水韌處理對(duì)TiC基高錳鋼結(jié)合金組織與性能的影響

肖平安　李晨坤　軒翠華　張霞　宋建勇

摘 要：系統(tǒng)研究了水韌處理對(duì)TiC基高錳鋼結(jié)合金力學(xué)性能的影響，并通過分析合金在處理前后顯微組織結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分的變化闡述了其中的內(nèi)在關(guān)系.經(jīng)過1 050 ℃×6 h水韌處理后，真空燒結(jié)試樣的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性分別提高154.6%和125.3%；對(duì)低壓燒結(jié)試樣則分別提高61.81%和45.38%；對(duì)真空燒結(jié)+低壓燒結(jié)試樣也分別提高65.59%和32.90%.研究結(jié)果表明，水韌處理能夠顯著提高燒結(jié)態(tài)TiC基高錳鋼結(jié)合金的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性.因此，對(duì)燒結(jié)態(tài)TiC基鋼結(jié)合金進(jìn)行水韌處理或者高溫成分均勻化熱處理十分必要，有利于充分發(fā)揮其性能潛力.

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)硬質(zhì)合金；水韌處理；力學(xué)性能；顯微組織

中圖分類號(hào)：TG148 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The effect of water toughening treatment on mechanical properties of high manganese steel bonded TiC hard alloy was systemically investigated， and the microstructure and element distribution of the alloy before and after the treatment were also evaluated by SEM and EDS in order to understand the internal relationship with its properties. The bending strength and impact toughness of high manganese steel bonded TiC hard alloy by normal vacuum sintering were increased by 154.6% and 125.3%， but those of low pressure sintering specimens were increased by 61.81% and 45.38%， and 65.59% and 32.90% for vacuum and low pressure sintering specimens， respectively. The results revealed that water toughening treatment could effectively improve the bending strength and impact toughness of the steel bond hard alloy. Assintered steelbonded TiC hard alloy should be heating treated by water toughening treatment or high temperature homogenizing treatment for better mechanical properties.

Key words：steel bond hard alloy； water toughening treatment； mechanical property； microstructure

TiC基高錳鋼結(jié)合金是以TiC為硬質(zhì)相、高錳鋼為黏結(jié)相的一種優(yōu)質(zhì)抗沖擊耐磨材料，已在水泥、采礦、冶金、建筑、機(jī)械加工和鍋爐制造等行業(yè)獲得越來越廣泛的應(yīng)用[1].據(jù)估算，我國(guó)水泥行業(yè)破碎用鑲鑄錘頭所需要的TiC基高錳鋼結(jié)硬質(zhì)合金鑲塊的年產(chǎn)量已近1 000 t.因此，積極開展相應(yīng)的基礎(chǔ)研究，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)韌度是非常必要的.

TiC基高錳鋼結(jié)合金中基體高錳鋼的性能在很大程度上決定了合金的韌性和耐沖擊性能，而提高普通鑄造高錳鋼性能的標(biāo)準(zhǔn)工藝方法是進(jìn)行水韌處理[2].即首先將高錳鋼加熱至奧氏體區(qū)溫度并保溫一段時(shí)間，使鑄態(tài)組織中的碳化物基本上都固溶到奧氏體中，然后淬入水中快速冷卻，從而得到單一的過冷奧氏體組織[3-4].這種高錳奧氏體在強(qiáng)沖擊磨料磨損的條件下能夠有效地自主強(qiáng)硬化，表現(xiàn)出很好的耐磨性能[5-9].作者至今未見對(duì)TiC基高錳鋼結(jié)合金進(jìn)行水韌處理的研究工作報(bào)道，因此，作者決定對(duì)TiC基高錳鋼結(jié)合金開展水韌處理基礎(chǔ)研究，探索水韌處理對(duì)硬質(zhì)合金組織和性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)方案和方法

