热处理工艺对新型高锰钢组织和性能的影响

第21卷第2期湖南文理学院学报（自然科学版）Vol. 21 No. 2 2009年6月 Journal of Hunan University of Arts and Science(Natural Science Edition) Jun. 2009 doi: 10.3969/j.issn.1672-6146.2009.02.022

热处理工艺对新型高锰钢组织和性能的影响

谢袁飞

(湘南学院物理与电子信息工程系, 湖南郴州, 423000)

摘要：研究了热处理工艺对Cr、Mo、Ti、Al、Ca、RE 新型高锰钢组织和力学性能的影响. 试验结果表明，热处理工艺对新型高锰钢组织和力学性能有显著影响. 低温等温预处理温度为580 ℃，保温3 h；高温水韧处理加热温度为1 040~1 050 ℃, 保温3 h. 可以改善高锰钢金相组织和力学性能，使σb=954 MPa , σs=507 Mpa，δ=46.8%，αK=338 J/cm2，HBS219. 新型高锰钢履带板装车寿命考核结果，使用寿命由原来的3 200 Km提高到7 000 Km以上，取得了明显的经济效益.

关键词：高锰钢；合金元素；热处理；力学性能

中图分类号：TF 70 文献标识码：A

文章编号：1672-6146(2009)02-0072-02

高锰钢是一种具有特殊性能的耐磨钢种(1.00%-1.40%C，11.50%-14.50%Mn). 在冲击条件下，不仅具有足够的韧性，而且兼有良好的加工硬化作用，因此在抗冲击磨料磨损的领域内得到广泛的应用[1]. 一些研究者及生产厂家对高锰钢进行了合金化处理，形成了改性高锰钢，如单独或复合加入Cr、Mo等，改善高锰钢的屈服强度、奥氏体加工硬化、晶粒度细化、弥散强化等[2-3]. 但这些元素的加入必须改变热处理的温度，严格其工艺，方可达到设计的需要. 本课题组经多年的研究，对坦克履带板采用新型高锰钢，并改进热处理工艺、对组织及性能测定、跟踪厂家使用情况，获得了良好的工作效果和经济效益.

1 试验设备及方法

采用工频电炉熔化钢液，化学成分(质量分数，%) 为1.12～1.20C, 12.48～12.80 Mn, 0.37～0.50Si, ≤0.045 S, 0.064~0.074 P，0.89~1.01Cr，0.47~0.53Mo，微量Ti、Al、Ca、RE. 出炉温度为 1 500~1 550 ℃；浇注温度为1 400~1 420 ℃.

试样尺寸分别为：冲击试样10 mm×10 mm×50 mm，抗拉强度试样Φ10 mm×50 mm,梅花试样. 低温等温预处理温度的优选，在560~720 ℃范围内，每隔20 ℃进行一次等温(保温3 h)处理的研究. 高温水韧处理加热温度的优选，在980～1 160 ℃范围内，每隔20 ℃进行一次等温(保温3 h)处理的研究. 低温等温预处理温度580 ℃，高温水韧处理加热温度1 040~1 050 ℃，水温为20~40 ℃. 利用试验机测σb、σs值；利用液压冲击机测定αK值；利用硬度仪测HBS值. 设计的力学性能为σb＞170 MPa，σs＞250 MPa，δ＞15%，αK＞60 J/cm2，HBS≤220.

2 热处理工艺的优化设计

2.1 低温等温处理温度的优选

在560~720 ℃范围内，每隔20 ℃进行一次等温(保温3 h)，空泠试验. 在一系列的金相组织图片中，选出图1和图2，图1和图2为新型ZGMn13 700 ℃和720 ℃的低温等温的金相组织. 图1基本体为奥氏体＋珠光体，晶粒度为3级，HBS240，碳化物数量明显减小，晶内出现细针状，在少数晶界上消失. 图2基本体为奥氏体，晶粒度为1~2级，HBS229，碳化物针状分布在晶内，晶界有少量雪花状. 由此确定了新型高锰钢的γ→α相变温度范围为700~720 ℃. 在此选用580 ℃为低温等温预处理的温度，是在γ→α相变温度以下，考虑测温仪表的误差不致于达到或超过此相变温度

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图1 700℃等温处理新型图2 720℃等温处理新型ZGMn13金相组织 100X ZGMn13金相组织 100X

