改性高錳鋼ZGMn13Cr2組織及性能研究

劉華平 吳智剛 賀立新

摘 要：在傳統(tǒng)高錳鋼成分基礎(chǔ)上添加鉻鉬等合金元素得到改性高錳鋼ZGMn13Cr2，水韌處理后測定試驗材料的力學(xué)性能和耐磨性能，分析磨損時間和沖擊功對其加工硬化效果和耐磨性的影響。結(jié)果表明，與ZGMn13材料相比，改性高錳鋼組織晶粒細(xì)小，硬度、韌性和耐磨性能明顯提高。靜載荷固定磨料磨損條件下，隨著磨損時間增加，合金化高錳鋼的耐磨性是傳統(tǒng)Mn13的1.25倍以上；在2.0J的沖擊功下，合金化高錳鋼表現(xiàn)出較高的加工硬化效果，其抗沖擊磨料磨損性能是傳統(tǒng)高錳鋼的1.4。

關(guān)鍵詞：改性高錳鋼 組織 力學(xué)性能 沖擊磨性

中圖分類號：TG142.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）007-009-03

1 前言

高錳鋼具有較高的耐磨性能和沖擊韌性，因而被廣泛應(yīng)用于球磨機(jī)襯板等易損件。高錳鋼作為耐磨材料，在抵抗強(qiáng)沖擊、大壓力作用下的磨料磨損或鑿削磨損方面，其優(yōu)異的耐磨性是其他材料所無法比擬的。高錳鋼在較大的沖擊載荷或接觸應(yīng)力作用下，其表層迅速產(chǎn)生加工硬化，并有高密度位錯和形變孿晶相繼生成，從而產(chǎn)生高耐磨的表面層，而此時內(nèi)層奧氏體仍保持著良好的韌性。然而，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，普通高錳鋼已經(jīng)不能適應(yīng)某些特殊工況條件的要求，需要進(jìn)一步提高機(jī)械性能和耐磨性能，延長耐磨件的使用壽命。試驗表明，用合金化高錳鋼制作的破碎機(jī)板錘、錘頭、襯板和顎板等耐磨產(chǎn)品的使用壽命和抗磨損能力較普通高錳鋼產(chǎn)品有很大的提高。本文通過加入合金元素對奧氏體高錳鋼進(jìn)行合金化，研究了合金化高錳鋼的顯微組織、力學(xué)性能和耐磨性。

2 實驗方法

2.1 試樣的制備

熔煉采用500kg中頻感應(yīng)電爐，原料是廢鋼、生鐵、高碳錳鐵、鉻鐵、硅鐵、鉬鐵、鈦鐵，用碳粉和硅鈣粉作為還原劑，用鋁終脫氧。按照合金成分嚴(yán)格配料，以保證鋼液質(zhì)量，造型工藝為砂型鑄造，澆注成標(biāo)準(zhǔn)鑄鋼楔形試塊，高錳鋼澆注溫度不低于1500℃，改性高錳鋼澆注溫度1480-1500℃。表1是傳統(tǒng)高錳鋼ZGMn13和改性高錳鋼ZGMn13Cr2的化學(xué)成分。采用線切割在試塊下部截取金相試樣、標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣、沖擊試樣及耐磨損試樣。

表1 試驗材料化學(xué)成分/%

2.2 熱處理工藝及性能檢測

試樣的熱處理工藝參數(shù)為：采用80～100℃/h的速率將試樣加熱至600℃保溫6h，再加熱升溫到1080～1100℃保溫4h，水淬。

拉伸性能測試采用INSTRON 5587 300kN電子材料試驗機(jī)，沖擊韌度測試采用JB-300B型試驗機(jī)，用電動洛氏HRD-150硬度計測試材料的硬度，硬度值取7點(diǎn)的平均值，用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣的顯微組織和沖擊斷口形貌。

靜載磨損試驗采用ML-100型銷盤式磨料磨損試驗機(jī)，試驗?zāi)コ?0.7 m、磨料180目砂紙、載荷6 N。動載荷沖擊磨料磨損試驗在MLD-10型沖擊磨損試驗機(jī)上進(jìn)行。沖錘質(zhì)量10kg，選取的沖擊功為0.5J，1.0J，2.0J和3.0J，對應(yīng)沖錘落體高度為5mm、10mm、20mm和30mm。上試樣為試驗材料，裝機(jī)前預(yù)磨處理。下試樣為GCr15，經(jīng)840℃油淬處理，硬度為HRC62～64。試驗時，下試樣以200r/min的速度旋轉(zhuǎn)，上試樣以200次/min的頻率沖擊下試樣，磨料以350ml/min的流量流入兩試樣之間。磨料為鵝卵石，粒度為1～3mm，硬度為HV1237.0。磨損時間為60min，磨損后用酒精清洗，采用精度為10-4g的TG-328型光電分析天平稱重，將同樣條件下3個試樣磨損失重的平均值作為該材料的磨損量，每磨損10min取下試樣經(jīng)酒精清洗后測量磨損表面硬度。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 力學(xué)性能分析

對傳統(tǒng)的ZGMn13襯板和改性高錳鋼ZGMn13Cr2的力學(xué)性能進(jìn)行分析，具體結(jié)果見表2?？梢钥闯觯瑑煞N材料的初始屈服強(qiáng)度較低，既使是加工硬化后的ZGMn13屈服強(qiáng)度也僅為420MPa左右，較使用前僅提高9.6%。與ZGMn13材料相比，改性高錳鋼化學(xué)成分中錳碳比達(dá)到了8～9的最佳配比，使得熱處理后高錳鋼的硬度和沖擊韌度達(dá)到良好的匹配。具有較高的抗拉強(qiáng)度、沖擊韌度和硬度，沖擊韌度和硬度和加工硬化后的ZGMn13接近。改性高錳鋼中添加的Cr、Mo、Ti均能提高鋼的淬透性，得到馬氏體，而且形成的碳化物與基體形成共格后不易聚集長大，有強(qiáng)的二次硬化效應(yīng)，因而具有較高的硬度。

