C和Mn元素对BTW型中锰钢性能研究
Study on the Properties of C and Mn Elements for BTW Medium Manganese Steel

作者: 王军祥 , 李 星 , 马英喆 :天津威尔朗科技有限公司,天津;

关键词: C和Mn元素BTW中锰钢力学性能显微组织C and Mn Elements BTW Medium Manganese Steel Mechanical Properties Microstructure

摘要:
本文研究了C和Mn元素对BTW中锰钢性能的影响,利用金相显微镜、拉伸试验机、冲击试验机、摩擦磨损试验机等分析了中猛钢组织结构、力学性能。实验结果表明:BTW中锰钢均为单一的奥氏体组织,晶内晶界均有点状碳化物分布。锰含量对抗拉强度的影响较为明显,对硬度及磨损性能的影响较小。碳元素的变化对强度、韧性、硬度和耐磨损性能均有较为明显的影响。为获得良好的综合性能,在实际生产中锰含量应不低于8 wt%,碳含量应控制在0.9 wt%左右。

Abstract: The effect of C and Mn elements on properties of BTW steel was studied in this paper. Microstruc-tures and mechanical properties of medium manganese steel were analyzed by means of metallo-graphic microscope, tensile test, impact test, friction and wear test machines. Experimental results showed: in the experiment, the BTW steel was single austenite structure, in addition, the spotty carbonized precipitates were found in the crystalline grains and boundaries. Manganese made a more obvious effect on tensile strength, while the effect on hardness and wear properties was less. The change of carbon content had an obvious effect on strength, toughness, hardness and wear re-sistance. To obtain good comprehensive performance, the manganese content in actual production should not be less than 8 wt%. Carbon content should be controlled at around 0.9 wt%.

1. 引言

刮板输送机作为矿山开采输送的关键装备,广泛应用于煤矿、金属矿山、化工、港口码头等装卸物料,也是煤矿中使用最广、磨损及耗能最严重的设备之一 [1] [2] [3] 。刮板输送机的可靠、稳定、高效运行直接影响着矿井的安全生产和经济效益,中部槽是刮板输送机的核心部件,在使用过程中承受剧烈的摩擦磨损和动载负荷,刮板输送机的失效,也多由中部槽的过度磨损或断裂引起 [4] [5] 。因此提高中部槽足够的强度、刚度和耐磨性,开发高强、高耐磨的中板材料,已成为煤炭工业开采装备急需解决的技术难题 [6] [7] 。

形变诱导硬化型中锰钢(记为BTW)在中低冲击载荷下表层材料可从不稳定奥氏体向马氏体转变,通过优化材料成分中C、Mn元素,将Ms点上移至室温附近,当奥氏体吸收能量后常温下即可发生马氏体相变,提高材料的硬度和耐磨性,另有奥氏体晶体内有大量水韧时未及时析出的碳化物,也可大幅提高材料的耐磨性能 [8] [9] [10] [11] 。新型形变诱导硬化型中锰钢材料具有优异的力学性能和抗冲击磨损性能,有效解决在复杂工况下装备使用短寿命问题,对节能降耗、实现循环经济和可持续发展具有重要战略意义和社会效益。本文主要探讨C、Mn元素成分配比对新型中锰钢性能的影响。

2. 试验材料及方法

本本文采用消失模负压铸造工艺制备中锰钢 [12] ,依据中锰耐磨钢的成分范围、相图及元素的作用规律,针对C、Mn元素成分进行分组实验研究,其中C元素含量设计为4组,分别为0.7~0.78、0.83~0.84、0.89~0.91和1.01~1.1 (wt%),Mn元素含量为2组,分别为6.8~7.9、8.53~8.9 (wt%)。其他成分包括稀土含量控制在同一水平,误差在3%以内,具体见表1。从中选取10个样本,通过熔炼–成型–热处理工艺流程制备中锰钢板。熔炼:通过中频感应炉升温至1640℃~1660℃分步熔炼废钢、铬铁、硅铁、镍铁、锰钢、钼铁等合金,然后依次加入硅钙合金和铝合金脱氧后出钢,其中钒铁和稀土在包内冲入钢水。成型:将镇静3~4分钟后的钢水浇入到抽真空状态下的EPS模具中,模具消解后获得铸件产品,保温6小时后出箱,加热板坯到1180℃~1220℃,在1000℃~1100℃范围内完成板坯的轧制。热处理:板材在电炉中以200℃/小时的温度升至1050℃,保温2个小时后进行水淬至200℃以下。

