熱處理技術(shù)與裝備高錳鋼的熱處理是將高錳鋼鑄件加熱到碳化物固溶的溫度，并保溫一定時(shí)間，然后在水中快速冷卻，形成單一的奧氏體組織，使其強(qiáng)度和韌性大大提高，達(dá)到可加工硬化的目的。與普通碳鋼不同，高錳鋼在水中淬火后不是變硬，而是變軟了，因此高錳鋼的熱處理又叫水韌處理。在熱處理過程中，碳化物是在固溶態(tài)下溶解到奧氏體中去的，所以又叫固溶強(qiáng)化處理。高錳鋼固溶理的參數(shù)主要有入爐溫度、升溫速度、保溫溫度、保溫時(shí)間、擺放位置等。1入爐溫度和加熱速度高錳鋼鑄件在入爐之前，鑄件表面的粘砂、披縫和澆注冒口要清理干凈。粘砂對鑄件加熱或冷卻都有隔熱作用，使鑄件加熱和入水后的冷卻不均勻，嚴(yán)重粘砂會降低鑄件入水后的冷卻速度，造成晶界碳化物重新析出。披縫較薄，在熱處理加熱時(shí)會脫碳，水淬后會變成馬氏體,馬氏體相變體積膨脹，可能會使鑄件基體受到拉應(yīng)力而開裂。高錳鋼導(dǎo)熱性能低，100r以下為碳鋼的14?洗倍,600r時(shí)為碳鋼的1/2?5/7倍。高錳鋼熱膨脹系數(shù)大，為碳鋼的2倍,500r以上更大。雖然鑄件在低溫加熱過程中無相變應(yīng)力發(fā)生但加熱到300r以上，會在晶內(nèi)和晶界上出現(xiàn)脆性碳化物增多的現(xiàn)象，有時(shí)會發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。高錳鋼轍叉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同一鑄件壁厚相差懸殊，鑄件本身存在不小不等的鑄造應(yīng)力。在熱第1期吳霞等:高錳鋼的熱處理處理的加熱或冷卻過程中不同部位存在較大的溫差，產(chǎn)生熱應(yīng)力。這樣，熱應(yīng)力和鑄造應(yīng)力疊加，會使轍叉產(chǎn)生裂紋。因此，必須控制高錳鋼轍叉的入爐溫度和加熱速度。高錳鋼轍叉熱處理工藝分兩種:冷轍叉處理和熱轍叉處理。對于熱轍義如果裝入同一窯的所有轍叉的裝窯溫度基本和窯溫一致，則這種工藝可以節(jié)能，提高效率。但在實(shí)際生產(chǎn)中裝窯溫度很難與窯溫一致，且相差較大，主要原因有:不同爐次的轍叉開箱水爆后在同一窯中進(jìn)行熱處理，造成同一窯中轍叉的初始溫度不同；由于連續(xù)生產(chǎn)，每天窯的溫度也不盡相同;季節(jié)性的溫度變化導(dǎo)致轍叉與窯溫的變化較大;轍叉在窯內(nèi)的排序不同會造成一定的溫差。這樣導(dǎo)致轍叉與爐窯存在較大溫差。沈陽鐵路局薛家配件廠老工藝的熱轍叉升溫起點(diǎn)高（450r）,升溫速度快（i50r/h）。由于高錳鋼導(dǎo)熱性差，就會使轍叉內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，在隨后的水淬急劇冷卻處理中或前期升溫時(shí)發(fā)生開裂。對于冷轍叉（溫度為室溫）前期均溫不夠、保溫時(shí)間短、升溫起點(diǎn)高（分別為400r和200r）,升溫快（分別為160r/h和90r/h）。這樣升溫曲線起點(diǎn)、轍叉和爐窯起始溫度存在較大溫差，導(dǎo)致轍叉在水韌處理后開裂。圖1是他們改進(jìn)后的高錳鋼轍叉熱處理工藝。在新工藝中，冷轍叉的裝窯溫度降到室溫,熱轍叉裝窯溫度降到150r。兩種轍叉入窯后都均溫1.0?1.5h后再升溫。