合金化處理對高錳鋼組織與性能的影響*

萬文鋒，劉漢代，莊文瑋，張 飄，智海旭，彭 偉

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

高錳鋼因其固有的韌性及其耐磨性，被用于生活中各個(gè)領(lǐng)域，尤其是鐵路、礦山等行業(yè)[1－3]。ZGMn13 高錳鋼在應(yīng)用方面更具代表性。合金化處理高錳鋼的研究也是比較盛行，但是高錳鋼也存在一些問題，比如高錳鋼必須在加工硬化后才能表現(xiàn)出良好的耐磨性，因而在強(qiáng)沖擊載荷下耐磨效果更好。隨著對高錳鋼的使用要求愈發(fā)嚴(yán)格，需要提高其使用性能，學(xué)者們深入地探究其機(jī)理，發(fā)現(xiàn)合金化處理能充分提高高錳鋼的力學(xué)性能。合金化是在高錳鋼中添加一些稀有的金屬元素，從而增強(qiáng)其形變強(qiáng)化能力[4－6]。通過固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用于基體，提高其性能。本文通過合理分析，制定了一套完整的實(shí)驗(yàn)工藝和方案。在ZGMn13高錳鋼中用釩、鈦、稀土進(jìn)行合金化處理。設(shè)置了不同的含量成分梯度，探討合金化處理的研究對高錳鋼各力學(xué)性能的影響，分別對各機(jī)械性能的最佳含量成分進(jìn)行研究，得出了一個(gè)合理的結(jié)果，從而為實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本次研究所用的材料為傳統(tǒng)的高錳鋼和經(jīng)過合金化處理的高錳鋼。表1所示為實(shí)驗(yàn)所用的傳統(tǒng)高錳鋼ZGMn13的化學(xué)成分，高錳鋼材料經(jīng)熔煉、澆鑄和鍛造后加工成圓棒，經(jīng)粗加工、精加工后，切割加工成直徑為φ16.0 mm、軸向高度為8 mm 的金相試樣，以及直徑為φ16 mm、軸向高度為12 mm硬度試樣。

表1 未合金化高錳鋼的化學(xué)成分Table.1 Chemical composition of unalloyed high manganese steel

傳統(tǒng)的高錳鋼的化學(xué)成分范圍如表2 所示，本試驗(yàn)材料經(jīng)熔煉、鍛造、澆鑄，切割成小試環(huán)對頂件磨損試樣和銷磨損試樣。

表2 合金化高錳鋼的化學(xué)成分Table.2 Chemical composition of alloyed high manganese steel

高錳鋼的固溶所用的溫度范圍一般為1 050～1 080 ℃。經(jīng)過合金化處理的高錳鋼會(huì)產(chǎn)生合金的滲碳體。相對于未合金化的高錳鋼性能更加穩(wěn)固，因此固溶溫度需要提高，一般為30～50 ℃；保溫一段時(shí)間后水冷，就能獲得單一奧氏體組織，從而使其沖擊韌性大大提高。合金化高錳鋼組織中的碳化物析出、溶解的同時(shí)，基體組織也會(huì)隨著變化；設(shè)置的550 ℃主要是形成珠光體；然后加熱到650 ℃珠光體將重結(jié)晶在相界上形核。此實(shí)驗(yàn)中熱處理的鑄件都是小型鑄件（壁厚小于40 mm）。依據(jù)樣品尺寸等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)了水韌處理工藝，如圖1所示。

圖1 水韌處理方案Fig.1 Water toughness treatment scheme

利用4XD－2 雙目倒置金相顯微鏡對未進(jìn)行合金化的高錳鋼和合金化的高錳鋼進(jìn)行觀察，并測量多次數(shù)據(jù)尺寸，計(jì)算其平均晶粒尺寸。

利用CMT5605 電子萬能試驗(yàn)機(jī)對兩類試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，用HR－150A洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行硬度的測試，其中實(shí)驗(yàn)所用的拉伸加載速率設(shè)為1 mm/min。隨后將拉伸試樣的斷口置于FEI Nova Nano SEM 450 的場發(fā)射電子掃描顯微鏡下進(jìn)行觀察。

利用MMW－1立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對高錳鋼、合金高錳鋼進(jìn)行磨損試驗(yàn)，本次摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)定轉(zhuǎn)速為300 r/min，每次試驗(yàn)最多可裝夾3件試樣銷。試驗(yàn)前，將試樣做標(biāo)準(zhǔn)化處理，用酒精清洗后，吹風(fēng)機(jī)吹干，再用0.1‰光電天平稱取每組2～3件試樣的總質(zhì)量記錄為實(shí)驗(yàn)前質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后使用無水乙醇清洗試樣，去除磨屑，清洗完畢后吹干，再次使用天平進(jìn)行稱重，記錄為試驗(yàn)后質(zhì)量。最終計(jì)算出實(shí)驗(yàn)前后各組試樣銷的質(zhì)量差即為磨損的質(zhì)量。以試樣磨損質(zhì)量與試驗(yàn)前的質(zhì)量之比作為磨損率來衡量材料的耐磨性。

2 合金化處理實(shí)驗(yàn)

