提高高锰钢初期耐磨性的表面时效处理方法

摘要

本发明公开了一种提高高锰钢初期耐磨性的表面时效处理方法，包括对普通高锰钢或合金化的高锰钢制件整体进行水韧处理和/或水韧处理后加低温时效处理的步骤，其特征在于还包括按照设计要求进行机械加工的步骤和将加工后的工件表面加热到350～920℃，并依加热方法及加热温度不同保温0.5秒～8小时，进行自然冷却和/或介质冷却的步骤。与现有处理方法相比较，本法在保证高锰钢内部的韧性不受损害的情况下，提高了高锰钢的初期耐磨性，具有生产工艺简单、表面性能稳定等特点，适宜在工业生产中推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高高锰钢初期耐磨性的表面时效处理方法，特别是将整体经过水韧处理和/或水韧处理加低温时效处理以及机械加工后的高锰钢，采用表面加热的方法对其表面进行时效处理。表面时效处理后，高锰钢的内部组织仍为高韧性的奥氏体，而表面组织为在奥氏体基体上均匀弥散分布着细小的碳化物硬质点，从而提高了高锰钢在使用初期的耐磨性能。属于材料表面改性领域。

背景技术

高锰钢作为耐磨材料，在抵抗强冲击、大应力作用下的磨料磨损或凿削磨损方面，其耐磨性是其他材料所无法比拟的。

高锰钢通常是在先整体加热到1000℃左右保温，随后水韧处理得到单相奥氏体和/或水韧处理加低温时效处理得到奥氏体加少量碳化物的组织状态下使用，由于高锰钢中的奥氏体比较稳定，并具有良好的塑性和韧性，裂纹扩展速率很低，因而高锰钢在使用时非常安全可靠。

高锰钢之所以具有高的耐磨性能是由于高锰钢在较大的冲击载荷或接触应力作用下，其表层奥氏体能够迅速产生加工硬化，使表层硬度急剧升高，从而提高了耐磨性能。外加冲击载荷越大，其自身表层的硬度越高。在表层硬度得到提高的同时，而内部仍为具有良好韧性的奥氏体。因此，经水韧处理后的高锰钢具有良好的耐磨性，同时还能承受较大的冲击载荷而不破裂。在外加载荷持续作用下，虽然表层硬化层将不断被磨耗掉，但在次表层的奥氏体将会连续不断地形成新的加工硬化层，从而保证高锰钢在使用过程中一直保持有高的耐磨性能。高锰钢这一特殊的性能使其长期得以广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路、电力、煤炭等机械装备中，如破碎机锤头、齿板、轧臼壁、挖壁机斗齿、球磨机衬板、铁路道岔等。

但高锰钢在使用的初期，由于奥氏体的硬度偏低，在外加载荷的初次作用下其表层将会有较大的尺寸变化，因而降低了摩擦副之间的接触精度，最后将影响到高锰钢的初期使用寿命。为了提高高锰钢的初期耐磨性，人们已经从提高高锰钢的整体或表层的硬度两个方面开展了广泛深入的研究，并取得了许多研究成果，而使高锰钢的使用寿命有了较大幅度的提高：

第一，通过提高高锰钢的整体硬度来提高其使用寿命。

1、高锰钢的合金化法

目前，我们常用的高锰钢为ZGMn13型，其化学成分大致为C：0.9～1.2％，Mn：11～14％，Si：0.3～0.6％，S≤0.04％P≤0.07％。在此基础上添加一些合金元素是目前提高高锰钢耐磨性的主要手段之一。高锰钢合金化研究的主要趋势是通过在传统成分中加入Cr、Mo、V、Ti、稀上等合金元素，从而在其奥氏体基体上获得弥散分布的碳化物颗粒以提高高锰钢的耐磨性。公开号为CN1068857的《多元合金强韧化高锰钢》和公开号为CN1644744A的《稀土硼微合金化高锰钢》专利分别报道了在普通高锰钢化学成分的基础上添加稀土、Mo、Ti、W等多元合金和微量B元素与稀土后，高锰钢的强度以及耐磨性得到大幅度的提高。而公开号为CN1451777的专利《铁路辙叉专用含氮奥氏体锰铬钢》报道了在普通高锰钢化学成分的基础上添加一定量的氮、铬、钒、稀土和铜元素，使高锰钢辙叉的使用寿命提高了50％-80％。

