高锰钢化学成分 中锰钢成分设计 中锰钢性能分析

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高锰钢 中锰钢：合理设计了中锰奥氏体基耐磨钢的成分，并选择合适的水韧处理工艺来获得一种介稳的单相奥氏体组织，在此组织基础上进行不同的等温热处理工艺，获得一定量的马氏体，以提高基体的初始硬度，又不恶化其冲击韧度。再通过与高锰钢(Mn13)在同等工况条件下进行耐磨性模拟对比试验，来选择适合中锰钢在中、低冲击磨料磨损条件下使用的热处理工艺和组织。同时对试样进行了金相组织观察及力学性能测试。 关键词：中锰钢；热处理；耐磨性 耐磨奥氏体锰钢早于1882年由英国冶金学家Hadfield发明，其基本成分为：11%～14%Mn，1.0%～1.4%C。这种高锰钢在水淬后具有高韧性、高冷作硬化能力，在高冲击载荷下使用，耐磨性好。但它同时也存在一些缺点，主要是屈服强度较低和在较小载荷下使用加工硬化能力不足等。为解决这些不足，主要采取两种办法：一是加入某些合金元素，在奥氏体基体上形成细小弥散分布的第二相粒子，来提高钢的屈服强度；二是降低奥氏体的稳定性，在磨粒作用下诱发马氏体相变，提高加工硬化效应，提高耐磨性。 介稳奥氏体中锰钢正是通过降低含C、Mn量来降低奥氏体的稳定性，并通过添加少量的合金元素铬来提高钢的屈服强度。这种介稳的奥氏体无论是温度变化或塑性变形都有可能诱发马氏体相变。 

中锰钢的设计成分如表1所示。 
表1　中锰钢设计化学成分(质量分数)w(%) 

钢编号	C	Si	Mn	Cr	Mo	S、P
1	0.51～ 0.60	0.3～ 0.6	8.6～ 9.5	1.0～ 1.5	／	＜0.06
2	0.61～ 0.70	0.3～ 0.6	7.6～ 8.5	1.0～ 1.5	／	＜0.06
3	0.61～ 0.70	0.3～ 0.6	7.6～ 8.5	1.0～ 1.5	0.15～ 0.30	＜0.06

根据经验公式[2]： 
Ms(℃)＝550-361[C]-39[Mn]-35[V]-20[Cr]-17[Ni]-10[Cu]-5[Mo＋W]＋15[Co]＋30[Al] 

经对设计钢的Ms、Md估算，1号钢Ms点约为-24℃；2号钢Ms点约为-21℃；3号钢Ms点约为-22℃。Md点均在室温附近，符合设计要求。 

1.3　冶炼及锻造 冶炼是在碱性炉衬中频感应炉中进行的。熔炼后钢水浇入预先制好的干砂型中，再经锻造、机加工制成金相试样、冲击试块、拉伸试样及耐磨损试样。 

1.4　水韧处理 高锰钢Mn13的固溶处理温度为1050～1100℃。中锰钢在降低含碳、锰量的同时也添加了一定量的合金元素，但由于加入量较少，因此其固溶处理温度基本同于高锰钢，但加钼钢种由于铸态组织中存在大量碳化物，需增加在1150℃保温15～20min。 升温速度在T＜500℃时为100℃／h，为防止奥氏体中析出较多的碳化物和大量分解为共析组织，在500～700℃之间快速升温(200℃／h)，在700℃之后升温速度为100℃／h，到温保温1.5～2h。为了防止再次析出碳化物，出炉时试样入水温度不得低于950℃。 

1.5　等温热处理 试样经水韧处理后，为单相奥氏体组织，其硬度较低(180～220HV)，为此需将试样进行等温热处理，以析出一定量的强化相，来提高试样的初始硬度和耐磨性。本试验采用了两种不同的热处理工艺：①分级等温亚温处理工艺包括两个阶段：阶段的中温等温工艺，即将试样加热至550℃，保温2～3h，出炉水冷；第二阶段的亚温等温工艺，将试样继续升温至680～700℃保温2～2.5h后出炉水冷。中锰奥氏体在550℃经保温处理，此时奥氏体将发生珠光体转变，若奥氏体未转变完全，水冷过程将发生部分马氏体转变，因此，中温处理后得到的组织为：珠光体、马氏体和残留奥氏体。然后再升温至680～700℃区间，这时原有的珠光体发生粒化，另一部分珠光体重新转变成奥氏体，其相对量和含碳量取决于加热温度；冷却时，这种奥氏体将转变为屈氏体和马氏体，此外还会残留部分奥氏体组织。这样，便可得到由珠光体、屈氏体、马氏体及残留奥氏体所组成的多相组织；②二次回火处理工艺　将水韧处理后的钢入炉经500℃等温2h，出炉水冷；再重新入炉，经380℃保温2h，出炉水冷。 水韧处理后的中锰钢得到单一的奥氏体组织，经一次回火后，在奥氏体晶界附近，可析出许多碳化物及马氏体组织，此时奥氏体转变还未完成，一部分奥氏体将残留下来。再将其升温至380℃，等温2h，碳化物形态发生改变，所得的组织将是奥氏体基体上均布的粒状碳化物及马氏体。

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