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[論文關(guān)鍵詞]加工硬化機(jī)理常見問題現(xiàn)狀發(fā)展應(yīng)用

[論文摘要]本文通過分析加工硬化機(jī)理、高錳鋼生產(chǎn)中的常見問題等方面系統(tǒng)論述了高錳鋼的現(xiàn)狀，從生產(chǎn)工藝方面論述了高錳鋼今后發(fā)展的情況，并進(jìn)一步對高錳鋼的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。

高錳鋼俗稱“耐磨鋼”，被廣泛的應(yīng)用于各個行業(yè)的許多耐磨件上。隨著對磨損機(jī)理研究的深入發(fā)展，人們對高錳鋼的特性也了解的更透徹。

一、高錳鋼加工硬化機(jī)理

高錳鋼原始硬度很低，而加工硬化能力很強(qiáng)，在使用中硬度提高，形變速度越快，硬化效果顯著，硬度也越高，目前強(qiáng)化機(jī)理有以下幾種：

1.位錯強(qiáng)化機(jī)制：高錳鋼是大量Mn原子置換鐵原子，顯著降低層錯能，因而易于形變，使位錯密度增高，形成堆垛層錯和形變亞結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。

2.形變孿晶機(jī)制：高錳鋼拉伸后，硬化區(qū)出現(xiàn)層狀孿晶，硬度達(dá)HV460。經(jīng)重錘錘擊后出現(xiàn)層狀孿晶及位錯纏結(jié)達(dá)HV500。爆炸硬化時出現(xiàn)復(fù)合孿晶，硬度提高，硬化層加厚。

3.形變馬氏體機(jī)制：從熱力學(xué)角度講，合金快速冷至Ms點以下可獲得馬氏體，而在Ms點以下存在Md點，在Ms——Md之間因應(yīng)力作用可產(chǎn)生形變馬氏體。一般Ms點低于200℃。Mn量為12％時，Ms點為-230℃以下，因此室溫下一般變形的高錳鋼不會產(chǎn)生形變誘發(fā)馬氏體。如果鋼中碳量降至0.8%時，在室溫下也沒能發(fā)現(xiàn)形變馬氏體，而在-196℃低溫下可出現(xiàn)δ.θ馬氏體，改變高錳鋼中的含錳量，將錳量降至4％，室溫形變后有ε.δ馬氏體產(chǎn)生，常規(guī)成分高錳鋼固溶后經(jīng)50％的變形量形變，硬度已達(dá)到較高數(shù)值，變值量增至35％時，發(fā)現(xiàn)有少量(約1.4％)δ馬氏體，其間硬度變化與δ馬氏體量的增加速度不一致，這樣較大變形量的試驗，也間接證明硬化主要原因不是由于產(chǎn)生了δ馬氏體。以前關(guān)于發(fā)現(xiàn)馬氏體的報導(dǎo)，可能是高錳鋼在空氣爐中高溫加熱，造成表面碳、錳降低，或是加熱不足，局部貧碳，促使形變馬氏體出現(xiàn)。根據(jù)這個機(jī)理，現(xiàn)在已有將高錳鋼進(jìn)行表面控制脫碳，使得在水韌處理后產(chǎn)生馬氏體，用以強(qiáng)化高錳鋼，提高耐磨性的報導(dǎo)。

4.析出相強(qiáng)化機(jī)制：在形變過程中，高錳鋼隨變形量增加，奧氏體中缺陷增加，過飽和的碳在位錯、空位、層錯、孿晶等處聚集形成柯氏氣團(tuán)，阻礙滑移，形變熱量繼續(xù)積累，使偏聚的碳、錳原子重新分布，在缺陷處擇優(yōu)形核、長大，形成彌散分布在基體內(nèi)及晶界上的ε碳化物。根據(jù)奧羅萬機(jī)制，滑動位錯與彌散碳化物顆粒間作用，使強(qiáng)迫位錯通過顆粒所需的臨界分切應(yīng)力增大，強(qiáng)化了奧氏體。