在650r以下升溫時(shí),由于高錳鋼晶界和晶內(nèi)會析出碳化物，有時(shí)還會發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，因此升溫速度要慢。改進(jìn)后的工藝，冷、熱兩種轍叉從150r升溫到650r時(shí),升溫速度均為90r/h,冷轍叉在150r以下升溫速度要降到70r/h。此外，在650r以下升溫時(shí),升溫速度隨高錳鋼中C、P含量增加而放慢，這是因?yàn)镃、P含量與熱處理時(shí)加熱裂紋密切相關(guān)。升溫到650?700r時(shí),要保溫1?2h,目的使轍叉溫度均勻,消除鑄造應(yīng)力。溫度大于650r,超過了高錳鋼的彈性變形溫度，高錳鋼由彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)而且脆性碳化物逐漸溶解到奧氏體中去,鋼的強(qiáng)度和塑性得到改善,加上保溫處理，鑄造應(yīng)力得到消除。因此隨后可以快速升溫升溫速度大于100r/h,甚至到150r/h。圖1高錳鋼轍叉改進(jìn)后的熱處理工藝2固溶處理溫度和保溫時(shí)間固溶處理溫度和保溫時(shí)間確定的根據(jù)為:碳化物充分溶解、奧氏體適當(dāng)?shù)木Я６?、鋼中化學(xué)成分均勻,得到最佳的力學(xué)性能、防止過熱組織出現(xiàn)。TB/T447-2004規(guī)定對不含其他合金元素高錳鋼轍叉的水韌處理溫度為1000-1100r。滲碳體型的碳化物溶解過程是碳從碳化物中向奧氏體中擴(kuò)散，原來滲碳體相的鐵原子自擴(kuò)散，并形成面心立方的奧氏體。（Fe,Mn）3C型碳化物中的碳原子和其它原子作用力較弱,擴(kuò)散過程容易進(jìn)行,溶解速度較快。加熱到1000r,(Fe,Mn)3C即可全部分解。為了加速分解、溶解和擴(kuò)散促進(jìn)成分均勻化，固溶溫度為1050?1100°C已足夠了。溫度超過1050°C時(shí),奧氏體晶粒開始長大。當(dāng)溫度達(dá)到1120r時(shí),奧氏體晶粒明顯長大。溫度大于1150C時(shí)，晶粒粗大,出現(xiàn)過熱組織。對于含有鉻、鉬、釩、鈦等碳化物形成元素的高錳鋼，在組織中會有特殊碳化物，其溶解較困難，其固溶溫度應(yīng)提高30?50C。如馬廣清等人［2］的研究表明,對于含鉻、鉬、釩的高錳鋼，水韌處理溫度為-54?熱處理技術(shù)與裝備第30卷1050C時(shí),不能使奧氏體轉(zhuǎn)變完全，碳化物也不能充分析出;在1100C加熱溫度下，奧氏體轉(zhuǎn)變完全、晶粒細(xì)小，碳化物彌散其中,并有較好的力學(xué)性能。而水韌溫度為1150C時(shí)，晶粒有變大趨勢。保溫時(shí)間只要能使碳化物充分溶解、成分基本均勻即可。過長的保溫時(shí)間對力學(xué)性能無益。表1為保溫時(shí)間對高錳鋼轍叉力學(xué)性能的影響，其中鑄件的化學(xué)成分、加熱時(shí)間及保溫溫度(1080C)均相同。從表1可以看出，保溫0.5h顯然不足，保溫2h效果最好，超過2h時(shí)性能有所下降。由于各廠家在保溫之前熱處理工藝不盡相同，保溫時(shí)間有所差別，根據(jù)目前收集到的文獻(xiàn)［3?6］,高錳鋼轍叉保溫時(shí)間為2?6.5h。表1保溫時(shí)間對高錳鋼力學(xué)性能的影響 Table1Effectofholdingtimeonmechanicalpropertiesofhighmanganesesteel保溫時(shí)間/h。