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1、ZGMn13钢水韧处理工艺研究与实践前言 在机械制造业中，有大量的具体零件在服役过程中，需要很高的耐干性摩擦的磨损能力，例如：铁道工程中的道岔、破碎机械的锤头、颚板、挖掘机的铲齿、坦克、链轨拖拉机的履带板、推土机的推土板、高炮的防弹板，轧钢机械中的大量零件等。为了提高零件的耐磨性，通常是增加钢中的含碳量，通过淬火工艺达到高硬度和形成大量的碳化物颗粒来抵抗摩擦磨损，另一种方法是通过合金化形成单相奥氏体，并利用加工硬化基本原理，显著提高硬度及耐磨性1。 本研究中针对河北理工大学的专利产品，轧钢机中心出钢口部件，进行工艺试验研究与应用。1.试验仪器、设备、材料与方法1.1试验仪器、设备上海产4kw箱
2、式电阻炉，上海产4x金相显微镜，吴忠材料试验机厂产150D洛氏硬度计。 图 1 一体套 图 2 喇叭口1.2 材料与试验方法1.2.1 材料 来源于昌黎新河铸业有限公司及秦皇岛市新奇精密铸业有限公司ZGMn13一体套，喇叭口，紊流套等铸件，形状如图1和图2所示。1.2.2 试验方法利用固溶基本原理，采用水韧处理。ZGMn13属于高碳合金特殊性能钢，钢的化学成分如表1所示。表1 高锰钢的牌号、化学成分、力学性能和用途（摘自GB/T 5680-1988）3牌 号化学成分w力学性能（不小于）用途举例CMnSiSP其他ZGMn13-11.001.4511.0014.000.301.000.0400.0
3、9063520适于铸造形状简单的低冲击耐磨件，如破碎壁、坤套、齿板、衬板、铲齿等ZGMn13-20.901.3511.0014.000.301.000.0400.070_68525147300ZGMn13-30.951.3511.0014.000.300.800.0350.070_73530147300用于结构复杂并以韧性为主的承受强烈冲击载荷的零件，如斗前壁、提梁和履带板等ZGMn13-40.901.3011.0014.000.300.800.0400.070Cr:1.502.5039073520_300ZGMn13-50.751.3011.0014.000.301.000.0400.070
4、Mo:0.901.20特殊耐磨件，如自固型无螺栓磨煤机衬板等注：力学性能为经水韧处理后试样的数值2.试验基本原理2.1 ZGMn13铸造后的组织与性能由于此钢含有大量的碳及锰元素，碳、锰元素是强烈扩大相区元素，他会使相图中A4点（N点）上升，A3点（A点）下降，S点明显左移2。从Fe-Mn-C的三元相图可知，当具有过共析成分的Mn13钢在平衡态凝固冷却时，由相成核、长大，结晶终了得到高温的单相奥氏体组织；再继续冷却过程中，先共析渗碳体在晶界析出，共析转变不能完全，冷却速度越大，共析转变产物越少；在最终的铸态组织中有少量珠光体类型的转变的共析组织及大量晶界和晶内碳化物存在。在不同温度析出的碳化物
5、有不同的形态和分布：较高温度者在晶界成网状，有时局部成块状；较低温度者则呈晶内针、片状，以明显或不明显的魏氏体组织渗碳体形式出现在奥氏体基本的铸态组织中。高锰钢铸态组织中有大量脆、硬碳化物在晶界和晶内分布，这将大大降低钢的晶界强度、钢的韧性和塑性，所以高锰钢不应在铸态使用。提高ZGMn13钢的含碳量虽然可提高耐磨性，但易使铸件形成裂纹的倾向增大，且使其韧性降低。锰扩大区，从而稳定奥氏体，但含锰量的选择应取决于含碳量，一般锰、碳的质量分数之比应控制在9-11之间。硅能提高固溶体的强度和硬度，并可提高钢的冷缩硬化效应，但硅过多，易使晶界上出现碳化物。由于锰的碳化物析出，降低了晶界处的含锰量和含碳量
6、，在水韧处理时易析出马氏体组织，从而降低ZGMn13钢的强度和韧性；并使铸件容易开裂和在加热时脱碳。经水韧处理后的ZGMn13钢，在较大冲击载荷或接触应力的作用下，其表面即产生加工硬化，从而具有良好的耐磨性，而且心部则仍保持高的韧性。高锰钢由于加工硬化快，因此切削加工困难，故仅限于铸造零件。常用来制造要求耐磨并承受大冲击载荷的零件4。2.2 ZGMn13常规的水韧处理工艺ZGMn13钢是应用广泛的典型耐磨钢。为了改善ZGMn13钢的组织以提高韧性，对钢进行水韧处理，即加热到10001100适当保温后水冷，消除沿晶界或滑移面析出的碳化物，获得均匀的、单一的奥氏体组织，使之具有高的抗拉强度、塑性、
