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本文意在解决高锰钢在低应力条件下耐磨性较差的缺点,同时满足其在高应力冲击下保持较好的冲击韧性,开展了高锰钢表面等离子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层的探索,研究了高65锰钢板锰钢表面等离子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层后,以及对FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层/高锰钢基体进行时效处理后的组织与性能的演变,探明Ti元素的添加以及时效处理对于FeCoNiCrMn系高熵合金涂层组织与性能的影响,为后续在高锰钢表面制备出能够承受高低应冲击高熵合金耐磨涂层提供参考。
试验结果表明:FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层在熔覆后表层晶粒结构为等轴晶,同时有少量共晶组织产生,熔覆层中部为树枝晶,与基体接触的熔覆层底部为胞状晶;在时效后熔覆层整体的等轴晶增多,相应的树枝晶和胞状晶有所减少。熔覆后FeCoNiCrMnTix的物相构成比较单一稳定,65mn冷轧钢板当x=0的时候熔覆层的物相组成由单一的FCC相组成,主要相为Fe0.64Ni0.36,当Ti元素加入后,有BCC相Co3Ti产生,且新相Co3Ti的峰值也随Ti元素的增多而提高。在时效过后熔覆层的物相组成没有很大差别,Co3Ti析出物有了明显的增多,峰值也有了明显的提高。整体上各个试样的硬度从熔覆层到热影响区再到基体呈下降趋势。
65mn锰冷轧钢板熔覆后的涂层硬度由表至里变化趋势略下降;时效处理后的涂层硬度由表至里的下降趋势不明显,涂层的硬度较为平均,且时效处理前后的试样 硬度值都随Ti含量的增多而。其中基体的硬度值在220.4HV左右,熔覆后的高熵合金涂层 硬度值为344.5HV。时效处理后FeCoNiCrMnTi0.5高熵合金涂层的 硬度值为469.7HV。
圆锥破碎机是矿山行业中的一个关键设备65锰冷轧钢板,其工作环境复杂且工作量巨大,因此设置耐磨衬板来保护圆锥破碎机的机体结构,作为该设备重要的消耗配件,其性能和使用寿命直接影响圆锥破碎机的工作效率和生产成本。目前我国破碎机衬板广泛采用高锰钢,其特点为屈服强度和初始硬度较低,若无法充分发挥加工硬化作用,高锰钢的耐磨性难以满足圆锥破碎机的使用需求。基于此,本文沿着提高强度和硬度、并保持一定冲击韧性,从而提高综合耐磨性的思路,设计了一种以贝氏体和马氏体为主要组织的圆锥破碎机衬板用贝-马复相耐磨铸钢。研究了贝-马复相耐磨铸钢的相变规律,得到了 Ac1、Ac3和Ms温度分别为762℃、843℃和281℃。
65锰钢板材料的淬透性良好,在40℃/s～0.05℃/s的冷速范围内均可发生马氏体相变,在5℃/s～0.05℃/s的冷速范围内均能够获得一定含量的贝氏体组织。确定了贝-马复相耐磨铸钢的 热处理工艺为900℃×2 h空冷或炉冷+回火300℃×2h,此时的力学性能为:抗拉强度1478 MPa、屈服强度1233 MPa、硬度52.1 HRC、常温冲击功20.6 J。分析了热处理工艺参数对贝-马复相耐磨铸钢力学性能和显组织的影响规律,结果表明:淬火保温温度直接影响原始奥氏体晶粒、马氏体板条束和板条块的尺寸,而对马氏体板条尺寸的影响具有迟滞性。
淬火冷却速度影响组织中贝氏体和马氏体的含量,在马氏体晶界处的Mn、S、C和Si化合物降低了韧性,65mn锰冷轧钢板在贝氏体组织中,大角度晶界和Y2O3的析出物对韧性有益。马氏体组织具有更高密度的位错缠结和更精细的板条组织,因此纳米硬度高于贝氏体组织。通过二体销-盘磨损实验和三体冲击磨料磨损实验对比了贝-马复相耐磨铸钢和Mn13Cr2的耐磨性,结果表明:贝-马复相耐磨铸钢的耐磨性在销-盘磨损和1 J、2 J、4 J冲击磨料磨损时分别比Mn13Cr2高197%和38%、99%、246%。对贝-马复相耐磨铸钢盐雾腐蚀后再进行三体冲击磨料磨损实验,其耐磨性在盐雾腐蚀1 h、2 h、4 h、8 h和24 h后分别降低了 10%、42%、54%、57%和 58%。提出了一种多维度磨损分析方法来阐释贝-马复相耐磨铸钢的耐磨机理。65锰钢板一维磨损分析揭示了沿磨损表面法线方向,贝-马复相耐磨铸钢的加工硬化机理为孪晶、高密度位错和残余奥氏体相变,Mn13Cr2的加工硬化机理为位错缠结和堆垛层错。
作为新型超低温用钢,65锰钢板高锰奥氏体钢因的力学性能和经济的造价而具有广范的应用前景。对高锰奥氏体钢的工程使用而言,保证焊缝金属的力学性能同样重要,因此,配套焊接材料的研发是关键。
本研究从合金元素对熔敷金属组织类型、机械稳定性和凝固裂纹敏感性的影响等方面考虑,设计了一种全奥氏体组织类型的高锰钢熔敷金属,其成分体系为C:0.2～0.5%、Mn:20.0～24.0%、Ni+Cr:4.0～8.0%,在此成分体系下熔敷金属具有良好的机械稳定性和低凝固裂纹敏感性。根据成分体系研制了高锰钢用实芯焊丝、金属粉型药芯焊丝和电焊条以及埋弧焊剂,并分别采用钨极氩弧焊、65mn锰冷轧钢板埋弧焊和手工电弧焊制备了高锰钢熔敷金属,采用常温拉伸、-196°C冲击和OM、EBSD、XRD等试验方法对熔敷金属的力学性能和观组织进行了详细的分析。力学性能分析结果显示,熔敷金属的屈服强度为323～495MPa,抗拉强度为600～732MPa,断后伸长率为36.0%～39.0%,-196°C平均冲击值为41～68J。熔敷金属观组织分析结果显示,组织类型为全奥氏体,呈胞状树枝晶结构,C、Mn、S等元素存在一定程度的显偏析,组织中存在大量Al2O3、SiO2、MnS类型的夹杂物。
熔敷金属良好的超低温冲击韧性主要缘于其全奥氏体组织类型,熔敷金属在冲击变形过程中发生马氏体转变（γ→ε-M→α’-M）,65锰冷轧钢板也在一定程度上提高了低温冲击功,熔敷金属中直径>0.5μm的夹杂物密度较低,是保持低温韧性的另一个关键因素,而C元素在一次奥氏体相的偏析则会致使组织发生低温脆断。采用金属粉型药芯焊丝和电焊条制备了高锰低温钢焊接接头,接头中焊缝金属的屈服强度为468～489MPa,抗拉强度为700～736MPa,断后伸长率分别为37.0%～37.5%,-196°C平均冲击值为68～83J,焊缝金属具有良好的力学性能,焊接材料与高锰低温钢匹配性较好。