超高锰钢热处理工艺优化及力学性能的提高

由英国的Ｒ．Ａ．Ｈａｄｆｉｅｌｄ于１８８２年发明的高锰钢是历 史最悠久的耐磨材料。高锰钢作为耐磨材料，在抵抗 强冲击、大压力作用下的磨料磨损或凿削磨损方面， 其优异的耐磨性是其他材料所无法比拟的。在较大的 冲击载荷或接触应力作用下，其表层迅速产生加工硬 化，并有高密度位错和形变孪晶相继生成，从而产生 高耐磨的表面层，而此时内层奥氏体仍保持着良好的 韧性。高锰钢的这种加工硬化特性使其长期以来广泛 应用于冶金、矿山、建材、铁路、电力、煤炭等机械 装备中［１－ ５］。
关键词：热处理工艺；力学性能；超高锰钢 中图分类号：ＴＧ１４２．７２；ＴＧ１４２．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－ ４９７７（ ２００６） １０－ １０６７－ ０４
Ｏｐｔｉｍｉｚａ ｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｅ ａ ｔ Ｔｒｅ ａ ｔｍｅ ｎｔ Ｐ ｒｏｃｅ ｓ ｓ ａ ｎｄ Ｍｅ ｃｈａ ｎｉｃａ ｌ
随着现代工业的发展，在冶金、矿山等行业不断 出现大型设备，如采矿、破碎、挖掘设备等，其抗磨
配件重达几吨到几十吨，有效厚度均在１００ ｍｍ以上， 传统高锰钢（ ＺＧＭｎ１３） 的热处理工艺、力学性能和耐 磨性已不能满足这些大型厚壁耐磨件的要求［４］。经本课 题组长期以来对耐磨材料的研究并跟踪厂家使用情况， 超高锰钢代替传统的高锰钢能满足抗磨件大型化的需 要，在高应力、强冲击工况条件下具备优异抗磨性能、 高韧性、高水韧化能力，使用过程中使厂家获得了良 好的工程效果和经济效益。
了超高锰钢的化学成分。
表１ 超高锰钢的化学成分
Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒ － ｈｉｇｈ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｓｔｅｅｌ
ｗＢ（％ ）
Ｃ
Ｍｎ
Ｓｉ
Ｃｒ Ｍｏ
Ｓ
Ｐ
０．９～１．６ １７～１９ ０．３～１．０ １～２ ０．３～１．０ ≤０．０５ ≤０．０７
１．２ 熔炼与试样制备 试验材料在１５０ ｋｇ中频感应电炉中熔炼，采用不
２ 试验结果与分析
２．１ 超高锰钢热处理工艺方案及力学性能 高锰钢的水韧处理大致有两种类型，即常规水韧
处理和沉淀强化［３－ ４］。本试验中，超高锰钢加了合金元 素Ｃｒ和Ｍｏ，水淬温度较一般高锰钢提高３０～５０ ℃，所 以将水韧温度定为１ １００ ℃。分别进行常规水韧处理和 沉淀（ 弥散） 强化处理。沉淀强化热处理的原则是先 进行固溶处理，消除铸态网状碳化物，使铸态组织中
氧化法熔炼工艺。先加入废钢和生铁，全部熔清后， 加入锰铁，此后加入配备好的石灰、萤石、铝粉混合 料，造还原薄渣，待其反应平稳后进行插铝脱氧，并 进行变质处理。出钢温度为１ ５５０～１ ５８０ ℃，浇注温 度在１ ４５０～１ ４８０ ℃，铸成标准的楔形试块，所有力 学性能、金相和微观分析试样都从楔形块上切取，试 样毛坯在高温箱式电炉中进行热处理。 １．３ 力学性能测试及组织观察
摘要：优化了含Ｃｒ、Ｍｏ及ＲＥ－Ｓｉ－Ｆｅ变质处理超高锰钢的热处理工艺，研究了超高锰钢不同温度回火处理后的组织和力
学性能。结果表明，沉淀（ 弥散） 强化使奥氏体晶内析出了弥散颗粒状Ｍ２３Ｃ６型碳化物，强化了奥氏体基体。优化出超 高锰钢的最佳热处理工艺为，加热至１１００ ℃保温４ ｈ，水淬，再经２５０ ℃保温４ ｈ，空冷。该热处理工艺条件下奥氏体晶 粒细小，晶内颗粒状碳化物均匀、弥散分布，力学性能得到显著提高，即σｂ＝９９４．５１ ＭＰａ，σｓ＝４３０．９８ ＭＰａ，αｋ＝２６０ Ｊ／ｃｍ２，ＨＢ２２７，δ＝５５．０３％。与常规水韧处理相比σｂ提高了１８．２％，σｓ提高了７％，αｋ提高了２２％，δ提高了３０．３％，硬度提 高了９．７％。
