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钢铁/粉末冶金 |
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关于材料65Mn的调查与分析 |
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65Mn钢具有较高的硬度，淬透性好，脱碳倾向少，价格低廉，切削性好等优点，但它有过热敏感性，易产生淬火裂纹，并有回火脆性，65Mn钢用途广泛，主要生产成钢丝，钢带、用于制造各种截面较少的扁，圆弹簧，板簧和弹簧片等。65Mn钢在汽车业，电子业，火车等交通运输工具用量很大。它可制造圆锯片，用以高速切削各类型钢，钢管和钢筋。
关键词：65Mn 焊接 防腐 热处理
第一章 此种材料的牌号，成分，组织，热处理，性能，用途介绍
1.1 材料牌号：65Mn 美国ASTM：1566，SEA：1566(1066) 前苏联ГОСТ：65Г
1.2 材料的化学成分 见表1-1 [1]65Mn的化学成分
 1.3 材料的组织 [2]
1.3.1 相变温度 见表1-2
1.3.2 时间-温度计-组织转变曲线 见图1-3图1-3 65Mn钢的等温转变曲线
 （用钢成分为C=0.64%，Mn=0.92%，Si=0.18%，S=0.005%，P=0.017%。晶体度为4 ～8级。奥氏体化温度为830℃）
1.3.3合金组织结构：
65Mn钢一般是在淬火回火后使用，约450℃以下回火时为回火马氏体，450℃以上回火时是回火索氏体.
1.4 热处理工艺：
1.4.1 表面处理工艺：采用表面喷砂处理。65mn钢圆锯片预先进行齿部碳氮共渗，以增加碳氮含量，然后再进行常规热处理，以提高齿部的回火稳定行，从而增加齿部硬度和耐磨性，提高圆锯片的使用寿命。
1.4.2热处理工艺参数 见表1-4
名称 退火 正火 调温回火 淬火 回火 消除应力回火（冷拉弹簧钢丝）
加热温度/℃ 810 810 680～700 810360～570 250～360
冷却方试 炉冷 空冷 空冷 油/水泠 空冷 空冷
表4-1
1.5 材料的性能
1.5.1力学性能 [3]
1.5.2密度 ρ=7.81克/立方厘米
1.5.3 工艺性能
焊接性能：差
1.6 该材料的用途：该钢可以冷轧成钢板、钢带和钢丝，制作弹簧。65Mn也可以制作成如钳工的凿子、划针等工具。65Mn钢可制作一般截面尺寸为8～15mm左右的小型弹簧如各种小尺寸扁、圆弹簧，底垫弹簧、弹簧发条，也适于制作弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧等。65Mnj是制作各种板弹簧，丝弹簧的材料之一，汽车、电车、火车等交通运输工具用量很大；在仪表、家具，乃至儿童玩具等制造中也得到广泛应用。
1。7 Mn的影响：
一般认为锰的钢中是一种有益的元素。在65Mn中，锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化，一部分锰也溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，锰还能增加珠光体相对量，并使它变细，从而提高钢的强度。锰能与S化合成为MnS，以减轻S的有害作用。
第二章 材料的腐蚀情况及防护方法
2.1材料的腐蚀情况
一 化学腐蚀 65Mn在高温下的氧化与在常温干燥环境中受二氧化碳、二氧化硫、氧气、氢等气体的作用，以及在非电解质液体（如汽油，润滑油）中引起化学作用，这是65Mn的化学腐蚀。
二 电化学腐蚀 65Mn在工作中常与其它材料发生接触或工件上常散落有尘土、污物等，在这两个不同状态部位或两种物质接触的部位均会造成电位差，如果再接触电解质或吸收二氧化硫、二氧化碳及水分等，就会造成微电池，形成电流，使为负极的金属溶解。在工业大气中，经常有各种尘土（含酸、碱、盐）和污物落入，材料很快会腐蚀坏。
2.2材料的防腐措施 [4]
一 防锈蚀 防止65Mn锈蚀，在出厂时应经过涂覆防腐剂，或经化学处理生成防护膜，或经镀覆或包装，然后运输入库，（出入时涂油的材料，如发现已有玷污或油底锈蚀或挥发干涸者应予除污去垢，重新涂油）验收时，要按规定折箱，不要多折，验收后，要立即恢复包装。在存放时，库内安放干燥剂，以降潮，降湿度。
