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高锰钢分类及简介--锦成耐磨

文章出处: 本站 人气: 发布时间:2019-12-25
一、高锰钢分类及简介
  1、高锰钢的来源
  1882年获得奥氏体组织的高锰钢,1883年英国人哈德菲尔德(R.A.Hadfield)取得了高锰钢专利。高锰钢依其用途的不同可分为两大类:
  2、耐磨钢
  这类钢含锰10%~15%,碳含量较高,一般为0.90%~1.50%,大部分在1.0%以上。其化学成分为(%):
  C0.90~1.50Mn10.0~15.0
  Si0.30~1.0 S≤0.05 P≤0.10这类高锰钢的用量多,常用来制作挖掘机的铲齿、圆锥式破碎机的轧面壁和破碎壁、颚式破碎机岔板、球磨机衬板、铁路辙岔、板锤、锤头等。
  上述成分的高锰钢的铸态组织通常是由奥氏体、碳化物和珠光体所组成,有时还含有少量的磷共晶。碳化物数量多时,常在晶界上呈网状出现。因此铸态组织的高锰钢很脆,无法使用,需要进行固溶处理。通常使用的热处理方法是固溶处理,即将钢加热到1050~1100℃,保温消除铸态组织,得到单相奥氏体组织,然后水淬,使此种组织保持到常温。热处理后钢的强度、塑性和韧性均大幅度提高,所以此种热处理方法也常称为水韧处理。热处理后力学性能为:σb615~1275MPa σ 0.2340~470MPa ζ15%~85% ψ15%~45% aKl96~294J/cm2 HBl80~225
  高锰钢经过固溶处理后还会有少量的碳化物未溶解,当其数量较少符合检验标准时,仍可使用。
  奥氏体组织的高锰钢受到冲击载荷时,金属表面发生塑性变形。形变强化的结果,在变形层内有明显的加工硬化现象,表层硬度大幅度提高。低冲击载荷时,可以达到HB300~400,高冲击载荷时,可以达到HB500~800.随冲击载荷的不同,表面硬化层深度可达10~20mm.高硬度的硬化层可以抵抗冲击磨料磨损。高锰钢在强冲击磨料磨损条件下,有优异的抗磨性能,故常用于矿山、建材、火电等机械设备中,制作耐磨件。在低冲击工况条件下,因加工硬化效果不明显,高锰钢不能发挥材料的特性。
  中国常用的高锰钢的牌号及其适用范围是:ZGMn13—1(C 1.10%~1.50%)用于低冲击件,ZGMn13—2(C1.00%~1.40%)用于普通件,ZGMn13—3(C0.90%~1.30%)用于复杂件,ZGMn13-4(C0.90%~1.20%)用于高冲击件。以上4种牌号钢的锰含量均为11.0%~14.0%。
  在冲击载荷作用的冷变形过程中,由于位错密度大量增加,位错的交割、位错的塞积及位错和溶质原子的交互作用使钢得到强化。这是加工硬化的重要原因。另一个重要原因则是高锰奥氏体的层错能低,形变时容易出现堆垛层错,从而为ε马氏体的形成和形变孪晶的产生创造了条件。常规成分的高锰钢的形变硬化层中常可以看到高密度位错、位错塞积和缠结。ε马氏体和形变孪晶的出现使钢难以变形,尤其是后者的作用更大。上述各种因素都使高锰钢的硬化层得到很高程度的强化,硬度大幅度提高。
  高锰钢极易加工硬化,因而很难加工,绝大多数是铸件,极少量用锻压方法加工。高锰钢的铸造性能较好。钢的熔点低(约为14()()℃),钢的液、固相线温度间隔较小,(约为50℃),钢的导热性低,因此钢水流动性好,易于浇注成型。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。
