高锰钢的热处理

高锰钢的热处理是将高锰钢铸件加热到碳化物固溶的温度,并保温一定时间,然后在水中快速冷却,形成单一的奥氏体组织,使其强度和韧性大大提高,达到可加工硬化的目的。与普通碳钢不同,高锰钢在水中淬火后不是变硬,而是变软了,因此高锰钢的热处理又叫水韧处理。在热处理过程中,碳化物是在固溶态下溶解到奥氏体中去的,所以又叫固溶强化处理。高锰钢固溶理的参数主要有入炉温度、升温速度、保温温度、保温时间、摆放位置等。

1入炉温度和加热速度

高锰钢铸件在入炉之前,铸件表面的粘砂、披缝和浇注冒口要清理干净。粘砂对铸件加热或冷却都有隔热作用,使铸件加热和入水后的冷却不均匀,严重粘砂会降低铸件入水后的冷却速度,造成晶界碳化物重新析出。披缝较薄,在热处理加热时会脱碳,水淬后会变成马氏体,马氏体相变体积膨胀,可能会使铸件基体受到拉应力而开裂。高锰钢导热性能低, 100℃以下为碳钢的1/4~1/6倍, 600℃时为碳钢的1/2~5/7倍。高锰钢热膨胀系数大,为碳钢的2倍, 500℃以上更大。虽然铸件在低温加热过程中无相变应力发生,但加热到300℃以上,会在晶内和

晶界上出现脆性碳化物增多的现象,有时会发生珠光体转变。高锰钢辙叉结构复杂,同一铸件壁厚相差悬殊,铸件本身存在不小不等的铸造应力。在热

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处理的加热或冷却过程中不同部位存在较大的温差,产生热应力。这样,热应力和铸造应力叠加,会使辙叉产生裂纹。因此,必须控制高锰钢辙叉的入炉温度和加热速度。高锰钢辙叉热处理工艺分两种:冷辙叉处理和热辙叉处理。对于热辙叉,如果装入同一窑的所有辙叉的装窑温度基本和窑温一致,则这种工艺可以节能,提高效率。但在实际生产中装窑温度很难与

窑温一致,且相差较大,主要原因有:不同炉次的辙叉开箱水爆后在同一窑中进行热处理,造成同一窑中辙叉的初始温度不同;由于连续生产,每天窑的温度也不尽相同;季节性的温度变化导致辙叉与窑温的变化较大;辙叉在窑内的排序不同会造成一定的温差。这样导致辙叉与炉窑存在较大温差。沈阳铁路局薛家配件厂老工艺的热辙叉升温起点高(450℃),升温速度快(150℃/h)。由于高锰钢导热性差,就会使辙叉内部产生较大的热应力,在随后的水淬急剧冷却处理中或前期升温时发生开裂。对于冷辙叉(温度为室温)前期均温不够、保温时间短、升温起点高(分别为400℃和200℃),升温快(分别为160℃/h和90℃/h)。这样升温曲线起点、辙叉和炉窑起始温度存在较大温差,导致辙叉在水韧处理后开裂。图1是他们改进后的高锰钢辙叉热处理工艺。在新工艺中,冷辙叉的装窑温度降到室温,热辙叉装窑温度降到150℃。两种辙叉入窑后都均温1. 0~1. 5h后再升温。在650℃以下升温时,由于高锰钢晶界和晶内会析出碳化物,有时还会发生珠光体转变,因此升温速度要慢。改进后的工艺,冷、热两种辙叉从150℃升温到650℃时,升温速度均为90℃/h,冷辙叉在150℃以下升温速度要降到70℃/h。此外,在650℃以下升温时,升温速度随高锰钢中C、P含量增加而放慢,这是因为C、P含量与热处理时加热裂纹密切相关。升温到650~700℃时,要保温1~2h,目的使辙叉温度均匀,消除铸造应力。温度大于650℃,超过了高锰钢的弹性变形温度,高锰钢由弹性状态进入塑性状态,而且脆性碳化物逐渐溶解到奥氏体中去,钢的强度和塑性得到改善,加上保温处理,铸造应力得到消除。因此随后可以快速升温,升温速度大于100℃/h,甚至到150℃/h。

图1高锰钢辙叉改进后的热处理工艺

2固溶处理温度和保温时间

固溶处理温度和保温时间确定的根据为:碳化物充分溶解、奥氏体适当的晶粒度、钢中化学成分均匀,得到最佳的力学性能、防止过热组织出现。TB/T447- 2004规定对不含其他合金元素高锰钢辙叉的水韧处理温度为1000~1100℃。渗碳体型的碳化物溶解过程是碳从碳化物中向奥氏体中扩散,原来渗碳体相的铁原子自扩散,并形成面心立方的奥氏体。(Fe,Mn)

