多元合金化處理對(duì)高錳鋼組織和性能的影響＊

傅定發(fā)，蔡家財(cái)，高文理

（湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

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(gè)行業(yè)．但在非強(qiáng)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(jìn)一步提高高錳鋼的耐磨性，人們?cè)诤辖鸹幚恚?］、熱處理工藝［2］、表面預(yù)硬化處理［3］等方面進(jìn)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．通常可采取在普通高錳鋼的成分基礎(chǔ)上加入Cr，V，N 等合金元素，從而增強(qiáng)其形變強(qiáng)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(yàn)工藝，在普通高錳鋼的成分基礎(chǔ)上進(jìn)行多元合金化處理，研究合金化處理對(duì)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(yàn)材料及方法

1．1 化學(xué)成分

為保證高錳鋼同時(shí)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．

表1 高錳鋼主要化學(xué)成分范圍Tab．1 Chemical composition of Hadfield steels

對(duì)高錳鋼進(jìn)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．

表2 試驗(yàn)的合金化處理方案Tab．2 Experimental programs

1．2 試驗(yàn)工藝

試驗(yàn)用材料在100kg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(duì)試樣進(jìn)行光譜分析，試樣的化學(xué)成分如表3所示．

表3 試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab．3 Chemical composition of the specimens（wt%）

將梅花試塊進(jìn)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3h使其完全奧氏體化，最后迅速放入冷水中．

在MLD－10型動(dòng)載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)．上試樣為待測(cè)試樣，用線切割的方法加工至10mm×10 mm×30 mm，下試樣為圓環(huán)形的40Cr鋼（HRC50～55），磨料是粒度為1～2mm 的石英砂．進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，下試樣以200r／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1J，2J，3J，4J，磨料以15kg／h的流量流入上下試樣之間，試驗(yàn)時(shí)間為90 min．待測(cè)試樣在裝機(jī)前后均用丙酮超聲波清洗并烘干，在精度為0．1mg的光學(xué)天平上測(cè)量待測(cè)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(cè)定三個(gè)試樣的沖擊值求平均值．硬度測(cè)試在HB3000型硬度計(jì)上進(jìn)行，測(cè)定5 個(gè)點(diǎn)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(jìn)行顯微組織觀察．利用FEI Quanta－200型掃描電鏡對(duì)沖擊斷口形貌和磨損表面形貌進(jìn)行觀察．

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 合金化處理對(duì)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(hào)試樣的平均晶粒尺寸為180．6μm，晶粒尺寸粗 大．而經(jīng)Cr－V－Ti－RE，Cr－V－Ti，Cr－RE 和V－Ti－Nb－RE合金化處理的2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào) 和5 號(hào)試樣的平均晶粒尺寸分別為117．1μm，130．2μm，162．7μm 和100．2μm，晶粒細(xì)化了1～2級(jí)．同時(shí)還可看出，未經(jīng)合金化處理的1號(hào)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(diǎn)的稀土氧化物、稀土硫化物．另外，V，Ti，Nb都是強(qiáng)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(diǎn)的碳、氮化合物．在一定的條件下這些高熔點(diǎn)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(gè)條件：一是具有高于液相熔點(diǎn)的高熔點(diǎn)相；二是高熔點(diǎn)相與液相金屬在某些低指數(shù)面中具有低的錯(cuò)配度．一般可認(rèn)為，當(dāng)兩相錯(cuò)配度小于12%時(shí)，高熔點(diǎn)相可以作為異質(zhì)形核核心，從而促進(jìn)液態(tài)金屬形核，細(xì)化鑄態(tài)組織．并且錯(cuò)配度越小，高熔點(diǎn)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(duì)GH36合金的變質(zhì)作用，認(rèn)為VC和γ－Fe的錯(cuò)配度為8．38%．蘭杰等［9］對(duì)CH13鋼進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)γ－Fe的（001）面在Ce2O3的（0001）面上形核的錯(cuò)配度為5．92%．陳祥等［10］研究了稀土、釩、鈦?zhàn)冑|(zhì)處理對(duì)高硅鑄鋼晶粒細(xì)化的影響，得出TiC，TiN 與γ－Fe的錯(cuò)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γ－Fe的錯(cuò)配度分別為7．69%和6．79%．可見，這些高熔點(diǎn)相與γ－Fe的錯(cuò)配度都較低，因此它們可以作為奧氏體結(jié)晶時(shí)的異質(zhì)形核核心，細(xì)化高錳鋼鑄態(tài)組織．

表4 不同合金化處理高錳鋼熱處理后的平均晶粒尺寸Tab．4 Average grain size of the specimens after heat treatment

