高锰钢的热处理

热处理技术与装备热处理技术与装备 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 第 1 期吴霞等:高锰钢的热处理 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