测试方法

线切割尺寸为10 × 10 × 10 mm的块状金相试样,用水砂纸粗磨,W 3.5的金刚石膏表面抛光,4%的硝酸酒精腐蚀液腐蚀抛光面,冲洗干燥后使用日本Olympus PMG3型金相显微镜观察金相组织。执行国标GB/T 6397-86对拉伸试样的进行加工,沿轧制方向线切割加工标准样品,在常温下,采用WE-60型液压式万能材料力学试验机,执行国标GB/T 228.1-2010进行拉伸试验,每种钢测试6个样品,取平均值,上下标为保准偏差。切割块状试样,镶嵌后对表面进行打磨抛光处理,控制表面粗糙度Ra为0.08 μm左右,按照标准GB/T 230.1-2009进行洛氏硬度测试,实验仪器为HA-150A型洛氏硬度试验机,试验温度为常温,每种钢测试12个点的硬度数据,取其平均值作为硬度测试结果,误差为均方根误差。加工成V型缺口的冲击样品,采用JBN-300型摆锤式冲击试验机,选用最大量程300 J的摆锤,执行国标GB/T 229-2007进行测试。

3. 结果与讨论

3.1. 金相组织分析

图1为BTW中锰钢金相组织图,Mn组合和C组均为单一的奥氏体组织,晶粒呈不规则多边形,在奥氏体晶内和晶界上存在少量离散分布的碳化物(细小的黑色斑点),呈球粒状,有利于提高材料的耐磨性能。

Table 1. The numbers of alloying component design experiment

表1. 合金化成分设计实验编号

(a) (b)

Figure 1. Metallographic structure of manganese steel in BTW: (a) 200 b; (b) 500 b

图1. BTW中锰钢的金相组织图:(a) 200 b;(b) 500 b

3.2. C和Mn元素对力学性能的影响

3.2.1. 抗拉强度

抗拉强度测试结果见图2图3。结合表1数据分析可知随着猛含量的增加,抗拉强度增加。含锰量在8.6 wt%可以获得较高的抗拉强度,而含猛量低于平均值7.1 wt%抗拉强度则较低,因此综合考虑其它因素,实际生产中要获得较好抗拉强度,锰钢的锰含量应控制8.0 wt%以上。从图3可以看出,C含量对抗拉强度的影响以0.91 wt% C含量为界,分为两个区域,一区随C含量的增加,抗拉强度呈增大趋势,二区(超过0.91 wt%)随C含量增大而下降,符合碳钢抗拉强度变化的基本规律。如果仅从抗拉强度角度分析,碳含量的控制在0.9 wt%左右是比较合适的。

3.2.2. 表面硬度

洛氏硬度测试实验结果对比见图4图5,从图中可以看出,在所设计的成分范围内锰含量的变化对硬度的影响不大,基本属于低合金化耐磨钢的硬度范围,C含量对硬度有一定的影响,低于0.91 wt% C含量,随C含量的增加,硬度略有提升,但整体硬度变化不大。超过0.91 wt% C含量,硬度明显上升,基本符合含碳量与硬度的基本变化规律。考虑到抗拉强度的变化规律,碳含量的控制应低于0.9 wt%。

摩擦学的Achard理论认为硬度提升有利于提高抗磨损性能,但对于中锰钢来说,提高材料的耐磨性,应控制中锰钢的硬度在一定范围内,因为一方面磨损性能具有系统依赖性特征,硬度仅是一个因素,其工况耐磨性取决于综合性能的耦合作用,包括硬度、强度、冲击韧性等,具有良好性能组合的材料,表现出较好的抗磨损性能,因此考虑硬度的同时,也必须考虑强度等因素。较高的含碳量提高了硬度,但降低强度和韧性,造成基体材料更易发生疲劳断裂磨损。另一方面中锰钢属于加工硬化型材料,耐磨损性能的提高,关键在于磨损工况对基体材料的加工硬化效应,即使基体材料硬度低,如果具有良好的加工硬化性能,其耐磨损性能的提高也是必然的。

