改性高锰钢ZGMn13Cr2组织及性能研究

改性高锰钢ZGMn13Cr2组织及性能研究
摘要：在传统高锰钢成分基础上添加铬钼等合金元素得到改性高锰钢zgmn13cr2，水韧处理后测定试验材料的力学性能和耐磨性能，分析磨损时间和冲击功对其加工硬化效果和耐磨性的影响。

结果表明，与zgmn13材料相比，改性高锰钢组织晶粒细小，硬度、韧性和耐磨性能明显提高。

静载荷固定磨料磨损条件下，随着磨损时间增加，合金化高锰钢的耐磨性是传统mn13的1.25倍以上；在2.0j的冲击功下，合金化高锰钢表现出较高的加工硬化效果，其抗冲击磨料磨损性能是传统高锰钢的1.4。

关键词：改性高锰钢组织力学性能冲击磨性
中图分类号：tg142.72 文献标识码：a 文章编号：1007-3973（2013）007-009-03
1 前言
高锰钢具有较高的耐磨性能和冲击韧性，因而被广泛应用于球磨机衬板等易损件。

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。

高锰钢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。

然而，随着现代工业的发展，普通高锰钢已经不能适应某些特殊工况条件的要求，需要进一步提高机械性能和耐磨性能，延长耐磨件的使用寿命。

试验表明，用合金化高锰钢制作的破碎机板锤、锤头、衬板
和颚板等耐磨产品的使用寿命和抗磨损能力较普通高锰钢产品有很大的提高。

本文通过加入合金元素对奥氏体高锰钢进行合金化，研究了合金化高锰钢的显微组织、力学性能和耐磨性。

2 实验方法
2.1 试样的制备
熔炼采用500kg中频感应电炉，原料是废钢、生铁、高碳锰铁、铬铁、硅铁、钼铁、钛铁，用碳粉和硅钙粉作为还原剂，用铝终脱氧。

按照合金成分严格配料，以保证钢液质量，造型工艺为砂型铸造，浇注成标准铸钢楔形试块，高锰钢浇注温度不低于1500℃，改性高锰钢浇注温度1480-1500℃。

表1是传统高锰钢zgmn13和改性高锰钢zgmn13cr2的化学成分。

采用线切割在试块下部截取金相试样、标准拉伸试样、冲击试样及耐磨损试样。

表1 试验材料化学成分/%
2.2 热处理工艺及性能检测
试样的热处理工艺参数为：采用80～100℃/h的速率将试样加热至600℃保温6h，再加热升温到1080～1100℃保温4h，水淬。

拉伸性能测试采用instron 5587 300kn电子材料试验机，冲击韧度测试采用jb-300b型试验机，用电动洛氏hrd-150硬度计测试材料的硬度，硬度值取7点的平均值，用jsm-5610lv型扫描电子显微镜（sem）观察试样的显微组织和冲击断口形貌。

静载磨损试验采用ml-100型销盘式磨料磨损试验机，试验磨程20.7 m、磨料180目砂纸、载荷6 n。

动载荷冲击磨料磨损试验在
mld-10型冲击磨损试验机上进行。

冲锤质量10kg，选取的冲击功为0.5j，1.0j，2.0j和3.0j，对应冲锤落体高度为5mm、10mm、20mm和30mm。

上试样为试验材料，装机前预磨处理。

下试样为gcr15，经840℃油淬处理，硬度为hrc62～64。

试验时，下试样以200r/min 的速度旋转，上试样以200次/min的频率冲击下试样，磨料以
350ml/min的流量流入两试样之间。

磨料为鹅卵石，粒度为1～3mm，硬度为hv1237.0。

磨损时间为60min，磨损后用酒精清洗，采用精度为10-4g的tg-328型光电分析天平称重，将同样条件下3个试样磨损失重的平均值作为该材料的磨损量，每磨损10min取下试样经酒精清洗后测量磨损表面硬度。