１ １００ ℃×４ ｈ，水淬
４
８０１．８２ ４０２．６６ ห้องสมุดไป่ตู้３．２８ ２０１ ２２９
＋ ４５０ ℃×４ ｈ，空冷
２．２ 热处理工艺对超高锰钢组织和力学性能的影响 比较表２中工艺１和工艺２可知，经回火弥散强化的
超高锰钢的强度、冲击韧性、硬度以及伸长率均比常 规水韧处理（ 工艺１） 的高。与不回火相比，经２５０ ℃ 回火后σｂ提高了１８．２％，σｓ提高了７％，αｋ提高了２２％，δ 提高了３０．３％，硬度提高了９．７％。比较工艺１和工艺３可 以看出，１ １００ ℃水韧处理后经３５０ ℃保温４ ｈ回火处 理，与不回火相比超高锰钢的强度、冲击韧性和硬度 均得到提高；但与２５０ ℃回火相比，综合性能有所下 降。比较工艺１、工艺４可知，１ １００ ℃水韧４５０ ℃保温 ４ ｈ回火处理后超高锰钢抗拉强度、伸长率及冲击韧性 与不回火相比有所下降，屈服强度基本不变，硬度有 所 提 高 。 综 合 分 析 可 知 ， 超 高 锰 钢 在 ２５０℃ 回 火 条 件 下，综合性能最好；σｂ＝９９４．５１ ＭＰａ，σｓ＝４３０．９８ ＭＰａ， αｋ＝２６０Ｊ／ｃｍ２，ＨＢ２２７，δ＝５５．０３％。
的各种碳化物及共析组织全部溶解，形成单一奥氏体 固溶体；随后在奥氏体从高温冷却的过程中，碳脱溶 而析出含合金元素的碳化物，或者奥氏体冷却过程中 分解产生的共析组织中含合金元素的碳化物。目的是 通过热处理使奥氏体基体中析出弥散分布的第二相， 强化基体，提高材料抗磨料磨损的能力。试验的具体 热处理方案和对应的力学性能如表２所示。
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ＦＯＵＮＤＲＹ
Ｏｃｔ． ２００６ Ｖｏｌ．５５ Ｎｏ．１０
处理工艺，可以提高材料的强韧性、耐磨性和加工硬
化能力。考虑Ｃｒ含量超过２．５％会使韧性下降，将Ｃｒ含
量选择在１％～２％之间。钼的加入能提高大截面铸件的
抗裂纹能力和水淬质量，但钼铁较昂贵，因此控制在
１％以下。碳量高可提高硬度和耐磨性，但钢的强度、
序号
１ １ １００ ℃×４ ｈ，水淬 ８４１．０５ ４０２．８７ ４２．２４ ２１３ ２０７
１ １００ ℃×４ ｈ，水淬
２
９９４．５１ ４３０．９８ ５５．０３ ２６０ ２２７
＋ ２５０ ℃×４ ｈ，空冷
１ １００ ℃×４ ｈ，水淬
３
８８５．４０ ４１８．３４ ４７．４３ ２３０ ２２５
＋ ３５０ ℃×４ ｈ，空冷
１ 试验内容和方法
１．１ 超高锰钢的化学成分 向奥氏体锰钢中加入Ｃｒ、Ｍｏ等合金元素，改进热
基金项目：河南省杰出人才创新基金资助项目（ 项目编号：０６２１０００６００）。收稿日期：２００６－ ０３－ ２７收到初稿，２００６－ ０７－ ０３收到修订稿。 作者简介：闫华（ １９８２－），男，河南罗山人，硕士研究生，主要从事高强韧耐磨铸钢的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｈｕａ１９８２０９１５＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
