老树新枝高锰钢—昨天与今天篇
(急行军之第六天)
上一个板块共五讲,朋友们以急行军的速度,了解了耐磨材料的一些基本知识.有朋友问:什么时候开讲钢球、衬板、锤头等具体产品?栏主摆摆手:别急,那是第三板块的内容.自然科学有其内在规律,拔苗助长则欲速不达.咱们不妨先打好基础,循序渐进.本讲为第二板块:五大典型耐磨材料介绍首讲—高锰钢.
高锰钢也叫哈德菲尔德钢.它是英国人R.A.Hadfield教授于1883年发明的性能优良的耐磨钢,属Fe-Mn-C系奥氏体锰钢,经典高锰钢公称锰含量为13%.ISO国际标准牌号为GX100Mn13,我国国标为ZGMn13系列,德国DIN标准为G-X120Mn13,俄罗斯国家标准为110Г13Л等.
高锰钢诞生至今120多年的漫长岁月里,在抵抗强冲击、大压力作用下的磨料磨损,以其独特的"愈压愈坚"性能,在一个多世纪的耐磨材料领域里处于当仁不让的主角地位.进入21世纪,信息大潮浩浩荡荡,高锰钢非但没有被其它钢种所取代,发展速度更快,已成为磁悬浮列车、新型主战坦克、矿山机器人等先进装备中的首选耐磨材料.今日广义的高锰钢含锰量已拓宽至中锰钢、超高锰钢.栏主有幸于2007年成为我国高锰钢最新国标修订者之一.是年,在美丽的广州暨南大学,委员们抱着瞄准国际先进水平、对我国高锰钢行业负责的认真态度热烈讨论,最后正式将我国高锰钢更名为成分范围更宽、标准更高、更能体现时代科技与国际接轨的"奥氏体锰钢".遥想当年,栏主1983年大学毕业投身耐磨材料行业之年,恰是高锰钢诞生100周年之际,如今郑州鼎盛公司与西安交大、郑州大学、河南科大等诸多大学合作,发起新一代超级高锰钢的研究正方兴未艾,让人愈发感到其潜力巨大、魅力无限而唏嘘感叹.
高锰钢中究竟有多少奥妙,竟引无数英雄折腰?
多少年来,人们一直梦想着有一种理想的耐磨材料.它既有坚硬的表面,耐磨性优良,又有柔韧的心部可以抵抗强烈冲击.同时生产便捷,成本低廉.现在看来:这种鱼与熊掌兼得的好东西,目前在强冲击磨料磨损领域、成熟的大工业商品,非正确使用下的高锰钢莫属.
高锰钢在强大的冲击载荷和接触应力作用下,其表层迅速产生硬化,硬度可从HBS200急剧升高至400-500并有高密度位错和孪晶相继生成,从而产生高耐磨的表层,心部奥氏体却保持着极好的韧性.就这样硬化一层、磨损一层、次表层又被硬化,连续不断、周而复始、层层抵抗.直至磨损到失效状态,真是一个理想的好材料.注意:高锰钢一定是在剧烈冲击或是强大压力下才能充分硬化.假如冲击力太弱,那就麻烦了.未等表面充分硬化,便已被磨损掉了.真个是"出师未捷身先死".在此服役条件下使用高锰钢,借用"范厨师"的一句话:"真是白瞎了大哥你这个人了".为了解决这个问题,早年甚至有一种在新高锰钢部件表面粘贴炸药,引爆使之预硬化的技术,只是商品化生产有困难而未大面积推广.所谓高锰钢不耐磨,大多属使用不当形成的不白之冤.这也解答了为什么高锰钢衬板大磨表现比小磨好,衬板表现不如腭板,小锤头不如大锤头的诸多此类问题.
在日常机械设计中,涉及到耐磨零部件材质选用,许多设计人员往往不分什么场合、条件,一概选用高锰钢.这就好比一个发烧39°C的病人,遇上一个庸医,不管是伤风、感冒,还是肺炎、败血症再或是SARS、猪流感,只管狠狠一退烧针下去,然后埋单走人.这个倒霉蛋病号岂不呜呼哀哉?许多职称评至机械设计高工、教授级高工却是一个材料选用的"庸医". "庸医误人","糊涂啊,糊涂",栏主摇摇头,轻轻的叹了口气……
在此向各位朋友倾情奉献一种时下当红的超高锰钢化学成分及生产要点:
元素 超高锰钢 作用、特点、要害
C 1.05~1.35 C量越高耐磨性越好,但韧性变差
Si 0.3~0.8 仅作为辅助脱氧用,越低越好
Mn 16~19 厚壁件、强烈冲击时取上限
S ≤0.04 有害元素,越低越好
P ≤0.04 极其有害元素,应想方设法降低
Cr 1.5~2.5 提高强度,但降低韧性
Mo 0.5~0.8 全面提高综合性能,但成本昂贵
Ni 0.8~1.2 可抑制高温脆化,适用于篦冷机锤头
Ti 0.1~0.15 提高耐磨性,但超过0.2%变脆
Re 0.35% 细化晶粒、净化晶界
其它如V、Nb等都是很好的元素,就是成本贵了.特别要提的是B,这个东西即是蜜糖,又是毒药.栏主虽然吃了它不少亏,但至今仍无怨无悔、不弃不离.有兴趣的朋友我们以后可以单独交流……
有朋友问:高锰钢水韧处理是怎么回事?大凡合金钢淬火后都变的硬而脆,而高锰钢在淬火前却是很脆的,只有将其加热至1050°C至1100°C保温一定时间后快速淬入水中后,其韧性变得极高,这种工艺就叫水韧处理.注意入水温度一定要大于950°C,且水温绝不可超过45°C.另一关键温度为浇注温度:T=1485-0.3*壁厚(mm)°C.

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