礦山機(jī)械ZGMn13 高錳鋼熱處理工藝研究＊

陳席國，張恩銘，李東方

(衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 衢州 324000)

高錳鋼因其力學(xué)性能優(yōu)異、生產(chǎn)成本低廉而被廣泛用于制造有較高耐磨性能要求的機(jī)械零部件，如挖掘機(jī)斗齒、球磨機(jī)襯板、鐵路軌道等[1]。但高錳鋼在非強(qiáng)烈沖擊載荷下使用時(shí)，不能表現(xiàn)出良好的加工硬化性能，用其制造的產(chǎn)品耐磨損性能較差[2-3]。針對此類高錳鋼加工硬化效果不佳的現(xiàn)象，目前提出了多種改進(jìn)方法，如通過冷軋+熱處理、多元變質(zhì)+時(shí)效處理相結(jié)合方式使其晶粒細(xì)化提高高錳鋼的性能；通過降低碳、錳含量，并加入適量鉻、鉬、釩等元素改善高錳鋼的硬度和耐磨性[4-5]。此外，由圖1 所示Fe-Mn-C 三元系相圖可知，當(dāng)高錳鋼（含碳1%）升溫到450℃～800℃的時(shí)候，組織內(nèi)會(huì)發(fā)生共析反應(yīng)形成珠光體。如Martin[6]發(fā)現(xiàn)在450℃以上對錳鋼應(yīng)用低溫預(yù)等溫處理會(huì)促進(jìn)珠光體轉(zhuǎn)變，珠光體的生長是從奧氏體晶界開始或在晶內(nèi)。珠光體的生長形成了新的晶粒，其尺寸比原奧氏體小，進(jìn)而在一定程度細(xì)化原奧氏體晶粒，提高其力學(xué)性能。本文以某廠礦山機(jī)械用成品高錳鋼鑄件為研究對象，對其鑄態(tài)微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析，并取樣進(jìn)行熱處理工藝優(yōu)化，擬研究低溫預(yù)等溫?zé)崽幚韺Ω咤i鋼組織、性能的影響，以期獲得100%奧氏體的同時(shí)獲得更細(xì)小的晶粒組織，進(jìn)而提高高錳鋼的沖擊韌性，并對比不同熱處理前后試樣組織性能，進(jìn)一步分析得出低溫預(yù)等溫處理對高錳鋼鑄件組織性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用材料為某礦山機(jī)械用成品ZGMn13高錳鋼鑄件，其鋼水采用生鐵、錳鐵、合金鋼為原料，先經(jīng)電爐冶煉后再經(jīng)真空精煉（VD）而成，并嚴(yán)格控制鋼水中的氧含量及合金元素的氧化傾向。經(jīng)化學(xué)分析方法獲得其化學(xué)成分如表1 所示，其成分均在國標(biāo)GB/T 5680-1998《高錳鋼鑄件》中所規(guī)定的化學(xué)成分范圍內(nèi)。碳含量的多少對鑄件在沖擊磨損情況下產(chǎn)生加工硬化和沖擊吸收能量影響較大，國標(biāo)要求高錳鋼鑄件含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.90%～1.30%之間，如表1 所示，實(shí)踐證明礦山機(jī)械用鑄件含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.90%～1.05%范圍內(nèi)效果較好。Mn 元素為擴(kuò)大奧氏體相區(qū)元素，在不影響高錳鋼加工硬化性能情況下，較高的含Mn 量有利于提高單一奧氏體組織穩(wěn)定性，能有效抑制鑄態(tài)下碳化物的析出，加速滲碳體在熱處理過程中充分溶解。

表1 ZGMn13 鑄件化學(xué)成分（Wt%）Table 1 Chemical composition of the ZGMn13 steel (Wt%)

鑄態(tài)試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液化學(xué)侵蝕后采用FEI Quanta400型掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖2所示。結(jié)果顯示鑄態(tài)高錳鋼顯微組織為奧氏體及大量有待熱處理去除的碳化物組成的兩相組織。碳化物較均勻，彌散分布于奧氏體晶界和晶內(nèi)，且碳化物呈針狀、塊狀及白色顆粒狀。