2.2 高温水韧处理加热温度的优选

对高锰钢的水韧处理加热温度，在980～1 160 ℃范围内，每隔20 ℃进行一次等温(保温3 h)，空

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泠试验. 在一系列的金相组织图片中，选出了图3，图3为1 040 ℃水韧处理加热温度的新型ZGMn13金相组织. 图3基本体为奥氏体，晶粒度为3级，HBS201，碳化物消失. 水韧处理加热温度的高低，将影响奥氏体晶粒大小和残余碳化物含量的多少. 由此，确定了新型ZGMn13的高温水韧处理加热温度为1 040~1 050 ℃

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图3 1040℃水韧处理加热未水冷的 新型ZGMn13金相组织 100X

2.3 新型高锰钢热处理工艺

新型高锰钢热处理工艺是580 ℃×3 h →1 040~ 1 050 ℃×3 h →水冷，水温为20~40 ℃. 图4 为水韧处理后的新型ZGMn13金相组织. 图4基本体为奥氏体，局部有滑移线，晶粒度为3~4级，HBS219，碳化物消失

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图4 水韧处理后的新型ZGMn13金相组织 100X

3 试验结果及分析

新型高锰钢热处理工艺是在580 ℃×3 h →1 040 ~ 1 050℃×3 h →水冷，水温为20~40 ℃. 水韧处理后获取的试样的金相组织见图4，其力学性能为σb =954 MPa ，σs =507 Mpa ，δ=46.8%，αK =338 J/cm 2，HBS219.

本研究中,在高锰钢中加入合金元素Cr 、Mo 、Ti 、Al 、Ca 、RE ，改善高锰钢的力学性能，提高使用寿命.

Cr 元素在高锰钢中即可固溶于铁素体中，提高钢的渗透性，又可与钢中C 元素结合成碳化物，使

其提高钢的强度、硬度和塑性. Mo 元素在高锰钢中可固溶于铁素体或奥氏体中，形成碳化物，并弥散析出产生沉淀强化作用；当Cr 与Mo 配合作用时，可降低回火脆性[3-4]. Ti 与钢中的氮形成TiN 均匀地分布在奥氏体晶粒内部，TiN 的熔点很高，起结晶核心作用，细化晶粒，使钢强韧化. Al 、Ca 有脱氧的作用. 稀土元素的化学活泼性很强，稀土氧化物的生成自由能为最低，它在钢液中首先形成稀土氧化物，因此，稀土是一种很强的脱氧剂，有细化晶粒作用[4-5].

图4奥氏体晶粒细小均匀，并有弥散的碳化物分布；对应的水韧温度为1 040 ℃，提高水韧处理温度使Cr 、Mo 元素所形成的碳化物能充分析出，

奥氏体转变完全[6].

新型高锰钢履带板装车寿命考核结果，证明具有优异的抗断裂性能，抗磨性能及抗蚀性能. 在使用中无断裂现象，经过7 000 km 车辆行程的考验仍在继续使用，有显著的经济效益.

4 结语

1) 在高锰钢中加入合金元素Cr 、Mo 、Ti 、Al 、Ca 、RE ，改善高锰钢的力学性能，提高使用寿命.

2) 确定580 ℃为低温等温预处理的温度. 3) 确定1 040~1 050 ℃为高温水韧处理加热温度.

4) 根据上述低温等温预处理和高温水韧处理加热温度的研究结果，确定了生产实际中的热处理工艺是580 ℃×3 h →1 040~1 050 ℃×3 h →水冷，水温为20~40 ℃.

5) 提高了新型高锰钢的力学性能，提高了履带板的使用寿命.

参考文献：

[1] 马广清, 于文馨, 符莉, 等. 水韧处理工艺对合金高锰钢组织和性能的影响[J]. 铸造, 2004(4): 303-309.

[2] 哈德菲尔 R A. 高锰钢[M]. 北京: 国防工业出版社, 1961.

[3] 李绪业. 履带板用高锰钢强韧化研究[J]. 湖南大学学报,

1992, 19(2): 32-36.

[4] 孔海旺. 高锰钢中奥氏体的加工硬化机理[J]. 铸造设备研究, 2003(2): 39-40.

[5] 李树江. 稀土合金在铸铁中的应用[J]. 稀土, 2000, 21(1): 58-62. (下转第82页)