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(qiáng)，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(diǎn)高，易上浮到鋼液表面進(jìn)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(shí)，高熔點(diǎn)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(jìn)鋼液形核，從而抑制夾雜物的進(jìn)一步長大，使夾雜物以球狀彌散分布于基體中．

圖1 不同合金化處理高錳鋼的熱處理金相組織Fig．1 Microstructure of the specimens after heat treatment

2．2 合金化處理對(duì)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(hào)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(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)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(qiáng)化提高了基體硬度．同時(shí)，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(qiáng)烈畸變，起固溶強(qiáng)化作用；另一部分與C 形成高硬度的碳化物，這些硬質(zhì)點(diǎn)彌散分布于基體中，進(jìn)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)Cr－V－Ti－RE合金化處理的2號(hào)試樣的沖擊韌性最高，達(dá)到了155J·cm－2，與未經(jīng)合金化處理的1號(hào)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(hào)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)Cr－V－Ti－Re合金化處理的2號(hào)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(duì)應(yīng)著最高的沖擊韌性．

表5 不同合金化處理高錳鋼的力學(xué)性能Tab．5 Mechanical properties of the specimens

沖擊韌性的大小主要受到裂紋形成和擴(kuò)展兩個(gè)階段的影響［12］．當(dāng)發(fā)生沖擊斷裂時(shí)，高錳鋼中的夾雜物在形變過程中會(huì)強(qiáng)烈地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，造成位錯(cuò)塞積，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中．在未經(jīng)合金化處理的1號(hào)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(kuò)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(duì)基體的危害．同時(shí)，合金化處理還細(xì)化了晶粒組織，使得裂紋擴(kuò)展需要消耗更多的能量，增加了裂紋擴(kuò)展的阻力，從而提高其沖擊韌性．

圖2 不同合金化處理高錳鋼的沖擊斷口形貌（SEM）Fig．2 SEM images of impact fracture morphology of specimens

2．3 合金化處理對(duì)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(hào)試樣和經(jīng)V－Ti－Nb－RE合金化處理的5號(hào)試樣的耐磨性隨著沖擊功的增大而增加；而經(jīng)Cr－V－Ti－RE合金化處理的2號(hào)試樣、經(jīng)Cr－V－Ti合金化處理的3號(hào)試樣和經(jīng)Cr－RE 合金化處理的4號(hào)試樣，其耐磨性隨沖擊功的增大呈先增加后降低的趨勢(shì)，并且當(dāng)沖擊功為3J時(shí)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)Cr－V－Ti－RE 合金化處理的2號(hào)試樣的耐磨性能最好，與未合金化處理的1 號(hào)試樣相比，其耐磨性提高了13．9% ～45．4%．

圖3 不同合金化高錳鋼的耐磨性與沖擊功的關(guān)系Fig．3 Relationship between impact energy and wear resistance of specimens

圖4是經(jīng)Cr－V－Ti－RE合金化處理的2號(hào)試樣在不同沖擊功下的磨損表面形貌，可見在低沖擊功（1J）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(shí)，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(shí)的磨損機(jī)制以鑿坑變形和顯微切削為主．隨著沖擊功增大到2J，3J（中沖擊功），高錳鋼的變形程度增加，位錯(cuò)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(shí)的磨損機(jī)制主要為淺小鑿坑變形和顯微切削．當(dāng)沖擊功進(jìn)一步增大到4J時(shí)（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(dá)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(shí)的磨損機(jī)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(jìn)行合金化處理后能提高耐磨性，可從兩方面進(jìn)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(diǎn)．這些晶界和彌散質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使得位錯(cuò)密度提高，形成位錯(cuò)纏結(jié)和胞狀亞結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)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(kuò)展，提高抗疲勞剝落磨損的能力［14］．

圖4 經(jīng)Cr－V－Ti－Re合金化處理試樣在不同沖擊功下的磨面形貌Fig．4 SEM morphologies of worn surfaces of specimens with adding Cr－V－Ti－RE

3 結(jié) 論

1）進(jìn)行多元合金化處理后，在高錳鋼中形成大量的高熔點(diǎn)化合物，并且這些化合物與奧氏體相具有較低的錯(cuò)配度，可以強(qiáng)烈地促進(jìn)異質(zhì)形核，從而顯著細(xì)化高錳鋼晶粒；同時(shí)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(jìn)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)Cr－V－Ti－RE 合金化的試樣綜合性能最好，其硬度為217HBS，沖擊韌性為155J／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(jī)制和沖擊功大小有關(guān)．在低、中沖擊功（1J，2J，3J）下，高錳鋼的磨損機(jī)制以鑿坑變形和顯微切削為主；在高沖擊功（4J）下，磨損機(jī)制主要為疲勞剝落．

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