高錳奧氏體鋼的合金化及彌散熱處理

田興娜，孫 偉

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027）

高錳鋼因其具有較高的沖擊韌性和加工硬化特性而應(yīng)用十分廣泛，尤其在礦山、冶金、建材、鐵路等方面尤為突出。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，高錳鋼已成為磁懸浮列車、鑿巖機(jī)器人等先進(jìn)裝備及工程機(jī)械的首選耐磨材料之一[1]。因此，對傳統(tǒng)高錳鋼的性能提出了更為嚴(yán)格的要求。

為了進(jìn)一步提高高錳鋼的使用壽命，尋求適用于不同工況下的新鋼種，近年來各國研究人員在高錳鋼的合金化及熱處理工藝方面進(jìn)行了大量的研究?，F(xiàn)將研究人員在合金化與彌散熱處理這兩方面的主要研究結(jié)果概述如下。

1 合金化

化學(xué)成分是影響高錳鋼耐磨性的重要因素之一。目前，我們常用的高錳鋼為ZGMn13型，其化學(xué)成分大致為ω（C）：0.9%～1.2%，ω（Mn）：11%～14%，ω（Si）：0.3%～0.6%，ω（S）≤0.04%，ω（P）≤0.07%。在此基礎(chǔ)上添加一些合金元素是目前提高奧氏體錳鋼耐磨性的主要手段之一。例如日本專利JP60～43422 中介紹，在高錳鋼中加入 ω（Cr）：0～3%，ω（Ni）：0～4%，ω（Mo）：0～2.5%，ω（Ti）：0.05%～0.09%，ω（V）：0～0.05%（ω（Ti+V）≈0.05%～0.14%），用來提高耐磨性；美國專利US4494988介紹，在Mn13中加入 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） ω （Cr） ：4%～6%，ω（Ni）：4%～6%和N的一定含量，其耐磨性也有所提高；蘇聯(lián)專利SU850725介紹在高錳鋼中加入（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）ω（Cr）：0.5%～2%，ω（V）：0.1%～0.5%，ω（Ti）：0.2%～0.6%，ω（Nb）：0.1%～0.3%，ω（N）：0.5%～0.65%，也能提高其耐磨性能[2]。

1.1 一般合金化

一般合金化指加入鋼中的合金化元素量較多，含量變化范圍較大的方法。此類合金元素溶入奧氏體中成為溶質(zhì)，以溶質(zhì)原子的形式而起作用[3]。此類合金化元素主要有Cr、Mo、Ni等。

鉻（Cr）：主要提高淬透性，稍提高硬度、提高奧氏體屈服強(qiáng)度和耐磨性，對抗腐蝕有益。但它易生成夾雜物，使鋼液變稠，降低流動性，增加體收縮量和縮孔傾向，減小導(dǎo)熱性，ω（Cr）≥1.5%開始降低韌性，ω（Cr）：1.5%～2.0%綜合機(jī)械性能最高[4]。

鉬（Mo）：Mo的主要作用是細(xì)化組織，提高基體的強(qiáng)度和韌性，增加鋼的淬透性，故Mo含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）控制在0.2%～0.4%。

鎳（Ni）：主要溶入基體，強(qiáng)烈穩(wěn)定奧氏體，提高鑄鋼的淬透性和抗腐蝕疲勞的能力。

除此之外，鎢元素也是一種合金化元素。鎢在鋼中固溶強(qiáng)化基體，穩(wěn)定奧氏體組織，提高淬透性，抑制碳化物析出，同時(shí)C-W協(xié)同作用細(xì)化鋼的晶粒，提高鋼的屈服強(qiáng)度，提高沖擊韌性，提高加工硬化率即鋼的硬度[5]。專利CN 101250675A所述的某種含鎢高錳鋼其屈服強(qiáng)度≥410MPa，U型缺口沖擊韌度≥140J/cm2。

1.2 微合金化

微合金化亦稱變質(zhì)處理，是指在普通奧氏體錳鋼成分基礎(chǔ)上添加微量（一般每種合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.3%）合金化元素的方法。此類合金元素主要通過細(xì)化組織，或與有害雜質(zhì)元素結(jié)合，或形成鐵基體中的第二相化合物而起作用，并且多元素復(fù)合變質(zhì)時(shí)，各元素的作用可彼此激發(fā)，相互促進(jìn)，獲得比單元素變質(zhì)更佳的效果[3]。目前常用的微合金化元素有 Ti、V、Re等。

鈦（Ti）：鈦在鋼中形成鈦的碳氮化合物，如TiN、TiC和Ti（CN）化合物，其熔點(diǎn)在3000℃，碳氮化合物在鋼液凝固時(shí)成為固體晶核細(xì)化鋼的鑄態(tài)組織，提高強(qiáng)度和韌性。鈦也是強(qiáng)鐵素體形成元素，使鐵的γ相區(qū)縮?。ㄔ贔e-Ti-C相圖上，Ti為1.2%，γ相區(qū)消失）不利于鋼的奧氏體化，所以鈦的加入量應(yīng)在0.1%以下（奧氏體鑄鋼），經(jīng)試驗(yàn)鈦的加入量的最佳值為0.03%～0.05%[6]。

釩（V）：釩在奧氏體合金鋼中以分散、細(xì)小且硬度極高（HRC為71～75）的碳化釩狀態(tài)存在于過冷奧氏體的晶界內(nèi)和晶界間強(qiáng)烈阻礙著奧氏體晶粒的長大。當(dāng)V質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%～0.1%、奧氏體溫度在912℃～960℃時(shí)，其奧氏體晶粒變化甚微，因此，V的配入能顯著改善奧氏體合金鋼之工作表面在沖擊和磨損下而產(chǎn)生的形變馬氏體金相組織，使透鏡片狀馬氏體更加細(xì)密；所以它極大提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性；提高形變馬氏體硬度及耐磨性和過冷奧氏體的強(qiáng)度和沖擊韌性[7]。

