多元合金化處理對高錳鋼組織和性能的影響

傅定發(fā)+蔡家財+高文理

RE對其進行合金化處理.采用金相顯微鏡、掃描電鏡、力學(xué)性能檢測、沖擊磨料磨損試驗等手段，研究不同合金化處理對高錳鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響.研究結(jié)果表明，合金化處理能細(xì)化高錳鋼晶粒1～2級，改善夾雜物的大小、形態(tài)及分布，并且使高錳鋼的硬度、沖擊韌性和耐磨性有較大幅度提高.其中經(jīng)CrVTiRE合金化處理的試樣綜合性能最優(yōu)，其硬度為217 HBS，沖擊韌性為155 J/cm2，與未經(jīng)合金化處理的試樣相比，分別提高了12.4%，32.5%，并且其耐磨性提高了13.9%～45.4%.在中、低沖擊功下，高錳鋼的磨損機制以鑿坑變形和顯微切削為主；在高沖擊功下，磨損機制主要為疲勞剝落.

關(guān)鍵詞：合金化；顯微組織；耐磨性；高錳鋼；沖擊磨料磨損

中圖分類號：TG142.33 文獻標(biāo)識碼：A

高錳鋼具有優(yōu)良的韌性、加工硬化能力和耐磨性，作為一種良好的耐磨材料被廣泛應(yīng)用于鐵路、礦山、冶金、電力等各個行業(yè).但在非強沖擊載荷下，由于高錳鋼加工硬化不明顯、表面硬度低，因而影響了其耐磨性.為了進一步提高高錳鋼的耐磨性，人們在合金化處理＼[1＼]、熱處理工藝＼[2＼]、表面預(yù)硬化處理＼[3＼]等方面進行了大量研究.研究表明，合金化處理是提高高錳鋼耐磨性的有效途徑之一.通?？刹扇≡谄胀ǜ咤i鋼的成分基礎(chǔ)上加入Cr，V，N等合金元素，從而增強其形變強化能力＼[4-6＼].近年來，多元合金化處理越來越受到人們的重視，發(fā)現(xiàn)添加一種以上的合金元素，比添加單一元素所得到的性能改善效果更明顯.

本文制定了合理的化學(xué)成分和試驗工藝，在普通高錳鋼的成分基礎(chǔ)上進行多元合金化處理，研究合金化處理對高錳鋼組織和性能的影響，從而為獲得更好的高錳鋼性能提供依據(jù).

1試驗材料及方法

1.1化學(xué)成分

為保證高錳鋼同時具有良好的韌性和耐磨性，可適當(dāng)提高錳和碳的含量，高錳鋼的主要化學(xué)成分范圍如表1所示.

對高錳鋼進行合金化處理，合金化處理方案如表2所示.添加的合金原材料為60Cr，純V，純Ti，純稀土Ce和75Nb，其中60Cr，純V和75Nb采用爐內(nèi)加入法，純Ti和純稀土Ce采用包內(nèi)加入法.

1.2試驗工藝

試驗用材料在100 kg中頻感應(yīng)電爐中熔煉，采用不氧化法熔煉工藝，出鋼溫度為1 540～1 560 ℃，澆鑄溫度為1 400～1 420 ℃.試樣澆鑄成標(biāo)準(zhǔn)梅花試塊，鑄型采用呋喃樹脂砂造型.對試樣進行光譜分析，試樣的化學(xué)成分如表3所示.

將梅花試塊進行水韌處理，具體工藝為：將梅花試塊以60～80 ℃/h的加熱速率由室溫升溫至650 ℃并保溫2h，隨后以100～120 ℃/h的加熱速率升溫至1 080 ℃并保溫3 h使其完全奧氏體化，最后迅速放入冷水中.

