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作為新型超低溫用鋼,65錳鋼板高錳奧氏體鋼因的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)的造價而具有廣范的應(yīng)用前景。對高錳奧氏體鋼的工程使用而言,保證焊縫金屬的力學(xué)性能同樣重要,因此,配套焊接材料的研發(fā)是關(guān)鍵。
本研究從合金元素對熔敷金屬組織類型、機(jī)械穩(wěn)定性和凝固裂紋敏感性的影響等方面考慮,設(shè)計了一種全奧氏體組織類型的高錳鋼熔敷金屬,其成分體系為C:0.2～0.5%、Mn:20.0～24.0%、Ni+Cr:4.0～8.0%,在此成分體系下熔敷金屬具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性和低凝固裂紋敏感性。根據(jù)成分體系研制了高錳鋼用實芯焊絲、金屬粉型藥芯焊絲和電焊條以及埋弧焊劑,并分別采用鎢極氬弧焊、65mn錳冷軋鋼板埋弧焊和手工電弧焊制備了高錳鋼熔敷金屬,采用常溫拉伸、-196°C沖擊和OM、EBSD、XRD等試驗方法對熔敷金屬的力學(xué)性能和觀組織進(jìn)行了詳細(xì)的分析。力學(xué)性能分析結(jié)果顯示,熔敷金屬的屈服強(qiáng)度為323～495MPa,抗拉強(qiáng)度為600～732MPa,斷后伸長率為36.0%～39.0%,-196°C平均沖擊值為41～68J。熔敷金屬觀組織分析結(jié)果顯示,組織類型為全奧氏體,呈胞狀樹枝晶結(jié)構(gòu),C、Mn、S等元素存在一定程度的顯偏析,組織中存在大量Al2O3、SiO2、MnS類型的夾雜物。
熔敷金屬良好的超低溫沖擊韌性主要緣于其全奧氏體組織類型,熔敷金屬在沖擊變形過程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變（γ→ε-M→α’-M）,65錳冷軋鋼板也在一定程度上提高了低溫沖擊功,熔敷金屬中直徑>0.5μm的夾雜物密度較低,是保持低溫韌性的另一個關(guān)鍵因素,而C元素在一次奧氏體相的偏析則會致使組織發(fā)生低溫脆斷。采用金屬粉型藥芯焊絲和電焊條制備了高錳低溫鋼焊接接頭,接頭中焊縫金屬的屈服強(qiáng)度為468～489MPa,抗拉強(qiáng)度為700～736MPa,斷后伸長率分別為37.0%～37.5%,-196°C平均沖擊值為68～83J,焊縫金屬具有良好的力學(xué)性能,焊接材料與高錳低溫鋼匹配性較好。
圓錐破碎機(jī)是礦山行業(yè)中的一個關(guān)鍵設(shè)備65錳冷軋鋼板,其工作環(huán)境復(fù)雜且工作量巨大,因此設(shè)置耐磨襯板來保護(hù)圓錐破碎機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu),作為該設(shè)備重要的消耗配件,其性能和使用壽命直接影響圓錐破碎機(jī)的工作效率和生產(chǎn)成本。目前我國破碎機(jī)襯板廣泛采用高錳鋼,其特點為屈服強(qiáng)度和初始硬度較低,若無法充分發(fā)揮加工硬化作用,高錳鋼的耐磨性難以滿足圓錐破碎機(jī)的使用需求?；诖?本文沿著提高強(qiáng)度和硬度、并保持一定沖擊韌性,從而提高綜合耐磨性的思路,設(shè)計了一種以貝氏體和馬氏體為主要組織的圓錐破碎機(jī)襯板用貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼。研究了貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的相變規(guī)律,得到了 Ac1、Ac3和Ms溫度分別為762℃、843℃和281℃。
65錳鋼板材料的淬透性良好,在40℃/s～0.05℃/s的冷速范圍內(nèi)均可發(fā)生馬氏體相變,在5℃/s～0.05℃/s的冷速范圍內(nèi)均能夠獲得一定含量的貝氏體組織。確定了貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的 熱處理工藝為900℃×2 h空冷或爐冷+回火300℃×2h,此時的力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度1478 MPa、屈服強(qiáng)度1233 MPa、硬度52.1 HRC、常溫沖擊功20.6 J。分析了熱處理工藝參數(shù)對貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼力學(xué)性能和顯組織的影響規(guī)律,結(jié)果表明:淬火保溫溫度直接影響原始奧氏體晶粒、馬氏體板條束和板條塊的尺寸,而對馬氏體板條尺寸的影響具有遲滯性。
