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(jià)而具有廣范的應(yīng)用前景。對(duì)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(duì)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(jì)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(shí)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(yàn)方法對(duì)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(zhǎng)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(gè)關(guān)鍵因素,而C元素在一次奧氏體相的偏析則會(huì)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(zhǎng)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。

相應(yīng)的研究結(jié)果分別如下:相圖計(jì)算及膨脹儀熱模擬結(jié)果表明,65mn錳冷軋鋼板Al元素有效拓寬了臨界區(qū)溫度工藝窗口;DICTRA軟件對(duì)具有相同平衡態(tài)兩相比例臨界區(qū)奧氏體化過程的元素配分模擬顯示Al元素的添加顯著了合金元素（尤其是有利于錳鋁等置換元素）的擴(kuò)散效率,有助于殘留奧氏體中碳錳元素的富集與穩(wěn)定;高鋁添加導(dǎo)致δ鐵素體存留至室溫,降低了含鋁中錳TRIP鋼抗拉強(qiáng)度的同時(shí)了PLC現(xiàn)象;原位拉伸SEM中δ鐵素體內(nèi)大量交錯(cuò)的位錯(cuò)滑移帶證明了其良好的應(yīng)變協(xié)調(diào)性。

   臨界區(qū)奧氏體化溫度通過調(diào)控臨界區(qū)奧氏體比例實(shí)現(xiàn)含鋁中錳鋼的多元強(qiáng)度級(jí)別設(shè)計(jì)。相較含鋁中錳TRIP鋼而言,以回火馬氏體組織為主要基體“骨架”的含鋁中錳IQ-TP鋼展現(xiàn)出更高的屈服強(qiáng)度;XRD和APT檢測(cè)到殘留奧氏體內(nèi)的碳錳元素富集、相界面處錳鋁元素的偏聚等現(xiàn)象證明了回火配分階段合金元素的局部平衡（LE）。65錳冷軋鋼板IQ--TP工藝下臨界區(qū)奧氏體化及回火過程兩階段的元素配分促進(jìn)了殘留奧氏體碳錳元素的富集,同時(shí)回火馬氏體組織切割細(xì)化了殘留奧氏體晶粒進(jìn)一步增加了其穩(wěn)定性,

  65錳鋼板因而含鋁中錳IQ-TP鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。以4Mn1Al鋼為例,其熱軋IQ-TP鋼,抗拉強(qiáng)度達(dá)1425±43MPa,同時(shí)延伸率25.9±3.8%,均明顯優(yōu)于含鋁中錳TRIP鋼抗拉強(qiáng)度1345MPa,延伸率18.9%的 力學(xué)性能。而4Mn2Al熱軋IQ-TP鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)1319±39MPa,延伸率27.4±1.1%。膨脹儀組織熱模擬及EPMA成分分析證實(shí)了含鋁中錳TRIP鋼冷軋退火組織的異常長(zhǎng)大現(xiàn)象受控于錳鋁元素偏析下關(guān)鍵溫度區(qū)間的加熱速率。富Al貧Mn區(qū)抑制了奧氏體的形核,慢加熱速率為形變馬氏體的再結(jié)晶行為及晶粒長(zhǎng)大提供了充分的動(dòng)力學(xué)條件。超細(xì)晶冷軋含鋁中錳TRIP鋼由于其較小的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均自由程,具有明顯的屈服平臺(tái)。異常長(zhǎng)大的鐵素體帶提供了應(yīng)變初期較高的加工硬化率,有利于縮短材料的屈服平臺(tái)延伸率。而含鋁中錳IQ-TP鋼由于馬氏體組織及幾何必要位錯(cuò)的存在呈現(xiàn)出連續(xù)屈服特征。含鋁中錳IQ-TP鋼的塑性主要源于軟相板條形態(tài)鐵素體的“潤(rùn)滑劑”效應(yīng)以及殘留奧氏體的持續(xù)性TRIP效應(yīng)。

圓錐破碎機(jī)是礦山行業(yè)中的一個(gè)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(guó)破碎機(jī)襯板廣泛采用高錳鋼,其特點(diǎn)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。基于此,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(jì)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)韌性有益。馬氏體組織具有更高密度的位錯(cuò)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(shí)驗(yàn)和三體沖擊磨料磨損實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)分別比Mn13Cr2高197%和38%、99%、246%。對(duì)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(shí)驗(yàn),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(cuò)和殘余奧氏體相變,Mn13Cr2的加工硬化機(jī)理為位錯(cuò)纏結(jié)和堆垛層錯(cuò)。