在MLD10型動載磨料磨損試驗機上進行耐磨性試驗.上試樣為待測試樣，用線切割的方法加工至10 mm×10 mm×30 mm，下試樣為圓環(huán)形的40Cr鋼（HRC50～55），磨料是粒度為1～2 mm的石英砂.進行試驗時，下試樣以200 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，上試樣以200 次/min的頻率沖擊下試樣，選取的沖擊功有1 J，2 J，3 J，4 J，磨料以15 kg/h的流量流入上下試樣之間，試驗時間為90 min.待測試樣在裝機前后均用丙酮超聲波清洗并烘干，在精度為0.1 mg的光學(xué)天平上測量待測試樣在磨損前后的質(zhì)量，以其磨損失重的倒數(shù)表示耐磨性ε.

沖擊試樣為標(biāo)準(zhǔn)U型缺口，測定三個試樣的沖擊值求平均值.硬度測試在HB3000型硬度計上進行，測定5個點求平均值.試樣經(jīng)研磨、拋光后用4%硝酸酒精腐蝕，在OLYMPUS GX71金相顯微鏡下進行顯微組織觀察.利用FEI Quanta200型掃描電鏡對沖擊斷口形貌和磨損表面形貌進行觀察.

2試驗結(jié)果與分析

2.1合金化處理對高錳鋼顯微組織的影響

圖1為不同合金化處理高錳鋼的熱處理金相組織，表4為不同合金化處理高錳鋼熱處理后的平均晶粒尺寸.可見，高錳鋼經(jīng)水韌處理后碳化物基本已完全固溶于奧氏體中，為單一奧氏體組織.未經(jīng)合金化處理的1號試樣的平均晶粒尺寸為180.6 μm，晶粒尺寸粗大.而經(jīng)CrVTiRE，CrVTi，CrRE和VTiNbRE合金化處理的2號、3號、4號和5號試樣的平均晶粒尺寸分別為117.1 μm，130.2 μm，162.7 μm和100.2 μm，晶粒細(xì)化了1～2級.同時還可看出，未經(jīng)合金化處理的1號試樣中夾雜物數(shù)量多、尺寸大，并且大多數(shù)呈尖角狀或長條狀分布于晶界處.而經(jīng)合金化處理后，夾雜物數(shù)量減少、尺寸變小、形狀變圓，并且彌散分布于基體中.

合金化處理可以顯著細(xì)化晶粒，是由于稀土是表面活性元素，它可以與鋼液中的O，S相互作用，形成高熔點的稀土氧化物、稀土硫化物.另外， V，Ti，Nb都是強烈的碳化物、氮化物形成元素，它們可以與鋼中的C，N形成高熔點的碳、氮化合物.在一定的條件下這些高熔點的稀土氧化物、稀土硫化物以及碳、氮化合物可作為鋼液的異質(zhì)形核核心.根據(jù)Tumbell和Vonnegut＼[7＼]提出的異質(zhì)形核理論，作為形核劑需要具備以下兩個條件：一是具有高于液相熔點的高熔點相；二是高熔點相與液相金屬在某些低指數(shù)面中具有低的錯配度.一般可認(rèn)為，當(dāng)兩相錯配度小于12%時，高熔點相可以作為異質(zhì)形核核心，從而促進液態(tài)金屬形核，細(xì)化鑄態(tài)組織.并且錯配度越小，高熔點相越易成為異質(zhì)形核核心，細(xì)化效果越好.李玉清＼[8＼]研究了VC對GH36合金的變質(zhì)作用，認(rèn)為VC和γFe的錯配度為8.38%.蘭杰等＼[9＼]對CH13鋼進行了研究，發(fā)現(xiàn)γFe的（001）面在Ce2O3的（0001）面上形核的錯配度為5.92%.陳祥等＼[10＼] 研究了稀土、釩、鈦變質(zhì)處理對高硅鑄鋼晶粒細(xì)化的影響，得出TiC，TiN與γFe的錯配度分別為12.53%和10.61%.謝敬佩等＼[11＼]研究了鈮、氮在中錳奧氏體鋼中的作用，發(fā)現(xiàn)NbN，Nb2C與γFe的錯配度分別為7.69%和6.79%.可見，這些高熔點相與γFe的錯配度都較低，因此它們可以作為奧氏體結(jié)晶時的異質(zhì)形核核心，細(xì)化高錳鋼鑄態(tài)組織.