3 实验结果及分析
3.1 力学性能分析
对传统的zgmn13衬板和改性高锰钢zgmn13cr2的力学性能进行分析，具体结果见表2。

可以看出，两种材料的初始屈服强度较低，既使是加工硬化后的zgmn13屈服强度也仅为420mpa左右，较使用前仅提高9.6%。

与zgmn13材料相比，改性高锰钢化学成分中锰碳比达到了8～9的最佳配比，使得热处理后高锰钢的硬度和冲击韧度达到良好的匹配。

具有较高的抗拉强度、冲击韧度和硬度，冲击韧度和硬度和加工硬化后的zgmn13接近。

改性高锰钢中添加的cr、mo、ti均能提高钢的淬透性，得到马氏体，而且形成的碳化物与基体形成共格后不易聚集长大，有强的二次硬化效应，因而具有较高的硬度。

表2 试验材料的力学性能
3.2 微观组织分析
图1是sem下zgmn13和zgmn13cr2的微观组织。

从图可以看出，zgmn13晶粒较为粗大，而改性高锰钢zgmn13cr2晶粒较为细小，与表2中其力学性能的提高相对应。

两种材质晶界上均无大块或连续的网状碳化物析出，表明已经过了良好的水韧处理；在晶内未发现任何弥散的碳化物析出。

改性高锰钢中的mo、ti是较强碳化物形成元素，降低了钢中碳活度，且其碳化物稳定不易长大，所以能细化晶粒。

图1 试验材料的微观组织
3.3 冲击断口形貌分析
图2是zgmn13和zgmn13cr2的冲击断口形貌。

从图中可以看出，在高锰钢断口中可以看到解理台阶和少量的韧窝，属于准解理断裂，冲击功67.3j；改性高锰钢断口形貌中有一些较大韧窝，并且在大韧窝的周围又分布着许多细密的小韧窝，其冲击韧性有了较大改善，冲击功大于145j。

冲击断口形貌分析与力学性能测试和显微组织形貌分析较吻合，改性高锰钢韧性提高的主要原因是合金元素对组织的细化作用。

图2 冲击断口sem形貌
3.4 磨损性能分析
本试验将传统高锰钢试样作为标准试样，其相对耐磨性看作
1.00，合金化高锰钢的相对耐磨性是其耐磨性与传统高锰钢耐磨性
的比值。

表3是静载磨损试验条件下的磨损试验结果。

结果表明，改性高锰钢的耐磨性提高了25%。

改性高锰钢耐磨性的提高是强碳化物形成元素cr、mo、ti增强材料强度的结果，而且基体良好的塑韧性也对增强析出相起到了较好的镶嵌保护作用，阻碍了磨损过程中裂纹的形成和扩展，这些因素综合作用的结果都有利于材料耐磨性能的提高。

冲击磨料磨损的试验结果见表4，由试验数据可以看出合金化高锰钢zgmn13cr2在冲击功较低的条件下其耐磨性相对传统高锰钢提高较低，在高冲击功条件下其耐磨性提高较多，冲击功为2.0j时，其耐磨性是传统mn13的1.40倍。

表3 试验材料的相对耐磨性
表4 冲击磨料磨损试验结果
根据表4中数据可绘制出试验材料的耐磨性与冲击功的关系，如图3所示。

由图可知，冲击功为0.5j时，试验材料的耐磨性差别不大。

而传统mn13由于初始硬度低，耐磨性最差。

随着冲击磨损的进行，奥氏体锰钢加工硬化效果不显著，抗冲击磨料磨损性能较低。

当冲击功为1.0j时，合金化高锰钢zgmn13cr2的耐磨性与0.5j 时基本没有变化，合金化高锰钢在低冲击工况条件下加工硬化效果弱，随着冲击功的增加，其加工硬化效果显著提高，抗冲击磨料磨损能力明显增加。

当冲击功增大到2.0j时，zgmn13cr2的耐磨性达到一个峰值，其耐磨性是传统mn13的1.40倍。

继续增加冲击功，其耐磨性有下降趋势。

图3 冲击功与耐磨性的关系
磨损60min后试验材料磨面硬度和冲击功的关系如图4所示。

由图4看出：随着冲击功的增加，传统mn13的硬度在1.0j以后增加缓慢，基本稳定在hb340。

而合金化高锰钢zgmn13cr2硬度增加幅度较大，在冲击功为2.0j时，其硬度达到最大值hb440，合金化高锰钢加工硬化效果显著。

图4 磨损60min后试样磨面硬度与磨损冲击功的关系
4 结论
（1）与传统高锰钢mn13相比，改性高锰钢zgmn13cr2的晶粒较为细小，材料的硬度和韧性得到提高。

（2）静载荷固定磨料磨损条件下，随着磨损时间增加，合金化高锰钢的耐磨性是传统mn13的1.25倍以上；在高冲击功（≥2.0j）时，合金化高锰钢表现出较高的加工硬化效果，其抗冲击磨料磨损性能是传统高锰钢的1.4。

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