3C型碳化物中的碳原子和其它原子作用力较弱,扩散过程容易进行,溶解速度较快。加热到

1000℃, (Fe,Mn)3C即可全部分解。为了加速分解、溶解和扩散,促进成分均匀化,固溶温度为1050~1100 ℃已足够了。温度超过1050 ℃时,奥氏体晶粒开始长大。当温度达到1120℃时, 奥氏体晶粒明显长大。温度大于1150℃时,晶粒粗大,出现过热组织。对于含有铬、钼、钒、钛等碳化物形成元素的高锰钢,在组织中会有特殊碳化物,其溶解较困难,其固溶温度应提高30~50℃。如马广清等人[2]的研究表明,对于含铬、钼、钒的高锰钢,水韧处理温度为·5 4 ·热处理技术与装备第30卷1050℃时,不能使奥氏体转变完全,碳化物也不能充分析出;在1100℃加热温度下,奥氏体转变完全、晶粒细小,碳化物弥散其中,并有较好的力学性能。而水韧温度为1150℃时,晶粒有变大趋势。保温时间只要能使碳化物充分溶解、成分基本均匀即可。过长的保温时间对力学性能无益。表1为保温时间对高锰钢辙叉力学性能的影响,其中铸件的化学成分、加热时间及保温温度(1080℃)均相同。从表1可以看出,保温0. 5h显然不足,保温2h效果最好,超过2h时性能有所下降。由于各厂家在保温之前热处理工艺不尽相同,保温时间有所差别,根据目前收集到的文献[3~6],高锰钢辙叉保温时间为2~6. 5h。表1保温时间对高锰钢力学性能的影响Table1 Effectof holdingtimeonmechanicalpropertiesof highmanganese steel保温时间/h σ0. 2/MPa σb/MPa δ(%) ψ(%) αk/J. cm- 20. 5 389. 32 789. 44 41. 5 32. 4 263. 801. 0 406. 98 739. 42 28. 2 32. 5 267. 722. 0 394. 23 769. 82 33. 3 34. 8 281. 453.

0 400. 11 751. 19 32. 4 37. 4 232. 42

3水韧处理中的冷却

冷却的目的是得到过冷奥氏体,即把高温奥氏体组织保留到常温。为保持碳化物完全溶解和获得稳定的奥氏体组织,必须从高锰钢奥氏体化温度快速冷却。在超过Acm温度冷却时,保证碳化物完全溶解到固溶体中的温度比维持有奥氏体组织温度要高些。表2是不同冷却方式对力学性能的影响。从表2可以看出,高锰钢经高

温保温阶段后,要以尽量快的速度水淬冷却,使高温时得到的单相奥氏体组织保持到常温。如果高锰钢铸件水淬前温度过低,组织中会析出碳化物。析出的碳化物首先在晶界上出现,在水淬时会被保留下来,除非经过重新加热处理否则不可能消除。当它的析出数量较多时,在激冷的收缩应力作用下会使铸件在晶界处出现淬火裂纹。在960℃,由于相变,碳化物开始从奥氏体中析出,到900℃以下,析出速度加快。因此规定高锰钢铸件从打开炉门到入水的时间不能超过1min,以保证铸件在900 ℃以上入水。高锰钢在空气中,从1080℃降到900℃要1分多钟。该时间最好不超过30s,因为30s可使铸件降温70~90℃, 30s内可使铸件在960℃以上入水。为了使高锰钢辙叉出炉后迅速入水,热处理时将辙叉放在窑内反转式台车上。保温结束后,将台车拉到水池边,台车反转,整车辙叉进入水中。水淬时冷却速度不足也会在冷却过程中从奥氏体中析出碳化物。为使水淬时有更好的散热条件,水池中水容量要求为铸件重量的8~10倍。如水池是循环冷却水,可适当减少水池容积。水池的深度要保证铸件全部浸没在水中。入水时要求水温小于45℃,最好小于30℃,处理后水温小于60℃,以保证冷却速度。向池内吹入压缩空气,或是设法使铸件在水池中往返移动,可加快传热过程。高锰钢铸件冷却速度要达到30℃/s。

表2冷却方式对高锰钢力学性能的影响

Table2 Effectof coolingmodeonmechanical

propertiesof highmanganese steel

冷却条件抗弯强度/MPa 挠度/mm

1050 ℃保温90min水淬914. 96 63

1050 ℃保温90min炉冷2min水淬884. 56 56

1050 ℃保温90min空冷2min水淬877. 70 53

4高锰钢的脱碳现象

在热处理过程中,高锰钢经常发生脱碳现象。固溶温度越高,高温下保温时间越长,高锰钢常常在·6 4 ·

第1期吴霞等:高锰钢的热处理

炉内氧化气氛中脱碳。图2是高锰钢在1100℃保温2h后,工件表面碳和锰元素的变化趋势。图3显示了固溶保温时间对高锰钢表面脱碳层厚度的影响。由于表面贫碳、贫锰,水韧后在表面出现马氏体转变,而基体仍为奥氏体。因此研究高锰钢性能时,应避免使用表面层试样。由于表层与基体组织不同,表层和基体之间出现应力,在随后的水淬冷却过程中,两种组织的线收缩率不同,使表层容易开裂。脱碳会使高锰钢力学性能下降。为避免脱碳,高锰钢热处理过程的温度要尽量低,速度要尽量的快,或者使用保护气氛[7]。辙叉水韧处理后,应将表面的脱碳层打磨掉。5码放位置研究表明,高锰钢辙叉产生裂纹的几率与其在窑炉中的位置有关。图4[8]显示了辙叉在窑内的摆放位置。窑炉内台车上共有5层辙叉。其中第五层辙叉产生裂纹几率最小,第三层产生裂纹的几率最大。这是由于第

图4窑内辙叉摆放位置

Fig. 4 Puttingpositionof crossingin stove

三层、第二层和第四层的辙叉相互遮挡面积大、炉气在炉窑内热循环不良、均温效果差的结果。通过降低挡火墙高度,使第三层和第二层辙叉出现裂纹的几率有所下降。

由此可见,辙叉热处理裂纹与辙叉在窑内的位置大有关系,且不同的位置均有可能产生裂纹,无论是中间位置,还是顶部和边缘位置。此外,相同层次不同结构的辙叉出现裂纹的几率也不一样。杂型结构辙叉比单开辙叉出现裂纹的几率要大,这是因为杂型结构复杂,铸造残留应力大,同时,不同部位温差也大。

参考文献

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国外金属热处理,2000,21(3): 40- 41.

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