  为提高高锰钢的性能进行过很多合金化、微合金化、碳锰含量调整和沉淀强化处理等方面的研究,并在生产实践中得到应用。介稳奥氏体锰钢的出现则可较局gao大幅度降低钢中碳、锰含量并使钢的形变强化速度提高,可适用于高和中低冲击载荷的工况条件,这是高锰钢的新发展。
  3、无磁钢
  这类钢含锰大于17%,碳含量一般均在1.0%以下,常在电机工业中用于制作护环等。这类钢的密度为7.87~7.98g/cm3.由于碳、锰含量均高,钢的导热能力差。导热系数为12.979W/(m•℃),约为碳素钢的1/3.由于钢是奥氏体组织,无磁性,其磁导率μ为1.003~1.03(H/m)。
  二、高锰钢的铸造工艺
  在高能量冲击的工作条件下,高锰钢与超高锰钢铸件的应用范围是广阔的。许多铸造厂,对生产此类钢种铸件缺乏必要的认识。现对具体操作做简要的说明,供生产者参考。
  1 、化学成分
  高锰钢按照国家标准分为5个牌号,主要区别是碳的含量,其范围是0.75%-1.45%。受冲击大,碳含量低。锰含量在11.0%-14.0%之间,一般不应低于13%。超高锰钢尚无国标,但锰含量应大于18%。硅含量的高低,对冲击韧度影响较大,故应取下限,以不大于0.5%为宜。低磷低硫是基本的要求,由于高的锰含量自然起到脱硫作用,故降磷是要紧的,设法使磷低于0.07%。铬是提高抗磨性的,一般在2.0%左右。
  2、 炉料
  入炉材料是由化学成分决定的。主要炉料是优质碳素钢(或钢锭)、高碳锰铁、中碳锰铁、高碳铬铁及高锰钢回炉料。这里特别提醒的是由人认为只要化学成分合适,就可以多用回炉料。这个人士是有害的。某些厂之所以产品质量不佳,皆出于此。不仅高锰钢、超高锰钢,凡是金属铸件,绝不可以过多的使用回炉料,回炉料不应超过25%。那么,回炉料过剩该如何?只要把废品降到低,回炉料就不会过剩。
  3 、熔炼
  这里着重讲加料顺序,无论用中频炉,还是电弧炉熔炼,总是先熔炼碳素钢,而各类锰铁和其他贵重合金材料,要分多次,每次少量入炉,贵重元素在后加入,以减少烧损。料块应尽量小些,以50-80mm为宜。熔清后,炉温达到1580-1600℃时,要脱氧、脱氢、脱氮,可用铝丝,也可用Si-Ca合金或SiC等材料。将脱氧剂一定压到炉内深处。金属液面此时用覆盖剂盖严,隔断外界空气。还要镇静一段时间,使氧化物、夹杂物有充足时间上浮。然而,不少企业,只将铝丝甚至铝屑,撒再金属液面上,又不加覆盖,岂不白白浪费!在此期间,及时用中碳锰铁来调整锰与碳的含量。
  钢液出炉前,将浇包烘烤到400℃以上是十分必要的。在出炉期间用V-Fe、Ti-Fe、稀土等多种微量元素做变质处理,是使一次结晶细化的必要手段,它对产品性能影响是至关重要的。
  4、 炉料与造型材料
  要延长炉令,当分清钢种与炉衬的属性。锰钢属碱性,炉衬当然选用镁质材料。捣打炉衬要轮番周而复始换位操作。添加炉衬材料不可过厚,每次80厘米左右为宜,捣毕要低温长时间烘烤。如提高生产效率,笔者建议采用成型坩埚(沈阳力得厂和恒丰厂均又成品出售),从拆炉捣装成,不用1小时,即可投入生产,同时成型坩埚对防穿炉大裨益。当然,炉令的长短与操作者大又关系。不少操作者像掷铅球的运动员一样,把炉料从三四米之外投入炉内,既不安全又伤炉令,应将炉料置于炉口旁预热,然后用夹子慢慢地将炉料顺炉料置于炉口旁预热,然后用夹子慢慢地将炉料顺炉壁放入。
  造型材料和涂料也应与金属液属性相一致,或者用中兴材料(如铬铁矿砂、棕刚玉等)。若想获得一次结晶细化的集体,采用蓄热量大的铬铁矿砂是正确的,尤其是消失模生产厂,用它将克服散热慢的缺点。
  5、 铸造工艺设计
