耐磨铸钢

耐磨铸钢简述•抵抗磨料磨损的钢。这类钢还没有成为一个完全独立的钢种，其中公认的耐磨钢是高锰钢。•高锰钢：高锰钢是抗冲击磨损的典型耐磨钢，1882年英国人R.A.哈德菲尔德首先制成，故又称哈德菲尔德钢。它含有约1.2％的碳和13％的锰，经1000～1050℃的水中淬火处理后能获得全部的奥氏体组织，因此也称奥氏体高锰钢。它具有很好的韧性和很强的加工硬化倾向，在冲击条件下显示出优越的耐磨性。高锰钢主要用于制作颚式破碎机齿板、挖掘机斗齿和铁路道岔等。耐磨铸钢的分类•在机械工程中根据使用条件和工艺要求的不同，常选用其他适当的钢种来作为耐磨钢使用。主要的有4类。•①低合金高强度钢：这类钢的含碳量较低，可焊性好，可通过正火或淬火—回火，达到适当的硬度和一定的抵抗磨料磨损的能力。主要用于制造矿用载重车的翻斗，输矿槽和洗煤设备等。•②中碳钢和中碳合金钢：这类钢经热处理后具有高的强度和较好的耐磨性，可用于制造犁铧、松土器、推土机上的易磨损零件等。•③高碳钢和合金工具钢：这类钢经热处理后可获得高的耐磨性，可用于制造受冲击载荷不大的零件，如耙片、收割机刀片、磨煤机磨辊或球磨机的磨球等。•④中铬钢和高铬钢：这类钢中含有铬、耐腐蚀，因此适于制造在水中或在一定腐蚀条件下的耐磨料磨损的易损零件，如泥浆泵和水轮机中的易磨损零件等。高锰钢高锰钢•化学成分•强化机制•组织•力学性能•新进展•工艺特点•用途•缺陷•钢种高锰钢的成分•高锰钢刚研制成功时，成分在一个很宽的范围内变化，随着研究工作深入，钢的化学成分逐渐定型，作为耐磨材料的高锰钢其化学成分（质量分数）大致为：•C0.9%~1.5%，Mn10%~15%，Si0.3%~0.8%，S≤0.05%，P≤0.10%。碳•高锰钢属于C含量高的钢种。•C在高锰钢中的作用主要有二：•一是因为碳是强烈扩大奥氏体元素，高C含量是为了固溶处理后获得单一的奥氏体组织；•二是C属于间隙固溶元素，C固溶引起晶格畸变，固溶强化效果十分明显，以保证高锰钢的力学性能。•此外，在高锰钢中C对耐磨性也有重要影响，一般而言，随着C含量的增加抗磨性增加。•下表表示出了C对高锰钢铸态及固溶处理后的力学性能影响。•在铸态下钢的强度和硬度随C量增加而增加，韧性和塑性随C量增加而降低，尤其是当C含量增加至ω(C)1.3%L上时,韧性塑性赵趋近于零。这是由于ω(c)增加到1.3%以上后，铸态组织出现连续网状碳化物，造成晶界被脆性相包围，使得钢失去韧性和塑性。这就提醒高锰钢生产人员注意，C含量较高钢种铸件在落沙清理和吊运操作中严禁锤击和高空落地，防止铸件破裂。C含量的选择•高锰钢韧性高，但其强度尤其是屈服强度低，在外力作用下产生变形，变形积累到一定程度后就会断裂。所以它和高强度马氏体钢相比，共相同韧性下高锰钢更易断裂，要保证高锰钢不断裂，必须要有足够的韧性。故在常温强烈冲击载荷下服役的工件，ω(C)要控制在ω（C)1.2%以下，有的甚至要控制在ω(C)1.0%以下。在低温下服役工件要控制C含章，一般ω（C)控制在ω（C)1.1%左右或以下。•在强烈冲击载荷下服役的高锰钢工件希望适当降低C含量，一般选择ω(C)1.25%以下，个别工况要求降至ω（C）0.9%~1.05%左右。这样经固溶处理可以得到单相奥氏体组织，具有良好的塑韧性，在外力形变过程中易加工硬化。•高锰钢铸件结构也应和C含量挂勾，厚壁件冷速慢，为防止碳化物大量析出，C含量应较低。薄件冷速快，碳化物不易充分析出，C含量可选择高一些。结构复杂件铸造容易产生裂纹，也宜C量偏低。就磨损工况条外而言，强烈冲击(或挤压)硬物料应选C量偏低的高锰钢。低应力，软物料，属磨料磨损情况，可选用C量偏高的高锰钢。锰•Mn是高锰钢中的主要合金元素。•高锰钢中ω（Mn）通常为10%~14%。•在钢中加人Mn能扩大γ相区，稳定奥氏体休组织，Mn和C都能使奥氏体稳定性提高。在钢中C含量一定时，随着Mn含量增加钢的组织由珠光体型变为马氏体型并进一步转变为奥氏体型。