用硬化,但是目前还没有一个统一的理论能完善地解释高锰钢的加工硬化行为,通常认为,这与奥氏体变形产生高密度位错和诱发马氏体转变以及产生大量的机械孪晶有关。2高强塑性高锰钢的研发近年来,有许多学者在高锰钢化学成分设计方面做了大量工作,以寻求进一步提高高锰钢加工硬化能力,扩大高锰钢的应用范围。对于耐磨高锰钢这些改进主要包括以下几个方面。第一,降低C、Mn含量并合金化,如奥氏体中锰钢。美国Climax公司研制的奥氏体中锰钢,其化学成分为: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%。该钢经水韧处理后得到不稳定的奥氏体组织,在压缩或冲击磨损条件下塑性变形诱发产生大量形变诱发马氏体,从而迅速硬化。由于形变诱发马氏体的强化效果远高于高锰钢的层错孪晶强化,故而中锰钢的耐磨性远高于高锰钢的。第二,加入一种或几种碳化物形成元素,如Cr、Mo、V、Ti等,以提高钢的屈服强度。一种亚稳奥氏体锰钢的开发就是在Mn13的基础上,适当降低碳锰含量,并加入一定含量的铬,从而降低奥氏体稳定性所获得的一种耐磨材料,其大致成分为w(Mn)=8.0%～9.0%,w(C)=1.0%～1.20%,w(Cr)=2.0%～2.5%,w(Si)=0.8%。Cr的加入不仅可以形成碳化物,还降低了奥氏体的稳定性。钢形变时有马氏体出现,加工硬化速度快,可迅速形成高硬度的稳定的硬化层。第三,加入Mo、Ni等元素,提高奥氏体的稳定性,提高大截面铸件心部的塑韧性等。因此,相继出现了分别含Mo、Cr、Ni、V、B的奥氏体高锰钢和分别含Mo与Cr、Mo、Ti与Ni与N的奥氏体中锰钢等。第四,高锰钢在严寒气候条件下使用,易发生低温脆性断裂。N.N.Stepanova等人认为其可能原因有以下几点:(1)快速淬火时碳在晶界表面析出;(2)冷却速度不够高时,碳化物在晶界上析出而降低晶间结合力;(3)磷化物、硫化物在400～700℃时在晶界上。按照他的分析,在尽可能降低P、S含量的基础上,提高锰含量,就可以提高锰钢奥氏体的稳定性,阻止碳或碳化物的析出。基于这一原理研制了一种在寒冷条件下应用的超高锰钢ZGMn18,其锰含量为17%～20%。结果证明,提高锰含量,不只使强度塑性提高,而且提高了低温下变形的抗脆性破坏的能力。部分高锰钢的力学、物理性能见表1。除了耐磨高锰钢研究外,高强度高塑性高锰钢的研究和应用日益受到重视。1997年,G..Frommeyer等研究高锰Fe-Mn-Si-A1系相变诱发塑性(trans-formationinducedplasticity,TRIP)钢时的研究结果见图2。研究表明,Mn含量在15%～30%范围内,随着Mn含量的增加钢的强度降低,而在25%时,钢的塑性达到最大,其抗拉强度(Rm)和延伸率(A)的乘积在50000MPa%以上,是高强韧性TRIP钢的2倍。研究结果表明,该类合金的高强韧性来自形变过程中孪晶的形成而不是TRIP钢中的相变,故命名为孪生诱发塑性(twinninginducedplasticity,TWIP)钢。TWIP钢具有极好的力学性能(延伸率大于80%)和高的能量吸收能力(如20℃时约为0.5J/mm),为传统深冲钢的2倍以上,有望用来制造抗冲击部件。高锰钢中发现的TWIP效应不仅明显提高材料的塑性,同时由于应变强化又提高了材料的强度,为解决材料的强度和塑性的矛盾提供了新的思路,得到了很多钢铁企业的重视,因此,很多钢铁企业加大了高锰TWIP钢的研制。例如,汽车用钢的主要欧洲供应商Arcelor公司和ThyssenKruppStahl(TKS)公司的研发部门从2005年开始共同研制了一系列的高锰TWIP钢,其典型成分为:Fe-23Mn-0.6C,抗拉强度为1160MPa,延伸率达到52%,并被用在汽车门柱上,以提高汽车受侧面撞击时的安全性。