二 喷涂防腐 65Mn一般是露天使用采用喷涂防腐办法，在材料表面喷涂防腐涂层，可使材料与空气，雨水等腐蚀介质隔绝，消除材料在保管过程中发生电化学腐蚀机会。特别是73418防锈油，它能在钢材表面形成连续的薄膜，自然干燥后，牢固地粘附在钢材表面，能使钢材一年不至锈蚀，且成本低，使用方便。
第三章 技术专题报告
3.1 65Mn钢丝的焊接：[5]
采用钨极氩弧焊的方法对φ0.7 mm的65Mn钢丝进行了焊接试验研究。研究表明：当焊接电流为10 A时可以得到外形完美的柱状焊接接头，但接头非常脆硬。采用加热温度280℃，保温10 min的后热工艺可以大大降低接头脆性及硬度。处理后的焊接接头抗拉强度最高达1 370 MPa，并且有优良的疲劳强度。因此，若在焊好的环形钢丝上镀敷以金刚石磨料，有可能使之成为一种高效的切割工具。
1 65Mn钢丝的成分及性能
本研究所用的钢丝为直径0.7 mm的65Mn冷拉钢丝，其原始组织为索氏体和少量的铁素体，呈纤维状分布。65Mn的含碳量为0.62%～0.70%，Si与Mn的含量分别为0.17%~0.37%与0.9%~1.2%。Mn使铁碳相图中S点和E点向左下方移动，降低了A3和A1线，因此，锰钢具有过热倾向。65Mn钢属于高碳钢，加上Mn与Si的联合作用，使其碳当量达0.8%以上。这就使65Mn钢具有极大的淬硬倾向，焊接性极差。
2 65Mn钢丝的氩弧焊对焊工艺
为了减小电极的消耗，选择直流正接进行线材的对焊试验，即选用直流电源，线材接电源的正极，钨极接电源的负极。
含1%或2%氧化钍的钨极发射电子效率高，电流承载能力好，且抗污染性能好，引弧容易并且电弧比较稳定。为了便于操作，选择直径为2 mm的较细的钍钨极，并且电极前端磨尖。
由于氩气较低的电弧电压特性对于薄板和线材的手弧焊特别有益，因此选择氩气做保护气体。
试验选用直流手工氩弧焊机，焊接前，将钢丝两端头仔细磨平，为防止焊点产生气孔，用丙酮将端头油污清洗干净。将两端磨平的线材放在平整洁净的对正板上（图1），使两端头对正，接头处不留间隙，用压铁压住接头两侧。将线材接焊机正极，钨极接负极，分别将电流调至20 A，15 A，10 A，8 A进行焊接。焊接时，在接头旁边引燃点弧并使之燃烧稳定，将电弧移至接头处使接头金属熔化后迅速将电弧熄灭，同时轻微施加顶锻力，冷却后即完成焊接过程，焊接过程中不使用填充焊丝。
试验发现，当焊接电流为20 A时，电弧燃烧剧烈，接头处金属飞溅严重，焊点塌陷严重。当电流调至15 A时，电弧燃烧较平稳，熔池飞溅少，但焊缝仍有塌陷。但电流降至10 A时，引弧容易，电弧燃烧稳定，焊缝处没有塌陷现象。图2为焊接电流10 A时，用数码相机在Leica MZ6型体视显微镜下拍下的焊接接头形状。可以看出，接头的圆柱度较好，将其打磨后能满足线锯的要求。当电流调至8 A以下时，引弧困难且电弧不稳定，难以完成焊接过程。
3 焊接接头的热处理与强度试验
由于65Mn钢具有过热倾向，因此焊接热影响区对接头的力学性能影响很大。直径0.7 mm的65Mn钢丝经氩弧焊对焊后接头处非常硬脆，轻轻折弯焊点处，就会在熔合线或焊缝处脆断，断口呈明显的脆性断裂形貌。所得接头由焊缝和热影响区组成，沿接头轴线测试从焊缝中心至母材各个区域的显微硬度。测量结果表明，从母材到热影响区及焊缝中部，显微硬度急剧增加，焊缝中部硬度达HV 1 060，这说明热影响区及焊缝中部生成了硬脆组织。对于这种具有硬脆组织的接头，为了提高其韧性和塑性，降低其硬度，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，必须对焊接接头进行适当的回火处理。热处理后，应将热影响区的脆性消除，同时应能使母材保持一定的强度和弹性。回火在箱式电阻炉内进行，回火工艺见表1。将回火后的钢丝焊接接头处仔细打磨，使其直径与母材直径大致相等，再在WE-50拉伸试验机上进行拉伸试验。每种回火处理的试样取三根，取其拉力的平均值。
由试验可以看出，330℃以上热处理后，母材弹性基本消失，且断裂均发生在母材处，而不发生在焊点及其热影响区，这说明热处理后虽然热影响区的脆性完全消失，但母材的强度被大大削落（经试验，所用母材的抗拉强度为1 663 MPa）。260℃保温10 min时，虽然材料弹性基本不变，但热影响区的脆性不能消除。当加热温度为280℃，保温10 min时效果最好，热影响区的抗拉强度只比母材降低20%左右，而母材的弹性消失较小。将280℃回火处理的焊头沿轴线方向测试纵剖面上各个区的显微硬度，发现焊缝处的最高硬度值降低到HV 500左右，比未处理时的硬度降低大约1倍。
焊好的环形钢丝不但应能满足一定的强度和弹性要求，而且具有一定的疲劳强度.