Mn在钢中大部分固溶体溶于奥氏体中，形成置换固溶体，少量存在于(Fe，Mn)C型的碳化物中。Mn固溶于奥氏体中能引起固溶强化，但是Mn的原于半径为1.29×10-8cm，二者相差不大，下能引起晶格强烈畸变，所以固溶强化效果较小。Mn对高锰钢冲击韧度的影响随着Mn含量的增加冲击韧度迅速提高，低温冲击韧度增加更为明显。•Mn是过热敏感元素，在铸件凝固冷却过程中促使奥氏体树枝晶迅速生长，在铸件热处理高温保温过程中，促进奥氏体晶粒长大。高锰钢钢液导热性能差，浇人铸型能出规严重的温度梯度，因此在金属型及砂型薄壁铸件中引起粗大的柱状晶组织，严重的引起穿晶结构。柱晶尤其是穿晶结构，如果外力作用和柱晶生长方向一致，严重的会引起断裂和破碎。在高锰钢铸件生产中用金属型一定要覆砂，内冷铁禁用，外冷铁也慎用，如使用也得覆一定厚度（1~10mm)砂，严防穿晶组织产生。•将高锰钢中Mn含量降低，能降低奥氏体的稳定性，促进提高钢的加工硬化能力。Mn含量的选择•钢种Mn含量选择和C含量一样，主要决定于工况条件，铸件结构复杂程度、壁厚等诸方面因素。高应力下服役，壁厚较大，形状较复杂的铸件，为获得高韧性防止使用进程中断裂，Mn含量要选择高一些，一般ω(Mn)12%。非强烈冲击载荷下服役的简单件，薄壁件可适当降低Mn含量。是否要考虑Mn/C比值，看法不一致，Mn/C不一定要大于10倍，这个看法较一致，为保证高锰钢使用安全可靠Mn/C=8.5~10倍之同选择是可以的。低应力，薄壁简单件Mn/C可以选择下限，以利于加工硬化耐磨性的提高。高应力下服役，厚壁件复杂件Mn/C比可择上限，防止使用过程中断裂。•C、Mn含量不同时可在钢中形成不同的组织。Ι区为单一奥氏体组织，C含量低时进入Ⅱ区，出现马氏体，这种高碳马氏体是硬脆相，使钢种变脆；反之，C含量高时进入Ⅲ区,固溶处埋后铸态碳化物不能全部消际，使钢种变脆。硅•硅在高锰钢中ω（Si）为O.3%~0.8%，其在钢中的主要作用是脱氧。•残存在高锰钢中的Si固溶于奥氏体中，由于其晶格类型(立方晶型)原子半径(1.175×10-8cm)比γ相小得多，所以能使奥氏体晶格产生明显畸变，起到明显的固溶强化作用。Si对高锰钢的强化作用和对其他钢种一样，能明显提高高锰钢的屈服强度。•随着钢中Si含量的提高，屈服强度随之增加，而抗拉强度变化不大，只有ω（Si）超过1%时，抗拉强度才有明显增加。高锰钢的强化机制•关于高锰钢的加工硬化机制，多年来为人们所研究，也存在着争论：•一种观点认为：当高锰钢工件表面产生小的塑性变形时，组织中有大量的层错产生，随着形变增加，在层错基础上产生孪晶，大量的孪晶形变使全位错和不全位错在共格孪晶界面上受阻；另一方面，形变过程中产生大量C—Mn原子对位错核心中的C—Mn原子对中的C的重新取向锁住了位错，使位错密度增加。•另一种观点认为高锰钢加工硬化达到某一程度能诱发马氏体相变，其惯序为：γ→位错→层错→ε马氏体→M马氏体即奥氏体在外加载荷下引起位错密度增加，随着变形量加大产生堆垛层错、ε六方马氏体，最后形成硬度最高的M立方马氏体。即表面形成马氏体硬而耐磨的外壳，内部仍然为高韧性的奥氏体。目前，对高锰钢加工硬化机制的认同，前者居多数，但是后者也有实验依据。高锰钢的组织•高锰钢的铸态组织由奥氏体基体，晶界连续网状碳化物和晶内针片状碳化物，及少量的珠光体和磷共晶组成。性能很脆，一般不在铸态下使用。•高锰钢使用状态力水韧固溶处理态，组织为单一奥氏体。经热处理后韧性大幅度提高，满足服役条件。高锰钢的力学性能•锻造高锰钢强度、塑性都比铸造高锰钢高。在拉伸过程中由于高锰钢加工硬化，和其他钢种有区别:它无明显缩颈，面是均匀伸长，试棒表面有明显45°滑移面，呈鱼鳞状。并随着强度增加塑性同步增加，不像一般结构强度增加塑性降低，在拉伸过程中无明显屈服现象，屈服点难求拉伸曲线呈现平直。试样断裂在其薄弱部位，如缺陷处(铸造缺陷和加工缺陷)。高锰钢试棒在车削过程中会出现表面加工硬化层，影叫检测准确性。