0.2/MPaob/MPa6(%)ip(%)ak/J.cm-20.5389.32789.4441.532.4263.801.0406.98739.4228.232.5267.722.0394.23769.8233.334.8281.453.0400.11751.1932.437.4232.423水韌處理中的冷卻冷卻的目的是得到過冷奧氏體，即把高溫奧氏體組織保留到常溫。為保持碳化物完全溶解和獲得穩(wěn)定的奧氏體組織，必須從高錳鋼奧氏體化溫度快速冷卻。在超過Acm溫度冷卻時(shí)，保證碳化物完全溶解到固溶體中的溫度比維持有奧氏體組織溫度要高些。表2是不同冷卻方式對力學(xué)性能的影響。從表2可以看出，高錳鋼經(jīng)高溫保溫階段后，要以盡量快的速度水淬冷卻,使高溫時(shí)得到的單相奧氏體組織保持到常溫。如果高錳鋼鑄件水淬前溫度過低，組織中會析出碳化物。析出的碳化物首先在晶界上出現(xiàn)，在水淬時(shí)會被保留下來，除非經(jīng)過重新加熱處理否則不可能消除。當(dāng)它的析出數(shù)量較多時(shí),在激冷的收縮應(yīng)力作用下會使鑄件在晶界處出現(xiàn)淬火裂紋。在960C,由于相變,碳化物開始從奧氏體中析出，到900C以下,析出速度加快。因此規(guī)定高錳鋼鑄件從打開爐門到入水的時(shí)間不能超過1min,以保證鑄件在900C以上入水。高錳鋼在空氣中,從1080C降到900C要1分多鐘。該時(shí)間最好不超過30s,因?yàn)?0s可使鑄件降溫70?90C,30s內(nèi)可使鑄件在960C以上入水。為了使高錳鋼轍叉出爐后迅速入水熱處理時(shí)將轍叉放在窯內(nèi)反轉(zhuǎn)式臺車上。保溫結(jié)束后，將臺車?yán)剿剡叄_車反轉(zhuǎn)，整車轍叉進(jìn)入水中。水淬時(shí)冷卻速度不足也會在冷卻過程中從奧氏體中析出碳化物。為使水淬時(shí)有更好的散熱條件，水池中水容量要求為鑄件重量的8?10倍。如水池是循環(huán)冷卻水,可適當(dāng)減少水池容積。水池的深度要保證鑄件全部浸沒在水中。入水時(shí)要求水溫小于45C,最好小于30C,處理后水溫小于60C,以保證冷卻速度。向池內(nèi)吹入壓縮空氣，或是設(shè)法使鑄件在水池中往返移動，可加快傳熱過程。高錳鋼鑄件冷卻速度要達(dá)到30C/s。表2冷卻方式對高錳鋼力學(xué)性能的影響Table2Effectofcoolingmodeonmechanicalpropertiesofhighmanganesesteel冷卻條件抗彎強(qiáng)度/MPa撓度/mm1050C保溫90min水淬914.96631050C保溫90min爐冷2min水淬884.56561050C保溫90min空冷2min水淬877.70534高錳鋼的脫碳現(xiàn)象在熱處理過程中,高錳鋼經(jīng)常發(fā)生脫碳現(xiàn)象。固溶溫度越高，高溫下保溫時(shí)間越長，高錳鋼常常在?64?第1期吳霞等:高錳鋼的熱處理爐內(nèi)氧化氣氛中脫碳。圖2是高錳鋼在1100°C保溫2h后,工件表面碳和錳元素的變化趨勢。圖3顯示了固溶保溫時(shí)間對高錳鋼表面脫碳層厚度的影響。由于表面貧碳、貧鎰水韌后在表面出現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變，而基體仍為奧氏體。因此研究高錳鋼性能時(shí)，應(yīng)避免使用表面層試樣。由于表層與基體組織不同，表層和基體之間出現(xiàn)應(yīng)力，在隨后的水淬冷卻過程中，兩種組織的線收縮率不同，使表層容易開裂。