稀土元素（Re）：既能脫氧，脫硫，控制夾雜物的形態(tài)、大小和分布，又能細(xì)化材料的晶粒，改善碳化物形態(tài)和分布，促使碳化物呈孤立狀均勻分布，顯著減少夾雜物，提高冶金質(zhì)量，從而提高材料抗磨性能[8]。但過量的Re將惡化材料的質(zhì)量，降低韌性，因此Re的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.01%～0.1%。

一般認(rèn)為Cu元素是鋼中的有害元素而加以控制，但對于高錳鋼而言，Cu作為奧氏體穩(wěn)定元素，在奧氏體中有較高的固溶度，特別是薄板坯連鑄連軋、薄帶連鑄流程的快速凝固特征使Cu元素在高錳鋼中的使用存在較大的空間[9]。目前，對于含Cu的Fe-Mn-C系高錳鋼的專利與報(bào)道較少。

1.3 復(fù)合合金化

復(fù)合合金化就是一般合金化與微合金化復(fù)合處理。近年來各國研究人員在高錳鋼合金化方面的研究主要趨勢是在傳統(tǒng)成分中同時(shí)加入Cr、Mo、Ni、Ti、V、稀土等合金元素中的幾種。這些合金化的高錳鋼與標(biāo)準(zhǔn)成分高錳鋼性能相比，其耐磨性得到顯著提高，如表1所示。試驗(yàn)表明：Mn11Cr2.5VTi鋼破碎機(jī)錘頭的耐磨性比Mn13鋼的提高53%[10]；用Cr合金化，并用SR多元復(fù)合變質(zhì)劑生產(chǎn)的Mn12Cr（SR）顎板，在破碎棕剛玉時(shí)耐磨性比Mn13鋼提高187%[11]。

表1 合金化高錳鋼與ZGMn13鋼機(jī)械性能對比

2 熱處理工藝

為了達(dá)到減少高錳奧氏體鋼在熱處理過程中的變形和開裂、簡化熱處理工藝、節(jié)約能源或進(jìn)一步提高其耐磨性等目的，研究人員在熱處理方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并研制出一系列熱處理工藝。下面主要介紹合金化高錳鋼常用的普通熱處理與彌散熱處理。

2.1 普通熱處理

在實(shí)際生產(chǎn)條件下，標(biāo)準(zhǔn)成分高錳鋼鑄態(tài)組織主要為奧氏體和（Fe，Mn）3C化合物，因碳化物多沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布，導(dǎo)致高錳鋼鑄態(tài)性能較脆。為了獲得較高韌性，一般將其加熱到單相奧氏體區(qū)等溫，使碳化物溶入奧氏體中。對于結(jié)構(gòu)簡單，壁厚均勻的鑄件其熱處理工藝如圖1所示；反之，則需先將試樣加熱到660℃～700℃保溫一段時(shí)間以減少鑄件在加熱過程中的變形與開裂，然后升溫至奧氏體化溫度保溫、冷卻，如圖2所示。

2.2 彌散熱處理

對含有 Cr、Mo、V、Ti等碳化物形成元素的奧氏體錳鋼，通過彌散熱處理，可獲得固溶強(qiáng)化了的奧氏體基體上彌散分布第二相硬質(zhì)點(diǎn)的金相組織結(jié)構(gòu)，從實(shí)現(xiàn)彌散強(qiáng)化和進(jìn)一步提高鋼的耐磨性。如在高錳鋼化學(xué)成分基礎(chǔ)上，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～2.5%的鉻便形成加鉻高錳鋼。因鋼中含鉻，奧氏體穩(wěn)定性降低，碳化物更易析出，鑄態(tài)組織中碳化物數(shù)量增多，從而使鑄件脆性增加，因此其熱處理要特別注意控制升溫速度，防止裂紋出現(xiàn)，尤其是低溫升溫速度應(yīng)控制在 30℃/h～50℃/h[12]。由于ZGMn13Cr2中碳化物穩(wěn)定性更高，溶入奧氏體更加困難，其水韌處理溫度要到達(dá)1100℃～1130℃，同時(shí)需要更長的保溫時(shí)間，并且溶入奧氏體中的碳化物在冷卻過程中極易析出，因此鑄件從爐內(nèi)取出到入水時(shí)間應(yīng)小于1min。

總之，碳化物合金化了的奧氏體錳鋼只有采用彌散熱處理，才能充分發(fā)揮合金化元素的作用。除以上介紹的普通熱處理及彌散熱處理之外，高錳奧氏體鋼的熱處理工藝還有節(jié)能熱處理和細(xì)晶熱處理等。通過在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對生產(chǎn)工藝的改進(jìn)優(yōu)化，高錳奧氏體鋼的耐磨性有待進(jìn)一步提高。

［1］張?jiān)鲋?耐磨高錳鋼［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

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［4］張東海.超高性能耐磨高錳鋼及其生產(chǎn)方法：中國，101191180［P］.2008-06-04.

［5］李衛(wèi)，劉英.含鎢高錳鋼：中國，101250675［P］.2008-08-27.

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［7］劉承剛.一種高強(qiáng)度耐磨損耐沖擊的合金鑄鋼及制造工藝：中國，1363712［P］.2002-08-14.

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［11］朱瑞富.SR復(fù)合增強(qiáng)耐磨高錳鋼的研究［J］.材料科學(xué)與工藝，1993（增刊）:70.

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