  锰钢的特点是凝固收缩大,散热性差,据此,在工艺设计中铸造收缩率取2.5%-2.7%,铸件越长大、越应取上限。型砂与砂芯的退让性一定要好。浇注系统采取开放式。多个分散的内浇道从铸件的薄壁处引入,且成扁而宽的喇叭状,靠近铸件处的截面积大于与横浇道相联的截面积,使金属液快速平稳地注入铸型,防止整个铸型内的温差过大。冒口直径要大于热节直径,紧靠热节,高度是直径的2.5-3.0倍,必须采用热冒口甚至浇冒口合一,让充足的高温金属液来不足铸件在凝固收缩时之空位。将直浇道、冒口位于高处(砂箱有5-8.的斜度)也是正确的。浇注时尽可能低温快浇。一旦凝固,要及时松砂箱。聪明的设计师总是善于利用冷铁,包括内冷铁于外冷铁,它既细化一次结晶,消除缩孔、缩松,又提高工艺出品率,当然,适宜的用量和规格是应该考虑的。内冷铁要干净、易熔,用量以少为宜。外冷铁的三维尺寸与冷却物的三维尺寸为0.6-0.7倍的函数关系。过小不起作用,过大造成铸件开裂。铸件在型内要长时间保温,直到低于200℃再开箱。
  6 、热处理
  热处理开裂,是低温阶段升温过快所致。故正确的操作是350℃以下,升温速度<80℃/h,750℃以下,<100℃/h,且有不同时期的保温。至>750℃时,铸件内呈塑性状态,可以快速升温了。至1050℃时根据铸件的厚度确定保温时间,然后再升到1100℃以上。给出炉降温留有余地然后尽快入水。高温时升温太慢,保温时间太短,出炉后到入水时间间隔过长(不应>0.5min),这一切都影响铸件质量。入水温度应<30℃,淬火后,水温<50℃,水量应不小于铸件重量的8倍。冷水从池下部进入,温水从池顶面流出。铸件在水池中要三个方向不停地一动。
  7、 切割与焊接
  因为锰钢热传导性能差,所以在切割浇冒口时应十分注意。好将铸件置于水中,被切割部分露在水外,切割时留一定量的茬,热处理后磨掉。
  不少厂,焊接和焊补成为必然。选用奥氏体基的锰镍焊条(D256或D266型),规格细长,φ3.2mm×350mm,外层药皮为碱性。操作时采用小电流,弱电弧,小焊道多焊层、始终保持低温度少热量的操作方法。一边焊接一边击打,消除应力。重要铸件必须探伤。
  8、生产的注意事项
  生产者要考虑的,不仅仅是降低生产成本,但更重要的是不出废品,大限度地出优质品,进而到限度地扩大占领市场份额。这看起来是慢而费,实际上是快而省,这个观念不仅认识到,更重要的是要做到。
  ZGMn13牌号-化学成分
  对应产品名: 高锰铸钢
  标准对照表:
  日本 JIS G5131(1991)
  韩国 KS D4104(1995)
  美国 ASTM A128/A128M—1998
  标准内容:
  5.1.4 高锰铸钢
  (1)中国GB标准高锰铸钢[GB/T 5680—1998]
  a.高锰铸钢的钢号与化学成分,见表5-27.
  表5-27 高锰铸钢的钢号与化学成分(质量分数)(%)
钢号 C Si Mn P S Cr Mo
ZGMn13-1 1.00~1.45 0.30~1.00 11.0~14.0 0.09 0.04
ZGMn13-2 0.90~1.35 0.30~1.00 11.0~14.0 0.07 0.04
ZGMn13-3 0.95~1.35 0.30~1.00 11.0~14.0 0.07 0.035
ZGMn13-4 0.90~1.30 0.30~1.00 11.0~14.0 0.07 0.04 1.50~2.50
ZGMn13-5 0.75~1.30 0.30~1.00 11.0~14.0 0.07 0.04 0.90~1.20
  b.高锰铸钢的力学性能与用途,见表5-28.