人們在碳含量高的高錳鋼中(碳為1.49％)，經(jīng)過50％的壓縮變形發(fā)現(xiàn)有碳化物析出。對常規(guī)成份高錳鋼雖未發(fā)現(xiàn)碳化物析出，卻也發(fā)現(xiàn)了晶格常數(shù)的減小，相當(dāng)于奧氏體中碳量降低0.1％。在全國齒板評比對性能較好的高錳鋼齒板分析時，發(fā)現(xiàn)奧氏體中出現(xiàn)了原始組織中未有的新相，可能就是形變誘發(fā)的ε碳化物。

二、高錳鋼生產(chǎn)中的一些問題

根據(jù)各地廠家的生產(chǎn)情況，把易忽略的問題扼要介紹一下:

1.冶煉：首先爐料要精選烘干，尤其對感應(yīng)電爐更加重要，錳鐵中磷較高，在選購錳鐵時，要選擇含磷低的錳鐵合金。冶煉時，錳鐵宜后加入爐內(nèi)，以減少燒損量，后加入的鐵合金要預(yù)先經(jīng)過烘烤，出鋼前還可用12×20×300mm澆注后直接水韌處理的試棒，視其冷彎的角度來檢驗鋼水質(zhì)量。

高錳鋼由于碳量高，導(dǎo)熱性低及結(jié)晶速度較快，容易產(chǎn)生粗大的結(jié)晶組織，當(dāng)傳熱有方向性時，往往形成柱狀晶，在枝晶之間存在顯微疏松和夾雜物，影響鋼的性能，尤其是標(biāo)準(zhǔn)高錳鋼鑄態(tài)晶粒的大小通過熱處理是很難改變的。根據(jù)建材部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高錳鋼鑄件晶粒度不粗于2級，有的工藝文件還規(guī)定壁厚不大于20mm的鑄件不允許有柱狀晶，大于20mm的鑄件，斷面兩邊柱狀晶厚度之和不超過該斷面厚度五分之二者為合格，否則為不合格。因此在生產(chǎn)中要求高溫冶煉，低溫澆注，主要嚴(yán)格控制出鋼溫度。另外，澆注溫度低還可以減少熱裂缺陷、縮孔、粘砂、含氣量和節(jié)約能源，是影響鑄件質(zhì)量的重要因素。

2.鑄造:為了獲得細(xì)鑄態(tài)晶粒，減少碳化物析出量，除了控制澆注溫度，對厚大件要放置外冷件（內(nèi)冷鐵一般不宜放），這樣同時也提高了高錳鋼鑄件的致密度，減少縮孔、疏松。高錳鋼體收縮大，但只要工藝控制得當(dāng)，可以不出現(xiàn)縮孔，而以軸線疏松形式存在，由于它韌性好，基本不影響使用，這也是高硬度耐磨材料無法與之相比的。因此高錳鋼鑄件厚度小于25mm時，一般不用冒口，在大于50mm時，必須設(shè)置冒口。高錳鋼難切割，澆注系統(tǒng)往往分散引入，冒口采用保溫、細(xì)頸、易割三種冒口。在工藝上采用補(bǔ)澆，放發(fā)熱劑的辦法增強(qiáng)補(bǔ)縮效果。高錳鋼鋼水中的MnO呈堿性，和型砂中的的二氧化硅易產(chǎn)生化學(xué)粘砂，因此最好用鎂砂高鋁粉和鉻鐵礦粉做涂料，提高鑄件表面質(zhì)量。

3.熱處理：加熱溫度在保證碳化物充分溶解的情況下，盡量選低些。入水溫度不得低于950℃。零件與水量之比應(yīng)達(dá)1∶8，水溫低于30℃。人們往往認(rèn)為高錳鋼淬透性很高，我們發(fā)現(xiàn)厚度大于80mm的高錳鋼件水韌后，心部冷速慢，析出了針狀碳化物，使性能下降。為了減少高溫下碳化物固溶的困難，降低能耗及縮短生產(chǎn)周期，對100mm以下厚度的簡單鑄件，可采用200℃入爐，以70～80℃/h速度升溫，不進(jìn)行650℃保溫的水韌工藝。