不同形態(tài)碳化物EDS 分析結(jié)果如圖3 所示，從EDS分析的定量數(shù)據(jù)顯示白色顆粒狀碳化物中的M n 含量（1 2.1 9%）要低于針狀和塊狀碳化物中的M n 含量（18.05%），但卻含有較高的Mo（31.17%），如圖3B、C 所示。以上表明白色顆粒碳化物為富Mo、Mn 的合金滲碳體（Fe,Mo,Mn）3C，而針狀和塊狀碳化物則為富Mn 的合金滲碳體(Fe,Mn) 3C。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 熱處理工藝

合適的熱處理不但可以使鑄態(tài)高錳鋼組織中的碳化物完全溶解，且能使晶粒盡可能保持細(xì)小。由Fe-Mn-C 三元系相圖可知，含碳0.98%的高錳鋼奧氏體化開始轉(zhuǎn)變溫度在1 000 ℃左右，在此溫度以上，所有碳化物溶解在奧氏體基體中成為固溶體。根據(jù)實(shí)際鑄件尺寸，通過優(yōu)化熱處理工藝以期獲得具有單一奧氏體且組織細(xì)小的高錳鋼鑄件，研究設(shè)計(jì)了如表2所示模擬熱處理方案，為了縮短加熱時(shí)間升溫過程均按100 ℃/h的加熱速度對工件加熱。

表2 熱處理工藝方案Table 2 Heat treatment scheme

冷卻過程為確保足夠快地通過碳化物敏感溫度（400℃～800℃），避免冷卻緩慢導(dǎo)致碳化物再次析出，保溫后迅速將鑄件從爐中拉出投入循環(huán)水中，且控制淬火結(jié)束水溫小于或等于60℃。通過改變第一步溫度來確定其珠光體生長對細(xì)晶產(chǎn)生的影響，改變第二步奧氏體化溫度以了解其對晶粒生長的影響。奧氏體化溫度越低，導(dǎo)致晶粒生長速率越低，有望產(chǎn)生更細(xì)小的晶粒。600℃保溫是為了保證珠光體在450℃～800℃溫度范圍內(nèi)形成[4]。

1.2.2 性能測試和金相檢驗(yàn)

所有熱處理后試樣在去除氧化、脫碳層后進(jìn)行機(jī)械研磨拋光，用4%硝酸酒精溶液化學(xué)侵蝕，在Zeiss 200MAT光學(xué)顯微鏡及配備EDAX Genesis XM2能譜儀的FEI Quanta400掃描電鏡下對不同熱處理狀態(tài)試樣的顯微組織形貌進(jìn)行觀察分析。常溫沖擊試驗(yàn)按照《GB/T229-2007 金屬材料沖擊試驗(yàn)》的標(biāo)準(zhǔn)在CBD500電子擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。硬度檢測按照《GB/T231.1-20079 金屬材料布氏硬度試驗(yàn)》的標(biāo)準(zhǔn)在3000BLD/T布氏硬度計(jì)上進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)不同熱處理工藝處理后的高錳鋼OM、SEM 組織如圖4、圖5、圖6所示。與鑄態(tài)組織相比，所有經(jīng)加熱到奧氏體化溫度并快速水冷處理后的樣品顯微組織中無碳化物存在，所有組織轉(zhuǎn)變?yōu)?00%奧氏體組織，但晶粒大小略有差別。由圖5、圖6 不同固溶處理溫度熱處理高倍及低倍金相組織可知，與1 050℃固溶處理溫度相比在1 100℃固溶處理時(shí)組織中的奧氏體出現(xiàn)了明顯的晶粒粗大，所以本實(shí)驗(yàn)高錳鋼的合適固溶處理溫度為1 050℃，此時(shí)奧氏體均勻化程度較好。且綜合三種熱處理工藝表明，有600℃保溫階段工藝組織相對于直接升溫到1 100℃淬火的HT1100 工藝組織更為細(xì)小。

通過對如圖1 所示Fe-Mn-C 三元系相圖的截面圖（含Mn13%）分析可知，當(dāng)高錳鋼升溫到450℃～ 800℃的時(shí)候，組織內(nèi)會(huì)發(fā)生共析反應(yīng)形成珠光體。研究中對600℃保溫2 h 直接淬火后的顯微組織進(jìn)行了觀察，如圖7 所示，其中黑色塊狀物為析出長大的碳化物，淺色部分為層片狀類珠光體組織。可見當(dāng)高錳鋼在450℃以上溫度低溫預(yù)等溫處理后，組織中碳化物析出、溶解的同時(shí)奧氏體基體組織也在發(fā)生共析分解，在晶界及晶內(nèi)形成珠光體，這一結(jié)果與文獻(xiàn)[6]的結(jié)果一致。繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)奧氏體化處理，當(dāng)加熱溫度達(dá)到奧氏體化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，珠光體將發(fā)生奧氏體重結(jié)晶。重結(jié)晶可在多個(gè)相界上形核，形成多個(gè)保留珠光體晶粒的新奧氏體晶粒，從而在一定程度上細(xì)化原奧氏體組織。