脫碳會使高錳鋼力學(xué)性能下降。為避免脫碳高錳鋼熱處理過程的溫度要盡量低，速度要盡量的快，或者使用保護(hù)氣氛[7]。轍叉水韌處理后,應(yīng)將表面的脫碳層打磨掉。5碼放位置研究表明,高錳鋼轍叉產(chǎn)生裂紋的幾率與其在窯爐中的位置有關(guān)。圖4[8]顯示了轍叉在窯內(nèi)的擺放位置。窯爐內(nèi)臺車上共有5層轍叉。其中第五層轍叉產(chǎn)生裂紋幾率最小，第三層產(chǎn)生裂紋的幾率最大。這是由于第圖4窯內(nèi)轍叉擺放位置Fig.4Puttingpositionofcrossinginstove三層、第二層和第四層的轍叉相互遮擋面積大、爐氣在爐窯內(nèi)熱循環(huán)不良、均溫效果差的結(jié)果。通過降低擋火墻高度，使第三層和第二層轍叉出現(xiàn)裂紋的幾率有所下降。由此可見，轍叉熱處理裂紋與轍叉在窯內(nèi)的位置大有關(guān)系，且不同的位置均有可能產(chǎn)生裂紋，無論是中間位置,還是頂部和邊緣位置。此外，相同層次不同結(jié)構(gòu)的轍叉出現(xiàn)裂紋的幾率也不一樣。雜型結(jié)構(gòu)轍叉比單開轍叉出現(xiàn)裂紋的幾率要大這是因?yàn)殡s型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造殘留應(yīng)力大，同時(shí)，不同部位溫差也大。參考文獻(xiàn)周福廷.高錳鋼鐵路轍叉熱處理工藝的改進(jìn)機(jī)械個(gè)人熱處理[J].2007,(7):52-53.馬廣清，于文馨，翟啟杰等.水韌處理工藝對合金高錳鋼組織和性能的影響[J].鑄造,2004,53(4):308-309.鄒建,趙德才，孟憲嘉等.改進(jìn)工藝，解決轍叉裂紋問題.鑄造設(shè)備研究[J].1999,(3):18-20.⑷謝敬佩，李衛(wèi)，宋延沛等.耐磨鑄鋼及熔煉[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.張?jiān)鲋?耐磨高錳鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002.陳希杰.高錳鋼[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989.W.Smith,A.DeMonte,W.B.F.Mackay.Developmentofhigh-manganesesteelsforheavydutycast-to-shapeapplications[J].MaterialsProcessingtechnology,153-154(2004)589-595.汪廣志.VRH法轍叉熱處理裂紋分析與預(yù)防對策[J].國外金屬熱處理,2000,21(3):40-41.長春一汽嘉信熱處理科技有限公司公告2008年12月30日,孕育已久的長春一汽嘉信熱處理電鍍科技有限公司的企業(yè)改制業(yè)已落下帷幕，伴隨著新年的鐘聲長春一汽嘉信熱處理科技有限公司已經(jīng)正式成立了。新公司是以原"長春一汽嘉信熱處理電鍍科技有限公司"中工業(yè)爐制造和熱處理加工兩大主要業(yè)務(wù)為母體，由中國第一汽車集團(tuán)公司和經(jīng)營管理層共同出資組建的股份制公司，張林成先生擔(dān)任長春一汽嘉信熱處理科技有限公司董事長兼總經(jīng)理源"長春汽嘉信熱處理電鍍科技有限公司"總經(jīng)理謝飛先生在新公司不再任職。本公司承繼了原