2、分散镶铸法

分散镶铸法是在高锰钢的铸造过程中，在其内部镶铸一定直径和数量的合金钢丝而得到一种复合材料的方法。这种材料经过水韧处理后，由于合金钢丝在内部成为长条网状分布的马氏体纤维束，因而得到在高锰钢的奥氏体上分布着强度较高的马氏体网状纤维束的复合材料。

3、整体时效处理法

对单一奥氏体的固溶体采用整体时效处理，使奥氏体中的碳脱溶并以碳化物的形式析出，这样将在软的奥氏体基体上均匀弥散分布着硬的碳化物质点。这样的组织将对提高高锰钢的抗冲击磨料磨损和提高耐磨性是有利的。公开号为CN 1038468的专利《一种高耐磨性能的新型锰钢》报道了在对高锰钢进行合金化之后，采用合适的水韧处理工艺，使得在高锰钢奥氏体的基体上弥散分布球形第二相耐磨质点，提高了高锰钢的耐磨性能。

第二，通过提高耐磨高锰钢的表面硬度来提高其使用寿命。

1、爆炸硬化法

爆炸硬化法是利用爆炸后极短的时间(10^-9S)内产生的高压(3×10⁷KPa)作用到高锰钢的表面上，使其在压应力下变形而得到一定厚度的硬化层。硬化层的表面硬度可以达到300～500HB。压力愈高，硬化层愈厚。

2、高锰钢的表面合金化法

表面合金化法是在造型过程中在铸型表面用含有合金元素的涂料涂刷铸型，高锰钢浇铸时在热作用下合金粉料熔化并扩散到铸件表层的一定深度，凝固后形成和高锰钢成分组织和性能不同的表层。公开号为CN1616706的专利《表层或局部梯度强化耐磨锰钢复合材料及制备工艺》采用了表面合金化的方法，使表面的强化层为硬度较高的碳化钛+马氏体+介稳定奥氏体、中间过渡层为梯度渐变的碳化钛+马氏体+稳定奥氏体的复合组织结构，而心部仍为韧性较高的奥氏体。这样，在保证高锰钢具有较高使用安全性的条件下，由于表层的硬度提高，而使其得到很高的耐磨性能。

表面合金化法也可以用高硬度的耐磨材料直接插入铸型型腔表面来实现。这样，在钢液浇铸时的热作用下，耐磨材料将和高锰钢熔接，其间存在有过渡层。公开号为CN1785554的专利《一种提高高锰钢耐磨件寿命的工艺》采用了高速钢、硬质合金钢等作为耐磨材料，通过钢液的浇铸与普通高锰钢熔接后，也会使所获得的复合材料具有很高的耐磨性。

综上所述，提高高锰钢整体或表层硬度的方法，对于提高高锰钢初期耐磨性来说都是卓有成效的。但不论那种方法，它们在选材和生产方法上都存在一些较大的弊端。对于提高高锰钢整体硬度的方法来说，虽然表层的硬度提高了，但材料内部的硬度也跟着提高，因而材料内部的塑性和韧性将降低，影响了高锰钢的使用安全性。在高锰钢的合金化法中，由于有合金元素的加入而增加了材料的生产成本。而对于表面爆炸硬化法，在炸药的管理以及对爆炸硬化处理时的场地要求均极为严格；对于表面合金化法，表面的合金化深度和含量不易控制或者耐磨材料和高锰钢结合不牢靠也影响了高锰钢的使用寿命。因此，为了提高高锰钢的初期耐磨性，在保证高锰钢本身具有韧性好、承载硬化高、耐磨性好等性能优势不受到损害的条件下，开发一种简单有效以及生产成本低廉的生产方法来提高高锰钢的表面硬度是完全必要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术所存在的问题，在生产方法和工艺上进行了改进，旨在对经过水韧处理和/或水韧处理加低温时效处理并按具体产品的形状和尺寸经机械加工后的高锰钢，采用表面加热的方法对其表面进行时效处理。由于仅仅对高锰钢的表面进行时效处理，因而高锰钢内部组织仍为韧性较高的奥氏体，保持了原有的性能优势。而其表面经时效处理后，表面的硬度增加将使表面在载荷初次作用时不会产生较大的变形，使得其摩擦副之间的接触精度下降较少，从而提高了高锰钢的初期耐磨性能。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种提高高锰钢初期耐磨性的表面时效处理方法，包括将普通高锰钢和/或经过合金化的高锰钢制件整体进行水韧处理和/或水韧处理加低温时效处理的步骤和按照设计要求进行机械加工的步骤，其特征在于还包括将加工后的工件表面加热到350～920℃温度范围内，视加热方法及加热温度的不同保温0.5秒～8小时后，自然冷却和/或用介质冷却的步骤。

