Mn13高锰钢的热处理工艺研究

Mn13高锰钢的热处理工艺研究2011-10-1005:59来源：钢联资讯作者：榕霖试用手机平台Mn13高锰钢的铸态组织中除奥氏体相外，还有析出的碳化物。为获得高韧性，必须予以热处理，以消除铸态组织中晶内和晶界上的碳化物。Mn13高锰钢的含碳量通常为1.3%左右，要消除其铸态组织的碳化物，需将钢加热到1000℃以上，并保温适当时间，使其碳化物完全溶解，随后迅速冷却，这种热处理通常称为水韧处理。水韧温度取决于铸钢成分，通常为1000～1100℃。过高的水韧温度会导致铸件表面严重脱碳，而且奥氏体晶粒中和晶界上将析出共晶碳化物。由于共晶碳化物是不能通过重新热处理来消除的脆性相，应尽量避免产生。Mn13高锰钢铸件在入炉之前，铸件表面的粘砂、披缝和浇注冒口要清理干净。粘砂对铸件加热或冷却都有隔热作用，使铸件加热和入水后的冷却不均匀，严重粘砂会降低铸件入水后的冷却速度，造成晶界碳化物重新析出。披缝较薄，在热处理加热时会产生脱碳，水淬后转变成马氏体，马氏体相变体积膨胀，可能会使铸件基体受到拉应力而开裂。Mn13高锰钢导热系数低，100℃以下为碳钢的1/4～1/6，600℃时为碳钢的1/2～5/7。高锰钢的热膨胀系数大，为碳钢的2倍，500℃以上时更大。虽然铸件在低温加热过程中无相变应力产生，但加热到300℃以上后会出现晶内和晶界上脆性碳化物增多的现象，有时会发生珠光体转变。Mn13高锰钢辙叉结构复杂，同一铸件壁厚相差悬殊，铸件本身存在不小的铸造应力。在热处理的加热或冷却过程中不同部位存在较大的温差，会产生热应力。这样，热应力和铸造应力叠加，使辙叉产生裂纹。因此，必须控制Mn13高锰钢辙叉的入炉温度和加热速度。Mn13高锰钢辙叉的热处理分冷辙叉处理和热辙叉处理。对于热辙叉，如果装入同一窑的所有辙叉的装窑温度基本和窑温一致，则这种工艺可以节约能源，提高效率。但在实际生产中装窑温度很难与窑温一致，且相差较大，主要原因有：不同炉次的辙叉开箱水爆后在同一窑中进行热处理，造成同一窑中辙叉的初始温度不同；由于连续生产，每天窑的初始温度也不尽相同；季节性的温度变化导致辙叉与窑的温度变化较大；辙叉在窑内的排序不同会造成一定的温差。这样导致辙叉与炉窑存在较大温差，导致辙叉在水韧处理后开裂。冷辙叉的装窑温度降到室温，热辙叉的装窑温度降到150℃。两种辙叉入窑后都均温1.0～1.5h后再升温。在650℃以下升温时，由于高锰钢晶界和晶内会析出碳化物，有时还会发生珠光体转变，因此升温速度要慢。改进后的工艺中，冷、热两种辙叉从150℃升温到650℃时，升温速度均为90℃/h，冷辙叉在150℃以下升温速度要降到70℃/h。此外，在650℃以下升温时，升温速度随高锰钢中C、P含量增加而放慢，这是因为C、P含量与热处理时加热裂纹密切相关。升温到650～700℃时，要保温1～2h，目的是使辙叉温度均匀，消除铸造应力。温度大于650℃，超过了高锰钢的弹性变形温度，高锰钢由弹性状态进入塑性状态，而且脆性碳化物逐渐溶解到奥氏体中，钢的强度和塑性得到改善，加上保温处理，铸造应力得到消除。因此随后可以快速升温。TB/T447-2004规定对不含其他合金元素高锰钢辙叉的水韧处理温度为1000～1100℃。渗碳体型的碳化物溶解过程是碳从碳化物中向奥氏体中扩散，原来渗碳体相的铁原子自扩散并形成面心立方的奥氏体。(Fe，Mn)3C型碳化物中的碳原子和其他原子作用力较弱，扩散过程容易进行，溶解速度较快，加热到1000℃，(Fe，Mn)3C即可全部分解。为了加速分解、溶解和扩散，促进成分均匀化，固溶温度选为1050～1100℃。温度超过1050℃时，奥氏体晶粒已开始长大。当温度达到1120℃时，奥氏体晶粒长大明显。温度大于1150℃时，晶粒粗大，出现过热组织。在1100℃奥氏体转变完全，晶粒细小，碳化物弥散其中，并有较好的力学性能。而水韧温度为1150℃时，晶粒有变大趋势。保温时间只要能使碳化物充分溶解、成分基本均匀即可，过长的保温时间对力学性能无益。冷却的目的是得到过冷奥氏体，即把高温奥氏体组织保留到常温。为保持碳化物完全溶解和获得稳定的奥氏体组织，必须从Mn13高锰钢奥氏体化温度快速冷却。Mn13高锰钢经高温保温后，要以尽量快的速度冷却，以使高温时得到的单相奥氏体组织保持到常温。Mn13高锰钢辙叉产生裂纹的几率与其在窑炉中的位置大有关系，且不同的位置均有可能产生裂纹，无论是中间位置，还是顶部和边缘位置。此外，相同层次不同结构的辙叉出现裂纹的几率也不一样。复杂型结构辙叉比单开辙叉出现裂纹的几率要大，这是因为复杂型结构复杂，铸造残留应力大，同时，不同部位温差也大。通过均衡入炉温度、降低加热速率及合理安排码放位置等，经(1050～1100)℃×2h固溶，可有效地减少裂纹的产生，提高了Mn13高锰钢力学性能及产品质量。（榕霖）