實(shí)驗(yàn)用TiC基高錳鋼結(jié)合金耐磨塊由國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)，牌號(hào)為TM52，其主要成分見表1.耐磨塊的尺寸為：55 mm×47 mm×60 mm，在高度方向上帶有3°的錐度.耐磨塊分別采用4種工藝方法生產(chǎn)：1） 常規(guī)壓制+真空燒結(jié)（標(biāo)記為A類）；2） 常規(guī)壓制+低壓燒結(jié)[10]（標(biāo)記為B類）；3） 常規(guī)壓制+真空燒結(jié)+低壓燒結(jié)（標(biāo)記為C類）；4） 常規(guī)壓制+真空燒結(jié)+熱等靜壓[11]（標(biāo)記為D類）.

TiC基高錳鋼結(jié)合金耐磨塊的加熱在SXX413型電阻爐中進(jìn)行，水韌處理溫度選取1 050 ℃；耐磨塊在1 050 ℃保溫6 h后進(jìn)行水淬處理，冷水溫度在30 ℃以下.具體的水韌處理工藝如圖1所示.

對(duì)水韌處理前后的耐磨塊分別進(jìn)行抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性測(cè)試.抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸均為5 mm×5 mm×50 mm，首先通過線切割+表面磨削進(jìn)行加工，然后分別在WDW100型電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和JB5型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用3次測(cè)試結(jié)果的平均值.采用HBRVU187.5型布洛維光學(xué)硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量，每個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用5次測(cè)試結(jié)果的平均值.

采用401MVA型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量鋼結(jié)合金的顯微硬度，每個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用3次測(cè)試結(jié)果的平均值；采用JXA8230型電子探針顯微分析儀分析合金中具體元素的分布情況，采用FEI QUANTA 200型環(huán)境掃描電鏡（SEM）對(duì)水韌處理前后的鋼結(jié)合金顯微組織進(jìn)行觀察及分析，并利用該電鏡自帶能譜分析儀對(duì)燒結(jié)樣品的成分及元素分布變化開展分析；用D8advance型X射線衍射儀（XRD，Cu靶，λ=0.154 05 nm）分析水韌處理前后基體高錳鋼的物相變化.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水韌處理對(duì)TiC基高錳鋼結(jié)合金力學(xué)性能的影響

表2和表3分別為采用不同制備工藝燒結(jié)的耐磨塊在水韌處理前后的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性檢測(cè)結(jié)果.由表2可知，在水韌處理之前B類耐磨塊的抗彎強(qiáng)度最高，而C類和D類耐磨塊的抗彎強(qiáng)度與之相近，都在2 000 MPa以上.但是A類耐磨塊的抗彎強(qiáng)度明顯低于其他方法制備的耐磨塊，也低于TM52的標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)[12].直接通過低壓燒結(jié)制備耐磨塊，由于在壓力下燒結(jié)，能夠充分致密化，而且燒結(jié)時(shí)間相對(duì)比較短，因此強(qiáng)度最高.A類耐磨塊強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)說明該廠生產(chǎn)的耐磨塊可能存在殘留孔隙偏高、集中性大孔隙、環(huán)狀顯微結(jié)構(gòu)、相界面結(jié)合較弱和成分分布不均勻等缺陷.在C類和D類耐磨塊的生產(chǎn)中雖然采用了低壓燒結(jié)和熱等靜壓工藝，但是，由于顯微組織受到前期真空燒結(jié)的影響，因而強(qiáng)度指標(biāo)不能成為最佳.