7、韧性和无磁性5。ZGMn13钢的主要特点是在使用中受到剧烈冲击和强大压力而变形时，其表面层将迅速产生加工硬化并有马氏体及相沿滑移面形成，从而产生高耐磨的表面层，而内层仍保持优良的韧性6，因此即使使零件磨损到很薄，仍能承受较大的冲击载荷不致破裂,故可用于铸造各种耐冲击的耐磨件。经水韧处理后的ZGMn13钢可获得单一的奥氏体组织，具有高的抗拉强度、塑性和韧性，以及无磁性7。使钢材在承受较大冲击载荷时，发挥高耐磨性的特点。水韧处理的加热温度为10501100，高温加热后必须速冷，以免在冷却过程中析出碳化物，否则将导致钢的韧性和耐磨性降低。此外，ZGMn13钢的导热性很差，加热需缓慢，以免产生裂纹。水
8、韧处理温度必须严格控制，若偏低或保温时间不足，将因碳化物未完全溶解而使钢的韧性较差；过高的水韧处理温度，不但晶粒容易长大而且会产生氧化和脱碳，使钢的屈服强度降低8。ZGMn13钢在使用中受到剧烈冲击和强大压力变形时，其表面层将迅速产生加工硬化并有马氏体及相沿滑移面形成从而产生高耐磨的表面层，而内层仍保持优良的韧性，因此即使零件磨损到很薄，仍能承受较大的冲击载荷而不致破裂【9】。2.3 试验零件试验零件为轧钢机出钢口构件具体零件有喇叭口、紊流套、一体套等。此类零件多为薄壁件，最大厚度为20mm，最小厚度为23mm。由于零件壁厚较薄，因此在通常铸造条件下，铸件拥有的冷却速度较大，在结晶及冷却过程中
9、析出的碳化物数量较小，大多为二次碳化物（Fe·Mn）3C【10】。2.4试验工艺根据零件较小较薄特点及常规的水韧化处理工艺，采用了亚温处理工艺，工艺曲线如图3所示。9801000 水中快冷510min 图3 亚温处理工艺曲线图t3.试验结果与试验分析3.1试验结果经9801000加热，短时保温后在水中急剧冷却的ZGMn13铸件，表面颜色为灰暗色且光滑平整，无氧化及脱碳现象，经磁性检验，铁磁性完全消失。在光学显微镜下，金相组织为全部单一的奥氏体【11】。3.2试验结果分析3.2.1 ZGMn13铸件尺寸与加热温度、保温时间的关系 试验中的铸件尺寸一般的比较小，且为不均匀的薄壁件，因此在
10、铸造过程沿奥氏体晶界析出的碳化物数量比较小，网状结构不连续，碳化物厚度比较薄，在水韧处理加热时，随加热温度的不断升高，碳化物也在不断地逐步溶解，因此在9801000时，网状碳化物在短时保温作用下，已经全部溶解完毕【12】。加热时的组织状态为全部的奥氏体，在随后的急剧水冷过程中碳化物来不及析出，碳及锰元素原子完全固溶在奥氏体中。关于碳化物溶解温度的问题根据Fe-C-Mn系相图图4可知，碳化物溶解曲线随钢中含碳量的升高而升高，是一条上升曲线13。 图4 Fe-C-Mn系（含Mn13）纵剖面图ZGMn13型钢具体分为ZGMn13-1，ZGMn13-2，ZGMn13-3，ZGMn13-4和ZGMn13
12、M.上海：上海科学技术出版社，1981：685钢铁热处理编写组.钢铁热处理原理及应用.上海:上海科技出版社,2007，245246.6米德林主编.金属力学性能.北京:机械工业出版社，20057Zhou Rusen. Quenching technology improvements and new media development J. Jiangsu Institute of Technology Institute, 2003 (5) :25-268王仲钰，孙萍.高锰钢水韧处理效果的控制.热处理2006年01期9郑修麟材料的力学性能M西安：西北工业大学出版社，199110王健安金属学与热处理(下册)M 重庆：机械工业出版社，198211Levy，S. A metal progressJ，1968，vol.93（No6）：61-6412胡光立，李崇谟，吴锁春，等钢的热处理(原
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