所以高锰钢试棒都要留有磨削余量，通过磨削去除加工硬化层。•在拉伸过程中如加载过快，形变速度过大，加工硬化不能充分进行。降低形变速率，加工硬化较充分进行，能明显提高屈服强度。•在高锰钢的高温瞬时强度。随着温度的提高，强度明显降低，而塑性变化不大。高温下高锰钢不能加工硬化(冷作硬化)。•高锰钢服役条件经常为经受反复载荷工作，如颚式破碎机齿板是典型零件。疲劳强度对此类工况工作零件显得重要。•高锰钢疲劳强度大约为176.~196.1MPa,即相当于钢抗拉强度25%~30%。有缺口和无缺口试样疲劳试脸曲线如图3-5。由予试棒未按国家标准铸造，而是采用熔模铸造试棒，由于组织不致密，存在下少铸造缺陷如疏松等，所以数值偏低。如铸造试样，组织致密，成分均匀，疲劳值明显提高，可达441.3Mpa以上，即可达到抗拉强度的40%~50%。高锰钢的工艺特点•高锰钢由于加工硬化现象，应尽量避免对铸件进行加工。铸件上的孔、槽尽可能铸出。但对高锰钢的加工也并非完全不可能。刀具修整一次进刀加工完的可以进行，不可避免的加工应在铸件工艺设计时放大加工量，以使加工的进刀量避开加工硬化层。•高锰钢重新加热时，在250—800℃间存在碳化物析出的脆性温度区间,且铸态高锰钢又存在网状碳化物以及铸造应力，因此，焊接性能很差。•高锰钢铸件，应在水韧处理后割冒口或缺陷焊补，焊后应快速冷却。为消除或尽可能减小热影响区，应用小电流，不连续施焊，或边焊边浇水冷却。焊条采用高锰钢焊条或奥氏体不锈钢焊条。若存在加工硬化层，应在焊前去除。•高锰钢的线膨胀系数为纯铁的1．5倍，为碳素钢的2倍，故铸造时体积收缩和线收缩率均较大，容易出现应力和裂纹。高锰钢的用途•破碎机又名粉碎机，是一种破碎机械，多用于冶金矿产的破碎粉磨。可与洗选设备、采掘设备组成矿山机械成套生产线，进行矿石的一体化加工生产。破碎机有：颚式破碎机、鄂式破碎机、锤式破碎机、圆锥破碎机、双辊破碎机、对辊破碎机、反击式破碎机、塑料破碎机之分。高锰钢作为典型的抗磨钢，是破碎机中粉碎配件的极好材料。•耐磨高锰钢特别适用于冲击磨料磨损和高应力碾碎磨料磨损工况，常用于制造球磨机衬板，锤式破碎机锤头，颚式破碎机颚板，圆锥破碎机轧臼壁、破碎壁，挖掘机斗齿、斗壁，铁道道岔，拖拉机和坦克的履带板等抗冲击、抗磨损的铸件。高锰钢还用于：防弹钢板，保险箱钢板等。高锰钢的缺陷•高锰钢优异的耐磨性是建筑在加工硬化基础上的，需在高应力条件下服役才能充分加工硬化，而从磨损件服役条件而言，高应力工况不足5%，绝大部分都是在中低应力状态下工作，因而高锰钢不易被加工硬化，高的抗磨性未被发挥。•一些大断面工件，由于水冷固溶处理冷速不够，心部出现碳化物使韧性储备不足。•一些高锰钢在高寒地区服役，当应力较大时会出现脆断等种种现象。高锰钢的钢种•高锰钢使历史最悠久的一种耐磨材料，它是由英国的RobertHadfield研制，于1883年获得英国发明专利。•我国高锰钢铸件的国家标准(GB/T5680-1998)牌号有：ZGMn13-1、ZGMn13-2、ZGMn13-3、ZGMn13-4、ZGMn13-5；•典型的Mn17耐磨高锰钢是在Mn13钢的基础上增加锰量，提高了奥氏体的稳定性，阻止碳化物的析出，进而可提高钢的强度和塑性，提高钢的加工硬化能力和耐磨性。比如用于北方的ZGMn18铁道叉寿命较ZGMn13提高20%~25%。新进展•采用合金化的方法，添加Cr、Mo引起固溶强化，加入钛形成碳化钛,可引起弥散强化,并能细化结晶组织，最终达到强化基体，提高其耐磨性和屈服强度的目的。实验表明，用这些方法加工出的用于冶金矿山的衬板，其使用寿命比高锰钢提高50%～70%。•新型高硅耐磨铸钢•稀土耐磨铸钢•铬镍氮镍高温耐磨铸钢•超高锰钢•近年来,人们已开始着手对具有稳定奥氏体组织的超高锰钢进行研究，主要是想在普通高锰钢标准成分的基础上通过提高碳、锰含量来达到改善锰钢组织，提高耐磨性的目的。•研究人员通过对Fe-C-Mn合金奥氏体的价电子结构进