3.2.3. 冲击韧性

图6为常温下的冲击韧性测试结果。可以看到,Mn含量7.1 wt%的冲击韧性略高于Mn含量8.6 wt%,结合强度和硬度的测试结果,中锰钢的锰含量控制8.0 wt%是合适的,具有良好的力学性能匹配。从图7碳含量的测试结果可以看出,冲击韧性基本随C含量的增加,呈现下降趋势,符合C元素对冲击韧性的影响规律。特别是C含量超过0.91 wt%后,冲击韧性均出现明显降低,这对耐磨损性能的改善是不利的,因此从冲击韧性的实验结果可以认为,C含量控制0.91 wt%以下是合理的,如果考虑硬度对耐磨损性能的影响,0.9 wt%左右的C含量是优化选择。

Figure 2. Relationship between tensile strength and Mn content

图2. 抗拉强度与Mn含量的关系

Figure 3. Relationship between tensile strength and C content

图3. 抗拉强度与C含量的关系

Figure 4. Relationship between surface hardness and Mn content

图4. 表面硬度与Mn含量的关系

Figure 5. Relationship between surface hardness and C content

图5. 表面硬度与C含量的关系

Figure 6. Relationship between normal temperature impact toughness and Mn content

图6. 常温冲击韧性与Mn含量的关系

Figure 7. Relationship between normal temperature impact toughness and C content

图7. 常温冲击韧性与C含量的关系

3.2.4. 冲击磨损性能

磨损试验在MLD-10型动载磨料磨损试验机上进行,实验条件同BTW钢板,冲击功选择2.0 J。磨损失重实验结果见图8图9。Mn含量7.1 wt%的磨损失重略低于Mn含量8.6 wt%,也基本在同一磨损水平。C对磨损失重的影响规律可以看出,含碳量7.6 wt%具有较低的冲击磨损失重。冲击磨损的破坏主要表现为凿削和疲劳剥落磨损,与硬度和韧性密切相关。含碳量大时,硬度增加,有利于抵抗凿削破坏,但韧性降低,脆性增大,疲劳剥落磨损加重。因此具有良好匹配的硬度和冲击韧性是冲击磨损性能提高的前提。

采用日立S-3000N型扫描电子显微镜对两组磨损表面进行观察,图10图11给出了磨损表面SEM图片。从图中可以看出,Mn组和C组的冲击磨损破坏机制基本一致,主要表现为多次塑变导致的疲劳断裂和凿削磨损。

4. 结论

1) 实验中锰钢均为单一的奥氏体组织,随C含量增加,黑色碳化物增多,晶内晶界均有点状碳化物分布。

Figure 8. Relationship between impact grinding loss and Mn content

图8. 冲击磨损失重与Mn含量的关系

Figure 9. Relationship between impact grinding loss and C content

图9. 冲击磨损失重与C含量的关系

Figure 10. SEM image of wear surface of Mn group

图10. Mn组磨损表面SEM图

Figure 11. SEM image of wear surface of group C

图11. C组磨损表面SEM图

2) 在本实验设计成分范围内,锰含量对抗拉强度的影响较为明显,对硬度及磨损性能的影响较小。锰元素的减少降低了中锰钢的抗拉强度,在实际生产中锰含量应不低于8 wt%。

3) 碳元素的变化对强度、韧性、硬度和耐磨损性能均有较为明显的影响,结合力学性能及耐磨损性能的测试结果,碳含量应控制在0.9%左右比较合适。

文章引用: 王军祥 , 李 星 , 马英喆 (2018) C和Mn元素对BTW型中锰钢性能研究。 材料科学, 8, 980-987. doi: 10.12677/MS.2018.810116

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