4 结 论
（1）采用非熔化极氩气保护焊焊接φ0.7 mm的65Mn钢丝可以得到外观良好的焊接接头，焊接时可不加填充金属。焊接电流强度以10 A比较合适，电流过大会产生飞溅和塌边现象。电流太小，则引弧困难，电弧不稳定。
（2） 焊好的接头非常硬脆，因此必须进行适当的热处理。对焊接接头采用加热温度280℃，保温10 min的回火工艺，可以使接头的抗拉强度达1 370 MPa，并且疲劳强度也较高.
3.2 65Mn钢弹簧支撑的热处理工艺改进 [6]
改进对弹簧支撑热处理工艺，增加工艺孔，使用新的淬火挂具，采用表面喷砂处理，解决了工件热处理后硬度不均匀，外形变化及表面不清洁的问题。
65Mn钢弹簧支撑是本公司轻型客车车身左右侧支撑衬板用弹簧，要求淬火后硬度45～50HRC。针对热处理后引起的硬度不均匀及外形畸变，且表面不清洁、的锈、盐渍、不易点焊等问题，我们改进了热处理工艺，使用了新的淬火挂具以及表面进行喷沙处理。实践证明，其效果显著。
1 65Mn钢弹簧支撑淬火工艺
65Mn钢弹簧支撑件在中温盐浴炉进行淬火时，淬火温度为810～830℃，淬火工艺见图1。经热处理后检验，发现淬火硬度不均，高低相差悬殊。盐炉所用挂具为铁丝网制作，用兜装件，每次装20件。财政由于件与件之间为点面接触较多。易造成淬火时硬度不均，影响工件质量，弹性低或无弹性。为此时淬火挂具与工件分别进行了改进。在弹簧支撑件的边缘5mm处（如图2)，加一?mm的工艺孔，逐件用铁丝绑扎，件与件之间留一定间隙，每串20件，每炉装4串，装炉量为80件.如此，不公使工件淬火硬度均匀，而且装炉量增为原来的4倍，提高了工作效率。
图1 改进前热处理工艺
2 淬火工艺改进
由于弹簧支撑畸变圈套影响随后焊接，必在160℃硝盐中保温3-5min出炉空冷的分级淬火工艺，淬火后应力及畸变较小，硬度达58-60HRC，改进后工艺见如图3。
图3 改进后的热处理工艺
3 表面处理
弹簧支撑件在油淬后，表面出现盐渍，不易清洗，长期存放易生锈，在下道工序点焊时不易焊装.为解决这一问题，工件淬火回火后，下序使用点焊前，对校长支撑进行喷砂清理，使制件表面清洁，易点焊，达到了工件的各项技术要求.