表2 試驗材料的力學(xué)性能

3.2 微觀組織分析

圖1是SEM下ZGMn13和ZGMn13Cr2的微觀組織。從圖可以看出，ZGMn13晶粒較為粗大，而改性高錳鋼ZGMn13Cr2晶粒較為細(xì)小，與表2中其力學(xué)性能的提高相對應(yīng)。兩種材質(zhì)晶界上均無大塊或連續(xù)的網(wǎng)狀碳化物析出，表明已經(jīng)過了良好的水韌處理；在晶內(nèi)未發(fā)現(xiàn)任何彌散的碳化物析出。改性高錳鋼中的Mo、Ti是較強(qiáng)碳化物形成元素，降低了鋼中碳活度，且其碳化物穩(wěn)定不易長大，所以能細(xì)化晶粒。

圖1 試驗材料的微觀組織

3.3 沖擊斷口形貌分析

圖2是ZGMn13和ZGMn13Cr2的沖擊斷口形貌。從圖中可以看出，在高錳鋼斷口中可以看到解理臺階和少量的韌窩，屬于準(zhǔn)解理斷裂，沖擊功67.3J；改性高錳鋼斷口形貌中有一些較大韌窩，并且在大韌窩的周圍又分布著許多細(xì)密的小韌窩，其沖擊韌性有了較大改善，沖擊功大于145J。沖擊斷口形貌分析與力學(xué)性能測試和顯微組織形貌分析較吻合，改性高錳鋼韌性提高的主要原因是合金元素對組織的細(xì)化作用。

圖2 沖擊斷口SEM形貌

3.4 磨損性能分析

本試驗將傳統(tǒng)高錳鋼試樣作為標(biāo)準(zhǔn)試樣，其相對耐磨性看作1.00，合金化高錳鋼的相對耐磨性是其耐磨性與傳統(tǒng)高錳鋼耐磨性的比值。表3是靜載磨損試驗條件下的磨損試驗結(jié)果。結(jié)果表明，改性高錳鋼的耐磨性提高了25%。改性高錳鋼耐磨性的提高是強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、Ti增強(qiáng)材料強(qiáng)度的結(jié)果，而且基體良好的塑韌性也對增強(qiáng)析出相起到了較好的鑲嵌保護(hù)作用，阻礙了磨損過程中裂紋的形成和擴(kuò)展，這些因素綜合作用的結(jié)果都有利于材料耐磨性能的提高。

沖擊磨料磨損的試驗結(jié)果見表4，由試驗數(shù)據(jù)可以看出合金化高錳鋼ZGMn13Cr2在沖擊功較低的條件下其耐磨性相對傳統(tǒng)高錳鋼提高較低，在高沖擊功條件下其耐磨性提高較多，沖擊功為2.0J時，其耐磨性是傳統(tǒng)Mn13的1.40倍。

表3 試驗材料的相對耐磨性

表4 沖擊磨料磨損試驗結(jié)果

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)可繪制出試驗材料的耐磨性與沖擊功的關(guān)系，如圖3所示。由圖可知，沖擊功為0.5J時，試驗材料的耐磨性差別不大。而傳統(tǒng)Mn13由于初始硬度低，耐磨性最差。隨著沖擊磨損的進(jìn)行，奧氏體錳鋼加工硬化效果不顯著，抗沖擊磨料磨損性能較低。當(dāng)沖擊功為1.0J時，合金化高錳鋼ZGMn13Cr2的耐磨性與0.5J時基本沒有變化，合金化高錳鋼在低沖擊工況條件下加工硬化效果弱，隨著沖擊功的增加，其加工硬化效果顯著提高，抗沖擊磨料磨損能力明顯增加。當(dāng)沖擊功增大到2.0J時，ZGMn13Cr2的耐磨性達(dá)到一個峰值，其耐磨性是傳統(tǒng)Mn13的1.40倍。繼續(xù)增加沖擊功，其耐磨性有下降趨勢。

圖3 沖擊功與耐磨性的關(guān)系

磨損60min后試驗材料磨面硬度和沖擊功的關(guān)系如圖4所示。由圖4看出：隨著沖擊功的增加，傳統(tǒng)Mn13的硬度在1.0J以后增加緩慢，基本穩(wěn)定在HB340。而合金化高錳鋼ZGMn13Cr2硬度增加幅度較大，在沖擊功為2.0J時，其硬度達(dá)到最大值HB440，合金化高錳鋼加工硬化效果顯著。

圖4 磨損60min后試樣磨面硬度與磨損沖擊功的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)高錳鋼Mn13相比，改性高錳鋼ZGMn13Cr2的晶粒較為細(xì)小，材料的硬度和韌性得到提高。

（2）靜載荷固定磨料磨損條件下，隨著磨損時間增加，合金化高錳鋼的耐磨性是傳統(tǒng)Mn13的1.25倍以上；在高沖擊功（≥2.0J）時，合金化高錳鋼表現(xiàn)出較高的加工硬化效果，其抗沖擊磨料磨損性能是傳統(tǒng)高錳鋼的1.4。

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