在ＳＨＩＭＡＤ（ 岛津） ＺＵＡＧ－Ｉ２５０ＫＮ精密万能电子 拉伸试验机上进行拉伸试验，改传统圆形拉伸试样为 板条状， 利用线切割加工，避免车削加工困难及引起 加工硬化等问题，性能测试前用砂纸打磨。金属拉伸 试验试样尺寸按 ＧＢ２９７５切取。冲击试验在ＪＢ－３００Ａ摆 锤式冲击试验机上进行，采用标准夏比Ｕ型缺口的冲 击试样［７］。硬度测试采用ＨＢ－３０００布氏硬度试验机。用 配备了ＥＤＡＸ能谱仪的ＪＳＭ－５６１０ＬＶ型扫描电子显微镜 观察超高锰钢的显微组织及冲击断口形貌。透射样品 经Ｇａｔｏｎ ６９１ ＰＩＰＳ离子减薄仪减薄后在日立Ｈ－８００透射 电镜上观察强化相的形态。
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｔｈｅ ｈｅ ａ ｔ ｔｒｅ ａ ｔｍｅ ｎｔ ｐｒｏｃｅ ｓ ｓ ｏｆ ｓ ｕｐｅ ｒ－ｈｉｇｈ ｍａ ｎｇａ ｎｅ ｓ ｅ ｓ ｔｅ ｅ ｌ ｗｉｔｈ ＲＥ－Ｓ ｉ－Ｆｅ ｍｏｄｉｆｉｃａ ｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｔａ ｉｎｓ ａ ｌｌｏｙｉｎｇ ｅ ｌｅ ｍｅ ｎｔｓ Ｃｒ ａ ｎｄ Ｍｏ ｉｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｄ ａ ｎｄ ｔｈｅ ｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ａ ｎｄ ｍｅ ｃｈａ ｎｉｃａ ｌ ｐｒｏｐｅ ｒｔｉｅ ｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓ ｔｅ ｅ ｌ ｂｙ ｄｉｆｆｅ ｒｅ ｎｔ ｔｅ ｍｐｅ ｒｉｎｇ ｔｅ ｍｐｅ ｒａ ｔｕｒｅ ｔｒｅ ａ ｔｍｅ ｎｔ ｐｒｏｃｅ ｓ ｓ ａ ｒｅ ａ ｌｓ ｏ ｓ ｔｕｄｉｅ ｄ． Ｔｈｅ ｅ ｘｐｅ ｒｉｍｅ ｎｔ ｒｅ ｓ ｕｌｔｓ ｓ ｈｏｗ ｔｈａ ｔ ａ ｆｔｅ ｒ ｐｒｅ ｃｉｐｉｔａ ｔｉｏｎ （ｄｉｓ ｐｅ ｒｓ ｉｏｎ） ｓ ｔｒｅ ｎｇｔｈｅ ｎｉｎｇ ｔｒｅ ａ ｔｍｅ ｎｔ， ｔｈｅ ｓ ｅ ｃｏｎｄ－ｐｈａ ｓ ｅ ， ｃａ ｒｂｉｄｅ ｐａ ｒｔｉｃｌｅ ｓ Ｍ２３Ｃ６ ａ ｒｅ ｄｉｓ ｔｒｉｂｕｔｉｎｇ ｉｎ ａ ｕｓ ｔｅ ｎｉｔｉｃ ｇｒａ ｉｎｓ ， ｗｈｉｃｈ ｉｎｔｅ ｎｓ ｉｆｙ ｔｈｅ ａ ｕｓ ｔｅ ｎｉｔｉｃ ｍａ ｔｒｉｘ ｏｆ ｔｈｅ ｓ ｔｅ ｅ ｌ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａ ｌ ｈｅ ａ ｔ ｔｒｅ ａ ｔｍｅ ｎｔ ｉｓ ｔｒｅ ａ ｔｅ ｄ ｂｙ ｗａ ｔｅ ｒ ｔｏｕｇｈｅ ｎｉｎｇ ａ ｔ １１００ ℃ ａ ｎｄ ｔｅ ｍｐｅ ｒｉｎｇ ａ ｔ ２５０ ℃ ｆｏｒ ４ ｈｏｕｒｓ ． Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓ ｕｐｅ ｒ－ｈｉｇｈ ｍａ ｎｇａ ｎｅ ｓ ｅ ｓ ｔｅ ｅ ｌ ｉｓ ｆｉｎｅ ｃａ ｒｂｉｄｅ ｐａ ｒｔｉｃｌｅ ｓ ｒｅ ｌａ ｔｉｖｅ ｌｙ ｅ ｖｅ ｎ ｐｒｅ ｃｉｐｉｔａ ｔｉｎｇ ｉｎ ａ ｕｓ ｔｅ ｎｉｔｉｃ ｍａ ｔｒｉｘ， ａ ｎｄ ｉｔｓ ｍｅ ｃｈａ ｎｉｃａ ｌ ｐｒｏｐｅ ｒｔｉｅ ｓ ｉｓ ｅ ｎｈａ ｎｃｅ ｄ ｄｒａ ｍａ ｔｉｃａ ｌｌｙ： σｂ＝９９４．５１ＭＰ ａ ， σｓ＝４３０．９８ＭＰ ａ ， αｋ＝２６０Ｊ ／ｃｍ２， ＨＢ２２７， δ＝５５．０３％． Ｃｏｍｐａ ｒｅ ｄ ｗｉｔｈ ｔｈａ ｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅ ｎｔｉｏｎａ ｌ ｔｒｅ ａ ｔｍｅ ｎｔ， ｔｈｅ σｂ， σｓ， αｋ， δａ ｎｄ ｈａ ｒｄｎｅ ｓ ｓ ａ ｒｅ ｉｎｃｒｅ ａ ｓ ｅ ｄ ｂｙ １８．