經(jīng)過水韌處理之后，各類耐磨塊的抗彎強(qiáng)度均有很大程度的提高，相互之間的強(qiáng)度差距明顯縮小.其中A類耐磨塊的抗彎強(qiáng)度提高了154.57%，B類耐磨塊的抗彎強(qiáng)度提高了61.81%，C類耐磨塊的抗彎強(qiáng)度提高了65.59%.水韌處理對(duì)鋼結(jié)合金強(qiáng)度的提升產(chǎn)生顯著的作用，應(yīng)該是高溫保溫改善了合金中的成分分布均勻性，并促進(jìn)了TiC硬質(zhì)相與高錳鋼基體的界面結(jié)合.此外，經(jīng)過綜合對(duì)比水韌處理強(qiáng)化的強(qiáng)度指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，影響TiC基鋼結(jié)合金強(qiáng)度的主要因素是硬質(zhì)相與黏接相的界面結(jié)合強(qiáng)弱和合金成分的均勻性.TiC硬質(zhì)相與基體黏接相的潤(rùn)濕性差，在真空條件下二者的潤(rùn)濕角為10°～30°[12]，因此，界面結(jié)合比較差.水韌處理時(shí)耐磨塊在1 050 ℃保溫6 h，可以改善界面的成分分布，促進(jìn)TiC顆粒與基體的界面相互溶解、擴(kuò)散，增強(qiáng)了TiC硬質(zhì)相與高錳鋼基體的界面結(jié)合，使得強(qiáng)度顯著提高.

由表3可知，雖然經(jīng)過水韌處理之后各類耐磨塊的沖擊韌性獲得了比較明顯的提高，但是總體的沖擊韌性指標(biāo)都比較低.沖擊韌性反映了材料在動(dòng)載荷作用下內(nèi)部裂紋形成的難易和擴(kuò)展的快慢.它與材料的顯微組織結(jié)構(gòu)、硬質(zhì)相分布的均勻性、殘留孔隙數(shù)量與分布、界面結(jié)合強(qiáng)度和成分分布等因素都存在關(guān)聯(lián)[13].經(jīng)過水韌處理后界面結(jié)合強(qiáng)度和成分分布得到了改善，而低壓燒結(jié)和熱等靜壓能夠有效減少和消除殘留孔隙.該廠生產(chǎn)的耐磨塊沖擊韌性低的原因應(yīng)歸結(jié)于顯微組織結(jié)構(gòu)和硬質(zhì)相分布均勻性不理想.

因此，水韌處理是能夠顯著改善TiC基高錳鋼結(jié)合金力學(xué)性能的熱處理方法，特別是對(duì)采用普通真空燒結(jié)方法生產(chǎn)的這類鋼結(jié)合金價(jià)值更高.可以大幅改善合金的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性.

2.2 水韌處理對(duì)TiC基鋼結(jié)合金物相組成的影響

為了分析水韌處理使TiC基高錳鋼結(jié)合金強(qiáng)韌化的原因，作者分析了水韌處理前后鋼結(jié)合金物相組成的變化.圖2和圖3分別是采用真空燒結(jié)和低壓燒結(jié)生產(chǎn)的耐磨塊的XRD檢測(cè)圖譜.由圖可知，TiC基高錳鋼結(jié)合金主要由硬質(zhì)相TiC和黏結(jié)相奧氏體組成，基體中既沒有出現(xiàn)其他碳化物，也沒有生成鐵素體.通過對(duì)比水韌處理前后的XRD分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過水韌處理后，TiC的衍射峰基本上沒有發(fā)生變化，但是基體奧氏體的衍射峰產(chǎn)生了明顯的矮化和寬化現(xiàn)象.

水韌處理的機(jī)理是首先通過高溫固溶使得高錳鋼基體中的Mn， C， Ni和Mo元素盡量溶入高溫奧氏體中，然后借助水淬快冷將高溫奧氏體保留到常溫，防止冷卻過程中析出碳化物和鐵素體，從而得到過飽和固溶的亞穩(wěn)定奧氏體組織.過飽和固溶使得奧氏體的衍射峰發(fā)生了寬化和矮化.

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析可以發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)態(tài)TiC基高錳鋼結(jié)合金的黏接相基體為奧氏體，而經(jīng)過水韌處理后能夠使基體的過飽和度增加，并且合金元素分布更加均勻.