所述的表面加热方法可以采用火焰加热、电接触加热、感应加热、辐射加热和/或激光加热方式中的任一种来实现。

所述的普通高锰钢和/或经过合金化的高锰钢可以为国家标准(GB/T5680-1998)中所规定的高锰钢或在此基础上添加铬、钼、镍、钛、钒、硼、铝、氮、铌和/或稀土元素的钢种。

所述的高锰钢制件可以是高锰钢铸造件、锻件和/或轧制件。

本发明与现有的通过提高整体硬度来提高高锰钢的初期耐磨性的方法相比，由于高锰钢内部的韧性不会受到损害，保证了高锰钢的使用安全性。而且不需添加任何合金元素，使得材料的成本较低。而与通过提高表面硬度来提高高锰钢初期耐磨性的方法相比，具有生产工艺简单，表面性能稳定等优点。因而本发明有着显著的经济效益和社会效益。

具体实施方式

本发明的具体实施方式是通过以下实施例来实现的。

实施例一：选用普通化学成分的高锰钢铸件，整体进行水韧处理及机械加工后，采用履带式加热器将高锰钢表面加热到600℃保温0.5小时，高锰钢表面的硬化层深度为12mm，表面硬度由原来的182HV提高到331HV。

实施例二：选用在普通高锰钢化学成分的基础上，按重量百分数添加了2％铬和0.2％稀土的合金高锰钢，整体进行水韧处理及机械加工后，采用履带式加热器将高锰钢表面加热到420℃保温6小时，高锰钢表面的硬化层深度为15mm，表面硬度由原来的176HV提高到295HV。

实施例三：选用普通化学成分的高锰钢铸件，整体进行水韧处理加300℃保温1小时的低温时效处理及机械加工后，采用中频感应加热的方式，将高锰钢表面加热，控制在550～650℃范围内保温10分钟，使高锰钢表面的硬化层深度为8mm，表面硬度由原来的188HV提高到316HV。

实施例四：选用普通化学成分的高锰钢铸件，整体进行水韧处理及机械加工后，采用火焰加热的方式，将高锰钢表面加热到900℃保温1秒后自然冷却，使高锰钢表面的硬化层深度为6mm，表面硬度由原来的182HV提高到285HV。

利用本发明技术可以使高锰钢表面的硬度增加，而可以保证高锰钢在外加载荷的初次作用下其表面不会产生较大的变形，保证了摩擦副之间的接触精度，从而提高了高锰钢的初期耐磨性。同时高锰钢的内部组织仍为高韧性的奥氏体，保持了原有的性能优势，保证了高锰钢的使用安全性。从采用本发明实施例一技术手段生产的高锰钢件上用电火花线切割的试样在型号为QPL-30履带式喷丸机上用直径为0.5mm的钢球高速冲击其表面5秒后，测得其表面上钢球冲击坑的平均直径和覆盖率分别为0.19mm和38.3％。与同样试验条件下未经本发明处理的原始高锰钢试样表面上钢球冲击坑的平均直径和覆盖率分别为0.21mm和53.3％的相比，分别降低了10％和28％。