  表5-28 高锰铸钢的力学性能与用途
钢号 力学性能(不小于) 硬度 用途范围
σb  σs δ ψ HBS
/MPa / Mpa (%) (%)
ZGMn13-1 635 20 用于低冲击铸钢件
ZGMn13-2 685 25 147 300 用于普通铸钢件
ZGMn13-3 735 30 147 300 用于复杂铸钢件
ZGMn13-4 735 390 20 300 用于特殊耐磨铸钢件
ZGMn13-5 用于特殊耐磨铸钢件
  (2)中国YB标准高锰铸钢[YB/T 036.4—1992]
  a.高锰铸钢的钢号与化学成分,见表5-29.
  表5-29 高锰铸钢的钢号与化学成分(质量分数)(%)
钢号 C Si Mn P S Cr
ZGMn13-1 1.10~1.50 0.30~0.80 11.0~14.0 0.09 0.04
ZGMn13-2 1.10~1.40 0.30~0.80 11.0~14.0 0.09 0.04
ZGMn13-3 0.90~1.30 0.30~0.80 11.0~14.0 0.08 0.04
ZGMn13-4 0.90~1.20 0.30~0.80 11.0~14.0 0.07 0.04
ZGMn13-5 0.90~1.30 0.30~0.60 11.0~14.0 0.07 0.04 1.50~2.50
   b.高锰铸钢的力学性能与用途,见表5-30.
  表5-30 高锰铸钢的力学性能与用途
钢号 力学性能(不小于) 硬度 用途范围
σb  σ5 AKU/J HBS
/MPa / Mpa (%)
ZGMn13-1 635 20 ≤230 用于低冲击铸钢件
ZGMn13-2 635 20 120 ≤230 用于普通铸钢件
ZGMn13-3 685 25 120 ≤230 用于复杂铸钢件
ZGMn13-4 735 35 120 ≤230 用于高冲击铸钢件
ZGMn13-5 735 15 用于特殊耐磨铸钢件
  (3)中国JB标准大型铸件用高锰铸钢[JB/T 6404——1992]
  a.大型铸件用高锰铸钢的钢号与化学成分,见表5-31.
  表5-31 大型铸件用高锰铸钢的钢号与化学成分(质量分数)(%)
钢号 C Si Mn P S Cr Ni/Mo
ZGMn13-1 1.10~15.0 0.30~1.00 11.0~14.0 0.09 0.05
ZGMn13-2 1.00~1.40 0.30~1.00 11.0~14.0 0.09 0.05
ZGMn13-3 0.90~1.30 0.30~0.80 11.0~14.0 0.08 0.05
ZGMn13-4 0.90~1.20 0.30~0.80 11.0~14.0 0.07 0.05
ZGMn13Cr 1.05~1.35 0.30~1.00 11.0~14.0 0.07 0.05 0.30~0.75
ZGMn13Cr2 1.05~1.35 03.0~1.00 11.0~14.0 0.07 0.05 1.50~2.50
ZGMn13Ni4 0.70~1.30 ≤1.00 11.5~14.0 0.07 0.05 Ni3.00~4.00
ZGMn13Mo 0.70~1.30 ≤1.00 11.5~14.0 0.07 0.05 Mo0.90~1.20
ZGMn13Mo2 1.05~1.45 ≤1.00 11.5~14.0 0.07 0.05 Mo1.80~2.10
  b.大型铸件用高锰铸钢的力学性能与用途,见表5-32.
  表5-32 大型铸件用高锰铸钢的力学性能与用途
钢号 力学性能(不小于) 硬度 用途范围
σb  σs AKV(%) HBS
/MPa / Mpa
ZGMn13-1 637 20 ≤229 用于低冲击铸钢件
ZGMn13-2 637 20 184 ≤229 用于普通铸钢件
ZGMn13-3 686 25 184 ≤229 用于复杂铸钢件
ZGMn13-4 735 35 184 ≤229 用于高冲击铸钢件
ZGMn13Cr 490 30 用于特殊耐磨铸钢件
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