2.3 水韌處理對(duì)TiC基鋼結(jié)合金顯微硬度的影響

為了探究水韌處理改善TiC基高錳鋼結(jié)合金強(qiáng)度的原因，作者選擇真空燒結(jié)耐磨塊為對(duì)象，對(duì)其水韌處理前后的顯微硬度進(jìn)行了分析檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表4.由表中數(shù)據(jù)可以看出，在水韌處理前，在TiC基鋼結(jié)合金的顯微組織中按照TiC大顆?！鶷iC中小顆粒聚集區(qū)→TiC顆粒邊緣的基體→高錳鋼基體的順序，顯微硬度依次降低；其中，基體的顯微硬度明顯低于硬質(zhì)相，而硬質(zhì)相邊緣的基體的硬度又明顯高于遠(yuǎn)離TiC顆粒中心部位的基體，這說明在燒結(jié)過程中硬質(zhì)相與黏接相在界面周圍發(fā)生了比較強(qiáng)的相互作用，進(jìn)行了相互溶解擴(kuò)散，使得二者界面周圍的硬質(zhì)相和黏接相都發(fā)生了成分改變.水韌處理之后TiC大顆粒及其邊緣的顯微硬度基本不變，而TiC中小顆粒聚集區(qū)的顯微硬度提高幅度高達(dá)64%.此外，高錳鋼基體的顯微硬度提高了15%，說明在水韌處理的高溫加熱保溫過程中基體的成分均勻性獲得了改善.

由上述顯微硬度檢測(cè)結(jié)果和分析可看出，水韌處理使得高錳鋼基體進(jìn)一步得到強(qiáng)化，這是TiC基高錳鋼結(jié)合金在水韌處理后強(qiáng)度提高的重要原因之一.

2.4 水韌處理前后TiC基高錳鋼結(jié)合金的EDS分析

為從顯微結(jié)構(gòu)上探究水韌處理改善TiC基鋼結(jié)合金強(qiáng)度和沖擊韌性的原因，作者對(duì)其水韌處理前后真空燒結(jié)耐磨塊的微區(qū)成分變化進(jìn)行了EDS分析.選取的分析位置為：遠(yuǎn)離TiC顆粒的基體內(nèi)部、硬質(zhì)相黏接相界面和TiC顆粒中心.EDS檢測(cè)位置和所獲得的結(jié)果見圖4與表5，及圖5與表6.

由圖4中檢測(cè)位置的分析結(jié)果可知，在水韌處理前，雖然經(jīng)過了較長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)Y(jié)，但是TiC硬質(zhì)相的中心部位除Ti和C外沒有其他元素存在，說明基體元素在硬質(zhì)相中的擴(kuò)散十分緩慢.而在高錳鋼基體中心檢測(cè)出2.12%Ti，說明TiC在高錳鋼中的溶解和擴(kuò)散速度相對(duì)而言要快得多；不過，在相界面附近的基體中檢測(cè)出的Ti高達(dá)13.67%，是基體中心Ti含量的6.42倍.說明高錳鋼基體中存在明顯的Ti的濃度分布梯度，燒結(jié)過程不能使合金成分實(shí)現(xiàn)均勻分布.這不僅說明在燒結(jié)過程中硬質(zhì)相和黏接相在界面上發(fā)生了強(qiáng)烈的相互擴(kuò)散，印證了在顯微硬度檢測(cè)中得到的TiC顆粒在相界面上與高錳鋼基體發(fā)生相互作用的推論，而且也解釋了界面附近基體的顯微硬度比中心部位更高的原因.另外一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是在基體中沒有檢測(cè)出Mo元素.按照文獻(xiàn)[1]報(bào)道，在TiC基鋼結(jié)合金中加入Mo的主要作用之一是在硬質(zhì)相表面形成“包覆相”Mo2C，從而起到在燒結(jié)過程中改善TiC與黏接相鋼基體的潤(rùn)濕性的作用.Mo元素在真空燒結(jié)過程中發(fā)生了重新分布，偏聚在硬質(zhì)相表面，形成了包覆相.