合金化處理可以減少夾雜物數(shù)量，改善夾雜物大小、形狀及分布狀況，是由于稀土和O，S的親和力強，稀土的加入首先與O，S形成稀土化合物，這些稀土化合物密度小、熔點高，易上浮到鋼液表面進入熔渣而排出，從而使鋼液得到一定程度的凈化，減少夾雜物的數(shù)量.同時，高熔點的稀土化合物以及V，Ti，Nb與C，N形成的碳、氮化合物作為異質(zhì)形核核心，可以促進鋼液形核，從而抑制夾雜物的進一步長大，使夾雜物以球狀彌散分布于基體中.

2.2合金化處理對高錳鋼力學(xué)性能的影響

不同合金化處理高錳鋼的力學(xué)性能如表5所示.可以看出，未經(jīng)合金化處理的1號試樣硬度較低，而經(jīng)合金化處理后，硬度有所增大，這是細(xì)晶強化、固溶強化和彌散強化綜合作用的結(jié)果.如前所述，高錳鋼經(jīng)合金化處理后晶粒顯著細(xì)化，細(xì)晶強化提高了基體硬度.同時，Cr，V，Ti，Nb，稀土等合金元素一部分溶入奧氏體基體中，使晶格強烈畸變，起固溶強化作用；另一部分與C形成高硬度的碳化物，這些硬質(zhì)點彌散分布于基體中，進一步增加了高錳鋼的硬度.

從表5中還可看出，合金化處理有助于提高高錳鋼的沖擊韌性，其中經(jīng)CrVTiRE合金化處理的 2號試樣的沖擊韌性最高，達到了155 J·cm-2，與未經(jīng)合金化處理的1號試樣相比，提高了32.5%.圖2為不同合金化處理高錳鋼的沖擊斷口形貌.由圖可看出，所有試樣都存在著大量的韌窩，大韌窩之間布滿了小韌窩，并且有一些由于塑性撕裂而造成的撕裂棱，屬于典型的韌性斷裂.未經(jīng)合金化處理的1號試樣中韌窩比較細(xì)小、平均深度較淺（圖2（a））.經(jīng)合金化處理后，韌窩的平均尺寸變大、平均深度也變深（圖2（b），（c），（d）和（e）），沖擊韌性提高.其中，經(jīng)CrVTiRe合金化處理的2號試樣中的韌窩為等軸狀（圖2（b）），韌窩大而深，說明試樣在斷裂之前發(fā)生了很大的塑性變形，對應(yīng)著最高的沖擊韌性.

沖擊韌性的大小主要受到裂紋形成和擴展兩個階段的影響＼[12＼].當(dāng)發(fā)生沖擊斷裂時，高錳鋼中的夾雜物在形變過程中會強烈地阻礙位錯的運動，造成位錯塞積，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中.在未經(jīng)合金化處理的1號試樣中，夾雜物數(shù)量多、尺寸大，大多數(shù)呈尖角狀或長條狀分布在晶界處，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且這些夾雜物往往脆性較大，因此裂紋容易在其附近形核并擴展，使得沖擊韌性較低.通過合金化處理后，夾雜物數(shù)量減少、體積變小，并且夾雜物以球狀彌散分布于基體中，減緩了應(yīng)力集中，從而減少了它們對基體的危害.同時，合金化處理還細(xì)化了晶粒組織，使得裂紋擴展需要消耗更多的能量，增加了裂紋擴展的阻力，從而提高其沖擊韌性.