3热应力产生的原因及解决措施高锰钢的导热率比碳钢低的多(仅为中碳钢的1/4～1/2),因此钢液凝固缓慢,且高锰钢凝固温度范围较宽,在凝固过程中,树状晶长得粗大,易形成长条柱状晶,降低了钢的塑性及冲击韧性。因此,高锰钢通常采用金属模铸造。形状复杂或者粗大的高锰钢铸件易产生裂纹,铸件产生的裂纹主要是热裂纹,高锰钢自由线收缩值(2.4%～3.0%)比碳素钢的大,因此,高锰钢铸件在疑固过程中若收缩受阻,便会产生内应力而使铸件产生热裂。其次,高锰钢的导热系数低,所以高锰钢铸件在加热及冷却过程中各部位的温差较大,造成相当大的热应力,这也是高锰钢铸件产生热裂的另一个重要原因。高锰钢在室温下为单一的奥氏体组织,即从液态凝固后冷却时没有相变,不能通过热处理的方法来细化高锰钢铸件的组织,因而,改善高锰钢铸件的组织就尤为重要。提高高锰钢铸件性能常用的措施有:(1)孕育处理。为了使孕育剂更有效地起到晶粒细化作用,最好在出钢时采用冲入法(将孕育剂预先包好放在盛钢桶底部,用钢液冲化)方式加入。钛、锆和钒等元素适合作孕育剂。(2)控制浇注温度浇注温度对高锰钢的晶粒大小有显著影响,浇注温度高时,钢液积蓄的热量多,钢液凝固速度慢,会造成晶粒粗大,因而力学性能低。因此在保证钢液充满铸型的条件下,尽量降低浇注温度,有利于得到较细的晶粒组织和较好的力学性能。通常采用的浇铸温度为T=T(液相线)+(20～40)℃。(3)采用金属型或冷铁激冷用金属型铸造或采用冷铁激冷铸件局部,有利于在铸件表面得到较细的晶粒组织。(4)悬浮浇注。悬浮浇注是往铸型中浇入钢液的过程中,利用液流带入一些锰铁微细颗粒,颗粒大小为1～5mm,按钢液多少而定,钢液量大时,颗粒也应大些。此外,还有不少学者研究了稀土元素对高锰钢液的净化作用,发现轻稀土能从以下几个方面改善高锰钢的性能:(1)净化钢液,改善高锰钢的冶金质量;(2)改善一次结晶,优化高锰钢组织;(3)改善高锰钢铸造工艺性能;(4)增加高锰钢的力学性能;(5)促进加工硬化,改善高锰钢的抗磨性。目前,国内外采用连铸工艺生产高锰钢的报道很少,最近,德国Spitzer报道了采用薄带连铸的工艺生产的高锰钢板材,成分为:Fe-25Mn-3Al-3Si。4采用水韧处理技术目前,大多数高锰钢制件的工艺过程比较简单,一般经铸造和热处理两步主要工序,其铸态组织是以奥氏体为基体,晶内或晶界上分布着大量块状或条状的碳化物。这种组织韧性较低、脆性较大,不能充分体现抗冲击磨损的优异特性。在1000～1100℃温度下加热后水淬,即可得到单一奥氏体组织.该组织的韧性极好,可以承受很大冲击而不断裂,所以,这种水中淬火处理又叫水韧处理,是高锰钢获得理想使用组织的最有效方法。水韧处理的机理是,将钢加热到临界温度以上,在保温期间,钢中的碳化物全部溶解到奥氏体中,在将钢置于水中急冷时,碳化物来不及从奥氏体中析出,从而钢的韧性提高。由于易加工硬化、导热系数低、线膨胀系数大等特点,导致了高锰钢在常温切削时切削力大,切削温度高,刀具易磨损,断屑困难,工件热变形大,是典型的难切削材料。近来,有不少研究者对高锰钢的切削性能进行了研究,研究结果表明,切削高锰钢时应选用硬度高、红硬性高、耐磨性好,并有较高强度、韧性和导热系数的刀具材料。优先采用复合氧化铝陶瓷AG2、SG4、AT6和涂层硬质合金YB415、YB215、CN25等;一般采用YW类硬质合金如YW2A、YW3、813、798、767、726等牌号;用非涂层硬质合金加工时,宜选用含TiC、NbC的细晶粒牌号。用高速钢要采用TiN涂层刀具,或是采用高性能高速钢W2Mo9Cr4VCo8、W12Mo3Cr4VCo5