與水韌處理之前相比，圖5中TiC基高錳鋼結(jié)合金顯微組織檢測(cè)位置的EDS分析結(jié)果主要有兩個(gè)方面的變化.一方面在TiC顆粒的中心檢測(cè)到了Fe，Mn和Mo元素，說明水韌處理過程中的保溫進(jìn)一步促進(jìn)了TiC顆粒與基體的界面相互溶解、擴(kuò)散作用，并使得這種作用的影響范圍擴(kuò)展到整個(gè)硬質(zhì)相；另一方面，遠(yuǎn)離硬質(zhì)相的基體中心和臨近硬質(zhì)相邊緣的基體相比，除了后者的Ti含量比前者高約41%之外，其他元素的含量幾乎相同.說明經(jīng)過水韌處理中的長(zhǎng)時(shí)間高溫保溫后基體成分獲得了比較充分的均勻化.這也解釋了水韌處理后基體的顯微硬度提高15%的原因.

從所獲得的水韌處理前后樣品的EDS結(jié)果和上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在TiC基高錳鋼結(jié)合金的燒結(jié)過程中硬質(zhì)相和基體在相界面處發(fā)生了強(qiáng)烈的相互作用，即溶解和互擴(kuò)散.相互作用的結(jié)果是，一方面TiC顆粒的邊緣能夠部分溶解到基體中，由于在燒結(jié)溫度下這種溶解比較強(qiáng)烈，所以在基體內(nèi)形成高的Ti元素濃度分布梯度，因而，可以使得其周圍的基體組織脆化，二者的相界面結(jié)合強(qiáng)度不理想，最終表現(xiàn)為燒結(jié)態(tài)TiC基高錳鋼結(jié)合金強(qiáng)度和韌性都不理想，在此過程中，Mo元素能夠完成偏聚，在硬質(zhì)相表面形成包覆相.另一方面基體合金元素也能夠在硬質(zhì)相中發(fā)生溶解和擴(kuò)散，但是影響范圍十分有限，因?yàn)闊Y(jié)時(shí)間相對(duì)比較短，而且Fe和Mn等合金元素在TiC中的擴(kuò)散溶解比較困難.在水韌處理中高溫保溫不能起到進(jìn)一步強(qiáng)化硬質(zhì)相和基體界面相互溶解和擴(kuò)散的作用，但是使得合金中的元素分布得到了比較充分的均勻化，從而改善了相界面的結(jié)合，進(jìn)而提高了基體高錳鋼的力學(xué)性能.因此，經(jīng)過水韌處理之后TiC基高錳鋼結(jié)合金的力學(xué)性能獲得明顯提高.

3 結(jié) 論

1）對(duì)燒結(jié)TiC基高錳鋼結(jié)合金進(jìn)行水韌處理可以有效提高其抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性，其中又對(duì)真空燒結(jié)產(chǎn)品的效果最為顯著.

2）在TiC基高錳鋼結(jié)合金的燒結(jié)過程中硬質(zhì)相基體界面發(fā)生了強(qiáng)烈的相互溶解和擴(kuò)散，使得基體中形成了高的Ti濃度分布梯度，不利于相界面的有效結(jié)合.

3）水韌處理提高TiC基高錳鋼結(jié)合金的力學(xué)性能不是通過進(jìn)一步強(qiáng)化硬質(zhì)相基體的界面相互作用，而是因?yàn)楦纳破渲性胤植季鶆蛐?，起到了?yōu)化相界面結(jié)合的作用.

4）對(duì)燒結(jié)態(tài)TiC基鋼結(jié)合金應(yīng)進(jìn)行類似于水韌處理的熱處理，以進(jìn)一步改善其力學(xué)性能，充分發(fā)揮其作為優(yōu)質(zhì)耐磨材料的潛能.

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