4.清理：對鑄態(tài)不能敲掉的澆、冒口，可以水韌后進(jìn)行澆水切割。

三、高錳鋼生產(chǎn)工藝的發(fā)展

1.精煉:為了提高鋼水質(zhì)量，爐外精煉工藝被愈來愈廣泛應(yīng)用，從20世紀(jì)80年代起，在高錳鋼生產(chǎn)上也得到使用，精煉后，夾雜物減少，分布改善，使強(qiáng)度提高，可由657MPa提高到834Mpa，耐磨性也能提高30％。

2.懸浮澆注:澆注溫度對高錳鋼性能的影響很大，生產(chǎn)廠家往往爐子容量大，澆注時間長，控溫較難，雖然采取各樣的措施，仍不能避免晶粒粗大的弊病。人們研究在澆注時，隨鋼水連續(xù)加入2％～3％（尺寸為0.15～0.3m）鐵粉或錳鐵粉與鐵粉的混合物，它起內(nèi)冷鐵作用和增加結(jié)晶核心，改善高錳鋼性能還使耐磨性提高30％～50％，但要注意加入后使鋼水流動性降低。3.表面合金化:為了既提高耐磨性又節(jié)約合金元素，采用表面加入合金的方法可以達(dá)到目的，具體措施是在鑄型表面刷含合金涂料，撒錳鐵粉或是貼上合金鑄鐵片，鋼水澆入后熔化與熔接這些材料，提高了鑄件表面性能，現(xiàn)在還有用含鉻焊條在高錳鋼上進(jìn)行堆焊，以提高耐磨性，哈焊所高鉻粉塊堆焊效果也很好。

4.爆炸硬化:用滾壓、噴丸等方式予強(qiáng)化高錳鋼效果不理想。利用爆炸極短時間內(nèi)產(chǎn)生3×107KPa高壓使高錳鋼表面形成40~50mm硬化層，硬化層硬度達(dá)到HB300~500，表層屈服強(qiáng)度可提高2倍，耐磨性提高50％，此種方法對標(biāo)準(zhǔn)高錳鋼最為有效。

5.鑄態(tài)水韌處理:高錳鋼凝固后，在960℃以上利用余熱進(jìn)行水韌處理，可減少表層脫碳，縮短生產(chǎn)周期和節(jié)約能源，對壁厚的中小鑄件，能采用此法，唐山水泥機(jī)械廠曾用金屬型鑄造高錳鋼襯板時利用了此法，但必須仔細(xì)控制入水溫度。

6.沉淀強(qiáng)化:標(biāo)準(zhǔn)高錳鋼水韌處理后，不宜再加熱，而加入合金元素后，就可以用沉淀強(qiáng)化熱處理的方法，使高錳鋼基體強(qiáng)化，并在基體上分布彌散的粒狀碳化物，使耐磨性提高。

四、工況條件與高錳鋼的應(yīng)用

在長期使用中發(fā)現(xiàn)，高錳鋼韌性很好，但在某些條件下，其耐磨性不盡人意，影響耐磨性因素有：鑄件原始硬度，加工硬化速度，析出第二相硬粒子的沉淀強(qiáng)化，鑄件工作面的硬化層深度，前面談到的各種措施就是提高高錳鋼耐磨性采用的一些方法。隨著科學(xué)研究的發(fā)展，人們開始跳出了高錳鋼的圈子，著眼于馬氏體鋼、貝氏體鋼、鎳硬鑄鐵、高鉻鑄鋼（鐵）、復(fù)合材料、鑄石、橡膠等各種材料?？刂茖嶋H工況條件，歸納幾點對選材的看法。