第四章 国内国外此种材料的生产、发展现状。
通过试验研究了65mn钢圆锯片预先进行齿部碳氮共渗，以增加碳氮含量，然后再进行常规热处理，以提高齿部的回火稳定行，从而增加齿部硬度和耐磨性，提高圆锯片的使用寿命。
65mn钢圆锯片广泛应用与冶金，轧钢，机械，建材等工业领域，用以高速切割各类型钢，钢管和钢筋。通过齿部预先进行碳氮共渗方法以达到提高锯片使用寿命的目的。
65Mn刚锯片预渗后，沿齿行形成深为0.7～1.0mm左右的连续过共析层，最外层厚度5～10um的白亮带状碳氮化合层。其内侧含有大量的粒状碳氮化合物层经淬火回火后，齿部金相组织为均匀的回火屈氏体和大量的弥散分布的粒状碳氮化合物，而基部组织仅有回火屈氏体。
65Mn钢属中碳钢，其回火稳定性较差。在为满足锯片基体的强韧性而实施中温回火后（300～400℃）就会使锯片硬度由HRC60以上明显降至HRC44～50。而在淬火之前，对锯片齿部进行预先碳氮共渗处理，可使锯齿部进表层获得过共析成分的碳和一定数量的氮原子，经淬火后，就会形成大量弥散分布的粒状碳氮化合物，同时，固溶于基体中大量的碳氮元素也会明显降低钢的马氏体转变点，从而，获得较多的残余奥氏体，这样的组织再经中温回火，大量存在的碳氮化合物可阻碍马氏体的分解和已析出碳化物的聚集长大。同时，由于碳，氮元子的催化作用，而使更多的残余奥氏体具有进一步转变为二次马氏体的能力。因此，预渗处理明显提高65Mn钢的回火稳定性，即在同样的回火温度下，经预渗处理的65Mn钢圆锯片比未经预渗锯片能够保持更高的回火硬度从而提高齿部的耐磨性。
在国内某钢管厂进行了批量切割冷拔无缝隙钢管的上机试验，切割的钢管断口光洁无毛刺、无变形，统计结果证明，预渗处理锯片平均使用寿命明显高于常规热处理的锯片。
65Mn钢圆锯片在淬火前进行预先碳氮共渗处理，可明显提高其回火稳定性，经中温回火后的锯片齿部获得大量的粒状碳氮化合物和均匀的回火屈氏体，其硬度比常规热处理锯片高HRC5～8，耐磨性提高一倍左右，同时保持基体的强韧性不变。经实验生产应用证明，预渗处理可有效提高65Mn钢圆锯片的使用寿命。
第五章 此种材料的市场发展前景
65Mnj是制作各种板弹簧，丝弹簧的材料之一，汽车、电车、火车等交通运输工具用量很大；在仪表、家具，乃至儿童玩具等制造中也得到广泛应用。这种钢的抗疲劳强度非常好，富有极好弹性，和有相当好的塑性和硬度。又由于此钢种价格低廉，因而这种材料的前景是光明的，它在现在和未来都会得到人们的广泛使用。
第六章 个人观点
本人认为65Mn在有油污、杂质时，易发生微电池腐蚀，此时
微阳极（铁素体）上反应
有 铁失去2个电子生成带2个单位正电的铁离子
微阴极（杂质）上反应：
有 2（H+）+2（e-）--(H2)
O2+4e-+H2O—2OH-
本人认为为解决此腐蚀的方法是使（使铁素体）微阳极变成微阴极即可
方法 一 镀上一种比铁活泼的金属（如锌）应可消除微电池腐蚀
第七章 个人在材料科学领域的新思路和新观点
对65Mn进行表面处理可对它进行喷丸硬化处理，这是一种加工硬化处理，从而提高强度和抗腐蚀能力.这种加工硬化能引起残余压应力，残余压应力不但能防止应力腐蚀裂纹SCC，而且还能提高疲劳强度，如果使用旋涡射流也能得到同样的效果，因为用旋涡射流周围的旋涡冲击能强化材料，也可提高疲劳强度.用旋涡射流在材料表面引起残余压应力，从而强化金属材料，这比喷丸硬化处理好。所以用这两种方法都可提高强度和抗腐蚀能力.
弹簧的表面质量对使用寿命影响很大，脱碳可造成应力集中，使弹簧的疲劳强度降低。对于脱碳可使用可控气氛热处理或真空热处理来实现防止脱碳。
参考资料
[1] [辽宁金属网]
[2] [工程材料实用手册]
[3] [辽宁金属网]
[4] 《金属材料知识手册》湖南科学技术出版社
[5] 互联网
[6] 《金属热处理》(end)
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(10/9/2005) |
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