2.3合金化處理對高錳鋼耐磨性的影響

圖3為不同合金化處理高錳鋼的耐磨性隨沖擊功大小的變化情況.可以看出，未經(jīng)合金化處理的1號試樣和經(jīng)VTiNbRE合金化處理的 5號試樣的耐磨性隨著沖擊功的增大而增加；而經(jīng)CrVTiRE合金化處理的2號試樣、經(jīng)CrVTi合金化處理的3號試樣和經(jīng)CrRE合金化處理的4號試樣，其耐磨性隨沖擊功的增大呈先增加后降低的趨勢，并且當(dāng)沖擊功為3 J時耐磨性最好.經(jīng)合金化處理后，試樣的耐磨性顯著提高，其中經(jīng)CrVTiRE合金化處理的2號試樣的耐磨性能最好，與未合金化處理的1號試樣相比，其耐磨性提高了13.9%～45.4%.

沖擊功/J

圖4是經(jīng)CrVTiRE合金化處理的2號試樣在不同沖擊功下的磨損表面形貌，可見在低沖擊功（1 J）下，試樣磨損面上發(fā)生了滾碾擠壓塑性變形，出現(xiàn)了大量犁溝和鑿坑（圖4（a））.這是由于當(dāng)沖擊功較低時，試樣表面加工硬化不充分，表面硬度較低，磨料壓入試樣的深度較深.此時的磨損機制以鑿坑變形和顯微切削為主.隨著沖擊功增大到2 J，3 J（中沖擊功），高錳鋼的變形程度增加，位錯密度增大、孿晶數(shù)量增加，試樣表面的加工硬化程度提高＼[13＼]，從而使表面硬度增大，磨損面上的鑿坑和切痕變淺（圖4（b），（c）），耐磨性提高.此時的磨損機制主要為淺小鑿坑變形和顯微切削.當(dāng)沖擊功進一步增大到4 J時（高沖擊功），試樣表面產(chǎn)生了嚴(yán)重的加工硬化，使得韌塑性下降，在沖擊載荷及磨粒的反復(fù)作用下，試樣塑性變形能力耗盡，容易達到疲勞極限而產(chǎn)生裂紋，從而出現(xiàn)塊狀疲勞脫落（圖4（d）），耐磨性急劇降低.此時的磨損機制主要為疲勞剝落.圖4（d）凹坑中的白亮區(qū)域是殘存的石英砂粉末.

高錳鋼進行合金化處理后能提高耐磨性，可從兩方面進行解釋.一方面，合金化處理不但使晶粒細(xì)化，而且在基體中生成了彌散質(zhì)點.這些晶界和彌散質(zhì)點強烈阻礙了位錯的運動，使得位錯密度提高，形成位錯纏結(jié)和胞狀亞結(jié)構(gòu)，增強了高錳鋼的加工硬化能力，從而提高磨面硬度.另一方面，合金化處理改善了高錳鋼的夾雜物形態(tài)和分布，提高了沖擊韌性，從而有利于抑制裂紋的產(chǎn)生和擴展，提高抗疲勞剝落磨損的能力＼[14＼].

3結(jié)論

1）進行多元合金化處理后，在高錳鋼中形成大量的高熔點化合物，并且這些化合物與奧氏體相具有較低的錯配度，可以強烈地促進異質(zhì)形核，從而顯著細(xì)化高錳鋼晶粒；同時多元合金化處理可以減少夾雜物的數(shù)量，改善夾雜物大小、形狀并使之彌散分布于基體中.

2）進行多元合金化處理后，高錳鋼的硬度、沖擊韌性以及在低、中、高沖擊功下的耐磨性均有較大幅度提高.其中經(jīng)CrVTiRE合金化的試樣綜合性能最好，其硬度為217HBS，沖擊韌性為155 J/cm2，比未經(jīng)合金化處理的試樣分別提高了12.4%，32.5%，耐磨性提高了13.9%～ 45.4%.

3）高錳鋼的沖擊磨料磨損機制和沖擊功大小有關(guān).在低、中沖擊功（1 J，2 J，3 J）下，高錳鋼的磨損機制以鑿坑變形和顯微切削為主；在高沖擊功（4 J）下，磨損機制主要為疲勞剝落.

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