耐磨钢的研究及应用论文

英国人哈特菲尔德（Hadfield）于1878年开始进行锰钢的研究。4年后，他第一次获得奥氏体组织的高锰钢。Hadfield于1883获得了高锰钢专利。笔者现就对高锰钢的发展及种类做一简要介绍。高锰钢依其用途，可分为以下几类。 一、耐磨钢 这类钢的化学成分为：ω(C)=～、ω(Mn)=～、ω(Si)=～、ω(S) ≤、ω(P)≤。为了某种特定的目的，还可加入Cr、Ni、Mo、V、Ti等元素。 高锰钢具有很高的强度和冲击韧性。高锰钢的使用组织为奥氏体，在工件经受强烈冲击或高压力的条件下，其表面发生塑性变形，奥氏体产生加工硬化，外加的驱动力促使奥氏体向马氏体转变，使硬度可以从HB170~225提高到HB500~800，而心部依旧保持原有的硬度和良好的韧性。由于高锰钢的这一卓越性能，因而广泛用于制作挖掘机的铲齿、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。 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。高锰钢的铸态组织为奥氏体、碳化物和珠光体所组成，有时还含有少量的磷共晶。由于碳化物沿晶界析出降低钢的强度和韧性。因此，铸造零件必须进行热处理，使高锰钢获得完全奥氏体组织。方法是将铸件加热至1000~1100℃，保温一段时间，使碳化物完全溶解于奥氏体中，然后迅速水冷淬火，使高温奥氏体固定到室温。这一热处理过程称为“水韧处理”。 二、介稳奥氏体中锰钢 如果没有外加压力或冲击力，或压力和冲击力较小，不会产生充分的加工硬化现象，工件的耐磨性就大为降低。对于厚大断面工件，心部常常出现碳化物，而降低其使用性能。寒冷条件下使用高锰钢时常出现脆断现象，而在湿磨条件下又面临腐蚀磨损问题。这些实际应用过程中经常出现的问题，又促使人们在高锰钢的基础上寻求新的解决方法。后来，人们研制了中锰奥氏体钢，开辟了一条发挥奥氏体锰钢潜力的新途径。 介稳奥氏体中锰钢是在Mn13的基础上，适当降低碳锰含量，并加入一定含量的铬，从而降低奥氏体稳定性所获得的一种耐磨材料。水韧处理后获得单相不稳定的奥氏体组织，在压缩或冲击磨损条件下塑性变形形成大量的孪晶，诱发产生形变马氏体，从而迅速硬化。用中锰钢代替高锰钢生产破碎机鄂板，理论和实践均证明是可行的，既提高了非强烈冲击条件下工件的耐磨性，又降低了锰合金的消耗，具有良好的经济效益。但是，在实际生产中，由于其韧性不足，易发生开裂，因此在实际使用中应持谨慎态度。 在冲击力不大，又要求耐磨的条件下，提高工件耐磨性的另一途径是高锰钢低合金化。在其组织中除奥氏体外，还出现碳化物，提高硬度，强化基体并提高了加工硬化能力。 三、无磁钢 高锰钢还具有无磁性等独特的性能。这类钢含锰大于17％，碳含量一般均在％以下，常在电机工业中用于制作护环等。由于碳、锰含量均高，钢的导热能力差。导热系数为／（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(H/m)。因此，在工业上的应用非常广泛，如在冶金、矿山、建筑材料、电器工程、铁道、军工及拖拉机等制造业中，均常被用来作为结构材料。 四、超高锰钢 在发生汽车撞击事故时，车身钢铁必须同时拥有两种性能：一方面，必须有良好的延展性，以吸收大部分的撞击能量；另一方面，还必须能保持足够的形状以保护乘客的安全。 来自Max Planck和德国钢铁协会的科学家发明了一种能同时满足以上要求的未来钢铁。该种钢通过调整成分，锰含量为15％~30％，抗拉强度为600~1100MPa，断后伸长率高达80％。通过适当的热处理，该种钢在室温下具有孪晶诱导塑性效应，因而称为TWIP钢。在发生撞击时，这种被称为TWIP钢的材料会发生变形，钢铁的每一个部分都会发生延长，然后将剩余的能量传递到周围部分中，这些部分也会发生变形。因此，通过将能量分散到整个表面，撞击的动能可以更有效地被吸收，从而保证乘客安全。在以后的数年内，这种TWIP钢铁将被应用到汽车的缓冲器和侧门上，这是撞击过程中汽车上最脆弱的部分。TWIP钢的发明，充分证明了钢铁仍然有很大的发展空间。 （作者单位：河南省开封市技师学院）