２％ ， ７％ ， ２２％， ３０．３％， ａ ｎｄ ９．７％ ｒｅ ｓ ｐｅ ｃｔｉｖｅ ｌｙ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： ｈｅ ａ ｔ ｔｒｅ ａ ｔｍｅ ｎｔ ｐｒｏｃｅ ｓ ｓ ； ｍｅ ｃｈａ ｎｉｃａ ｌ ｐｒｏｐｅ ｒｔｉｅ ｓ ； ｓ ｕｐｅ ｒ－ｈｉｇｈ ｍａ ｎｇａ ｎｅ ｓ ｅ ｓ ｔｅ ｅ ｌ
Ｐ ｒｏｐｅ ｒｔｉｅ ｓ Ｅｎｈａ ｎｃｅ ｍｅ ｎｔ ｏｆ Ｓ ｕｐｅ ｒ－ｈｉｇｈ Ｍａ ｎｇａ ｎｅ ｓ ｅ Ｓ ｔｅ ｅ ｌ
ＹＡＮ Ｈｕａ １， ＸＩＥ Ｊ ｉｎｇ－ｐｅ ｉ１， ＷＡＮＧ Ｗｅ ｎ－ｙａ ｎ１， ＬＩ Ｊ ｉ－ｗｅ ｎ１， ＷＡＮＧ Ａｉ－ｑｉｎ１， ＺＨＡＮＧ Ｄｏｎｇ－ｈａ ｉ２， ＷＡＮＧ Ｗｅ ｉ２ （１．Ｃｏｌｌｅ ｇｅ ｏｆ Ｍａ ｔｅ ｒｉａ ｌｓ Ｓ ｃｉｅ ｎｃｅ ａ ｎｄ Ｅｎｇｉｎｅ ｅ ｒｉｎｇ， Ｈｅ ｎａ ｎ Ｕｎｉｖｅ ｒｓ ｉｔｙ ｏｆ Ｓ ｃｉｅ ｎｃｅ ａ ｎｄ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｌｕｏｙａ ｎｇ ４７１００３， Ｈｅ ｎａ ｎ， Ｃｈｉｎａ ； ２．Ａｎｇａ ｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ａｎｓ ｈａ ｎ Ｍｉｎｉｎｇ－ｍａ ｃｈｉｎｅ ｒｙ ａ ｎｄ Ｍａ ｎｕｆａ ｃｔｕｒｉｎｇ Ｐ ｌａ ｎｔ， Ａｎｓ ｈａ ｎ １１４０４２， Ｌｉａ ｏｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ ）
塑性和韧性降低，碳含量定为０．９％～１．６％，且控制其
含量在中下限。锰含量为１８％ 时，可使钢达到最好的
耐磨性［５］， 因此，锰含量选择在１７％～１９％之间。硅含
量高，铸态碳化物多，热处理后晶粒易变得粗大，破
坏钢的韧性，所以硅含量选为０．３％～１．０％。为了细化
晶粒，加０．２％的ＲＥ－Ｓｉ－Ｆｅ合金进行变质处理。表１列出
!"
Ｏｃｔ． ２００６ Ｖｏｌ．５５ Ｎｏ．１０
铸造
ＦＯＵＮＤＲＹ
·１０６７·
!"
!!!!!" 应用技术
超高锰钢热处理工艺优化及力学性能的提高
!!!!!"
闫 华１，谢敬佩１，王文焱１，李继文１，王爱琴１，张东海２，王 伟２
（ １．河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳 ４７１００３； ２．鞍钢集团鞍山矿山机械制造厂，辽宁鞍山 １１４０４２）
表２ 不同热处理工艺条件超高锰钢的力学性能
Ｔａｂｌｅ ２ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒ ｏｐｅｒ ｔｉｅｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒ － ｈｉｇｈ ｍａｎｇａｎｅｓｅ
ｓｔｅｅｌ ｂｙ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒ ｅｎｔ ｗａｔｅｒ ｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇ ｔｒ ｅａｔｍｅｎｔ
工艺 热处理工艺参数 σｂ／ＭＰａ σｓ／ＭＰａ （δ％） α（ｋ／ Ｊ·ｃｍ－）２ ＨＢ