鑄態(tài)和不同熱處理態(tài)高錳鋼布氏硬度和沖擊韌性測試結(jié)果如圖8所示。從圖8(a)可知，鑄態(tài)及不同熱處理態(tài)樣品的硬度值變化不大（190 HB～194 HB），硬度值偏軟，主要是因?yàn)樗袠悠返娘@微組織以奧氏體為主。鑄態(tài)高錳鋼的奧氏體組織中因其含有大量的碳化物，形成了第二相質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化而表現(xiàn)出具有相對較高的硬度值。

高錳鋼熱處理過程是一個(gè)奧氏體的核心在相面上形成及長大的過程，如在高溫下長時(shí)間停留晶粒可能會(huì)長大，使熱處理后的組織較鑄態(tài)粗大。即使高錳鋼的水韌處理對其有固溶強(qiáng)化的作用，但固溶強(qiáng)化對其硬度的作用遠(yuǎn)不及鑄態(tài)組織中碳化物第二相質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化對其硬度的作用，因此經(jīng)1 100℃水韌處理后鋼的硬度較鑄態(tài)有所降低。

經(jīng)HT600-1050 工藝熱處理后，雖然碳化物完全溶解，無第二相強(qiáng)化作用，但其奧氏體晶粒相對細(xì)化，細(xì)化晶粒組織強(qiáng)化作用強(qiáng)于第二相強(qiáng)化，使其處理后硬度值高于其他熱處理工藝樣品硬度值。

韌性是一種材料吸收沖擊能量而不開裂或斷裂的能力。圖8(b)為不同狀態(tài)樣品沖擊韌性結(jié)果，從中可知，熱處理后的樣品沖擊韌性較鑄態(tài)樣品沖擊韌性有了大幅度提高。鑄態(tài)樣品因其在晶界處存在大量合金碳化物，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，為脆性相，使材料脆化降低其沖擊韌性。

經(jīng)HT600-1050 工藝熱處理后樣品表現(xiàn)出較好的沖擊韌性249.4 J，這主要得益于內(nèi)部組織是晶粒相對細(xì)小的單一奧氏體。在細(xì)晶材料中，裂紋擴(kuò)展至其遇到的第一個(gè)晶界之后，它要么在相鄰晶粒內(nèi)重新形核，要么沿著晶界擴(kuò)展，而沿晶界擴(kuò)展是比較容易的路徑。而晶粒越細(xì)，裂紋擴(kuò)展路徑將在更多的晶粒之間和周圍發(fā)生偏離，增加了裂紋的總面積，需要消耗更多的能量，從而使得材料具有較高的沖擊韌性。所以，具有單一奧氏體且組織細(xì)小的高錳鋼韌性較高，在大沖擊力作用下低硬度的奧氏體不易產(chǎn)生裂紋，且更易向硬度更高的馬氏體轉(zhuǎn)變，提高表面耐磨性[5]。

3 結(jié)論

1）熱處理前實(shí)驗(yàn)高錳鋼鑄態(tài)組織中大量粒狀、塊狀和針狀碳化物分布在奧氏體晶界及晶內(nèi)。熱處理后實(shí)驗(yàn)鋼中碳化物溶解進(jìn)入奧氏體，形成單相奧氏體組織，單相組織較多相組織更適應(yīng)高錳鋼力學(xué)性能的要求。

2）對比不同熱處理后實(shí)驗(yàn)鋼的組織和性能，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，HT 600-1050工藝的沖擊韌性功最高，為249.4 J，較直接加熱至1 100℃固溶處理工藝提高40%，說明600℃的低溫預(yù)等溫處理對產(chǎn)生新的珠光體細(xì)晶有積極作用。奧氏體化后形成多個(gè)保留珠光體晶粒的奧氏體晶粒，在一定程度上能夠細(xì)化原奧氏體組織。