1.對弱沖擊磨料磨損工況：高錳鋼基本不能產(chǎn)生加工硬化，由于沖擊力很小，對材料韌性要求不高，可以選用原始硬度高的材料，如空氣運輸、水力輸送管道可用玄武巖鑄石制造。對水泥磨2中二、三倉（細(xì)磨倉），研磨介質(zhì)小，沖擊力小，可以選用低鉻鑄鐵、高鉻鑄鐵，甚至白口鐵等脆性耐磨材料，壽命較高錳鋼提高1～4倍。

2.對低沖擊磨料磨損工況:高錳鋼雖能產(chǎn)生加工硬化，但硬度很低，因沖擊力低不大，可選用高碳高錳鋼、中錳鋼、貝氏體鋼、低合金馬氏體鋼及貝氏球鐵等材料。例如，對大磨機(jī)的襯板（一倉），選中合金馬氏體鋼ZG42CrMnSi2Mo可使壽命提高2～3倍，而且不產(chǎn)生變形。尤其現(xiàn)在水泥粉磨中研磨介質(zhì)逐步推廣使用高鉻鑄球，其與高錳鋼襯板硬度匹配不好，使襯板變形加速，壽命降低，更加顯示出替代高錳鋼的必要性。破碎普氏硬度f≤12物料，400×600顎式破碎機(jī)齒板如用中合金馬氏體鋼制造，壽命提高約20％～50％，還可將破碎物料中的鐵屑吸出，提高物料純度，對增加白水泥白度和減小矽磚小氧化鐵溶洞有利。另外，12kg以下的小錘頭也可用一定韌性的馬氏體鋼來制造。

3.對中等沖擊磨料磨損工況：例如沖擊功為4J時，相當(dāng)于破碎f=12～14的礦石，齒板可以選用韌性較好的馬氏體鋼和改性高錳鋼，它們的耐磨性比高錳鋼提高20%～100％。我們還用高錳鋼-高鉻鑄鋼粘結(jié)復(fù)合齒板破碎花崗巖，壽命較高錳鋼提高2.5倍。

4.對強(qiáng)沖擊磨料磨損工況：沖擊功大于5J，礦石硬度f=16～19時，用馬氏體鋼做齒板或襯板，其安全性不夠或耐磨性不高，仍需采用高錳鋼系材料。例如φ200圓錐破碎機(jī)使用鉻、鈦改性高錳鋼，破碎f=17～19礦石，耐磨性較標(biāo)準(zhǔn)高錳鋼高50％左右，而在破碎f=12～14礦石時，耐磨性提高幅度達(dá)70%～100％，即在強(qiáng)沖擊磨損時，兩者耐磨性差距縮小?？赡茉趶?qiáng)沖擊條件下，它們的加工硬化速率相近，改性高錳鋼的原始硬度較高，硬化后表面硬度仍保持較高，達(dá)到HV700左右，而標(biāo)準(zhǔn)高錳鋼硬化后也達(dá)HV600多，但硬度差距較中等沖擊時縮小，所以造成耐磨性差別也減小。對一些受強(qiáng)沖擊的大尺寸錘頭可采用超高錳鋼來保證其正常工作。礦山破碎用的濕法磨襯板，當(dāng)?shù)V石硬度f≤14時，低合金馬氏體鋼的使用壽命較標(biāo)準(zhǔn)高錳鋼約高50％，對硬度f＞14礦石，我國仍用標(biāo)準(zhǔn)高錳鋼制造，因改性高錳鋼原料成本高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，要求嚴(yán)格，影響了它的生產(chǎn)、使用。而國外在礦山濕式磨機(jī)時，對襯板選材首先考慮馬氏體鋼，其次大量采用橡膠襯板。其壽命可較標(biāo)準(zhǔn)高錳鋼提高1～5倍，還降低了電耗、球耗、減少磨機(jī)噪單，減輕維修時的勞動強(qiáng)度等。我國橡膠制品行業(yè)正在開發(fā)這種產(chǎn)品。

總之，耐磨材料的選用主要根據(jù)實際工況條件，對照上面的原則，并通過試驗來選擇。

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