淬火冷卻速度影響組織中貝氏體和馬氏體的含量,在馬氏體晶界處的Mn、S、C和Si化合物降低了韌性,65mn錳冷軋鋼板在貝氏體組織中,大角度晶界和Y2O3的析出物對韌性有益。馬氏體組織具有更高密度的位錯纏結(jié)和更精細(xì)的板條組織,因此納米硬度高于貝氏體組織。通過二體銷-盤磨損實驗和三體沖擊磨料磨損實驗對比了貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼和Mn13Cr2的耐磨性,結(jié)果表明:貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的耐磨性在銷-盤磨損和1 J、2 J、4 J沖擊磨料磨損時分別比Mn13Cr2高197%和38%、99%、246%。對貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼鹽霧腐蝕后再進(jìn)行三體沖擊磨料磨損實驗,其耐磨性在鹽霧腐蝕1 h、2 h、4 h、8 h和24 h后分別降低了 10%、42%、54%、57%和 58%。提出了一種多維度磨損分析方法來闡釋貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的耐磨機(jī)理。65錳鋼板一維磨損分析揭示了沿磨損表面法線方向,貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的加工硬化機(jī)理為孿晶、高密度位錯和殘余奧氏體相變,Mn13Cr2的加工硬化機(jī)理為位錯纏結(jié)和堆垛層錯。
二維磨損分析指出了 Mn13Cr2和貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的二體摩65錳冷軋鋼板擦磨損形式分別主要為黏著磨損和磨料磨損。三維磨損分析闡釋了三體沖擊磨料磨損中應(yīng)變疲勞,裂紋,犁溝,嵌入磨粒和擠壓堆積是貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼的主要磨損機(jī)理;嵌入磨粒,犁溝,應(yīng)變疲勞,切削,擠壓堆積和剝落坑是Mn13Cr2的主要磨損機(jī)理。四維磨損分析解釋了鹽霧腐蝕和沖擊磨料磨損共同作用下材料的磨損行為,低程度腐蝕試樣的磨損機(jī)理主要仍表現(xiàn)為犁溝、應(yīng)變疲勞和嵌入磨粒,試樣磨損亞表層變形區(qū)較窄。此后隨鹽霧腐蝕時間的延長,犁溝變得更短而深,磨損失重增大,試樣磨損亞表層變形區(qū)消失,材料的耐磨性惡化。
65mn錳冷軋鋼板建立了理論公式用以估算貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼在鹽霧腐蝕和沖擊磨料磨損協(xié)同作用下的磨損失重。試制了一套貝-馬復(fù)相耐磨鑄鋼襯板,工業(yè)生產(chǎn)的熱處理參數(shù)制定為910±10℃保溫5h,強(qiáng)制風(fēng)冷,310±10℃回火8h,空冷。試制襯板的組織和性能達(dá)到指標(biāo)要求,襯板整體力學(xué)性能與耐磨性均勻,工業(yè)應(yīng)用后壽命超過目前使用的國產(chǎn)襯板平均壽命50%以上。
近年來,隨著對汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排及提高性提出越來越高的要求,越來越多的研究者開始研究具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的中錳鋼,以兼顧汽車輕量化65mn錳冷軋鋼板、碰撞性及經(jīng)濟(jì)性的要求。基于成分優(yōu)化及組織調(diào)控,中錳鋼的力學(xué)性能得到較大幅度,但在中錳鋼零部件冷加工成型及服役過程中面臨的塑性變形和氫脆問題,日益成為其應(yīng)用和服役的一個制約性因素。對此,本文針對一種新型的高強(qiáng)塑積含Al中錳鋼0.25C-8.67Mn-0.54Si-2.69Al（wt%）,采用預(yù)應(yīng)變、電化學(xué)充氫、氫熱分析（TDS）、慢應(yīng)變速率拉伸（SSRT）、掃描電子顯鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）及透射電子顯鏡（TEM）等實驗方法,較為系統(tǒng)地研究了熱軋退火態(tài)和冷軋退火態(tài)實驗鋼在不同塑性變形量下的觀組織、65錳鋼板力學(xué)性能變化及氫脆敏感性的變化規(guī)律,可以得到以下結(jié)論:熱軋退火實驗鋼主要由片層狀的退火鐵素體+逆轉(zhuǎn)變奧氏體（RA）組成,其中RA含量約為60 vol%,強(qiáng)塑積高達(dá)69.1 GPa·%。
