超高锰无磁钢材料热/冷处理工艺与耐磨性研究

摘要

超高锰无磁钢作为一种新型的高性能耐磨材料已开始在一些复杂工况代替高锰钢。它是在普通高锰钢的基础上，适当改变锰、碳含量，加入多种合金元素如铬、钼、稀土而获得。本文研究了一种碳含量低于常规超高锰钢的无磁衬板用钢在不同处理工艺下的组织和性能尤其是该钢的耐磨性，并对该钢的加工硬化机理和磨损特性进行了探讨。 本文采用有限元分析软件ANSYS10.0建立了不同水浴温度下冷却试样的温度场并结合实际的试验，其分析结果表明，当水浴温度小于70℃时，水浴温度对组织和冷却速率变化幅度影响不大，硬度随着水浴温度的升高而下降，当水浴温度超过70℃后，水浴温度对组织和冷却速率变化幅度影响很大，晶界和晶内均出现了块状碳化物并有聚集长大现象，硬度也出现少量回升。 本文采用MLD-10冲击磨粒磨损试验机对铸态和不同热处理工艺以及深冷处理下的超高锰无磁钢试样进行了不同冲击载荷下的磨粒磨损试验。结果表明，无冲击载荷条件下，试样的耐磨性取决于材料的硬度，硬度越高耐磨性越好；冲击载荷条件下，试样总的磨损规律为单位时间磨损减量随着冲击载荷的增加先增加后减少；且存在临界冲击载荷范围，在此范围内，单纯水韧处理的试样的耐磨性较好，低于或高于此范围，水韧＋时效的试样的耐磨性较好。各个冲击功下，1100℃×3h＋300℃×3h时效＋深冷处理的耐磨性都是最佳。 深冷处理能显著提高材料的性能，材料的硬度从原来的HBS191～200提高到HBS211～219。在500℃后回火后再经深冷处理后的试样的硬度出现峰值，达到HBS219，这比未经深冷的试样提高近20，硬度提高幅度达到10％。材料的组织也发生了显著的变化，与常规处理后的组织相比，碳化物更加细小均匀。经深冷处理的试样的耐磨性明显优于未处理试样。高冲击载荷下，其磨损减量仅为0.8mg/h。而铸态试样的却达到4.0mg/h。耐磨性提高了近20％。究其原因为深冷处理后的试样的硬度和加工硬化能力的显著提高所致。常规试样的加工硬化层深度在0.45mm左右，而深冷处理的加工硬化层厚度可达到0.6mm。提高了近25％。 通过扫描电镜分析研究了超高锰无磁钢加工硬化后的组织特征和表面形貌。低冲击载荷下磨损以切削和压坑磨损为主，材料的耐磨性取决于加工硬化层的厚度，加工硬化层厚度越大，耐磨性越好；高冲击载荷下，磨损机理以表面疲劳磨损为主，材料的耐磨性取决于材料的韧性和硬度。适当的硬度和韧性配合可获得良好的耐磨性。