本次研究內(nèi)容為探究合金化處理對高錳鋼的影響，是在普通高錳鋼的成分基礎(chǔ)上添加釩、鈦、稀土等合金元素，根據(jù)添加的合金元素的差異，試樣被分為4 組，#1 試樣為未添加釩、鈦、稀土的對照組。試樣的成分檢測結(jié)果如表3所示。

表3 試樣的化學(xué)成分Table.3 Chemical composition of sample

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 金相組織與斷口形貌

圖2 所示為在光學(xué)顯微鏡觀察到的合金化高錳鋼的金相組織，從金相組織中可以看到，本次試驗(yàn)的高錳鋼試樣經(jīng)水韌處理后的組織并非呈單相奧氏體，圖2（a）的傳統(tǒng)高錳鋼試樣組織中珠光體較多；圖2（b）中存在奧氏體轉(zhuǎn)化的珠光體；圖2（c）中珠光體較少，主要為奧氏體；圖2（d）中基本為單一奧氏體。另外，圖2（b）～（d）中分布著的微小顆粒為組織轉(zhuǎn)變過程中析出的共晶碳化物，圖2（a）中的碳化物微粒明顯少于前3 組。圖2（a）中未經(jīng)合金化的1#試樣晶粒較其他試樣偏大，并且黑色夾雜物數(shù)量較多，在圖3（a）的SEM圖像中也能夠清楚看到其為亮白色，呈不規(guī)則團(tuán)絮狀大量分布；經(jīng)合金化處理的#2、#3、#4 試樣晶粒明顯更加細(xì)小。

圖2 水韌處理后的金相組織Fig.2 Metallographic structure after water toughening

圖3 所示為掃描電子顯微鏡拍攝的高錳鋼試樣表面形貌。由掃描電鏡觀察到的高錳鋼試樣表面形貌可見，加入了釩、鈦、稀土的試樣夾雜物數(shù)量顯著減少，其尺寸明顯減小，多呈鏈狀、小型團(tuán)塊狀均勻分散在基體內(nèi)。稀土是表面活性元素，可以降低晶核的形核功，提高形核率；其與O、S具有非常強(qiáng)的親和力，高錳鋼中添加的大部分稀土?xí)蚈、S結(jié)合生成高熔點(diǎn)化合物，此類化合物質(zhì)量較輕，熔煉時(shí)會(huì)上浮到鋼液表面隨爐渣一同被清除，起到凈化鋼液的效果，從而使組織中夾雜物減少；同時(shí)，遺留的高熔點(diǎn)稀土化合物能夠成為異質(zhì)結(jié)晶核心，促進(jìn)鋼液形核，從而抑制夾雜物的進(jìn)一步長大，并使其分布更加彌散；此外，也會(huì)有少部分稀土元素固溶于基體，而其具有較大的偏析系數(shù)，對枝晶的熔斷、游離和增殖具有促進(jìn)作用，從而提高形核率，使晶粒尺寸減小。因此稀土的加入有助于細(xì)化晶粒，減少夾雜物數(shù)量，改善夾雜物尺寸及分布情況?？偨Y(jié)其作用機(jī)理：V、Ti元素少部分固溶于基體，大部分與C、N等結(jié)合生成化合物微粒并析出，這些析出相具有高熔點(diǎn)、高硬度的特點(diǎn)，并與γ相的錯(cuò)配度較低，能作為結(jié)晶核心，提高形核率，從而使高錳鋼晶粒細(xì)化；合金析出相分布在晶界附近，可以防止原子擴(kuò)散，阻止晶界移動(dòng)，以抑制晶粒和夾雜物長大。

圖3 高錳鋼表面形貌（SEM）Fig.3 Surface morphology of high manganese steel（SEM）

3.2 硬度

本試驗(yàn)采用的是HR－150A 洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)測試各組4 個(gè)試樣的硬度，對每個(gè)試樣都進(jìn)行3次試驗(yàn)，將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化取值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 硬度試驗(yàn)值Fig.4 Hardness test value

由以上數(shù)據(jù)可見，未經(jīng)釩、鈦、稀土合金化處理的對照組#1 試樣的硬度值最低，經(jīng)過合金化處理后試樣硬度明顯提高，其中#2試樣的硬度值最高，達(dá)到了30.6 HRC。與對照組相比，合金化處理的試樣平均硬度提高了21.7%～50.7%，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[11]。表明合金化處理能顯著提高高錳鋼的硬度。一部分的釩、鈦、稀土溶入奧氏體基體中，起固溶強(qiáng)化作用；另一部分元素與C、N形成穩(wěn)定的化合物，又一定程度地提高了其硬度[12]。

3.3 抗拉強(qiáng)度

圖5所示為試驗(yàn)所用的拉伸試樣。圖6所示為釩、鈦、稀土合金化處理高錳鋼試樣強(qiáng)度，由圖中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，添加了V、Ti 和Re 元素后，高錳鋼的抗拉強(qiáng)度并未得到顯著提升，相反還有所降低。其中合金元素含量最高的#4試樣的抗拉強(qiáng)度最高，為509.8 MPa，相比對照組未合金化處理的普通試樣#1，其強(qiáng)度有小幅度提升；而#2、#3 合金化試樣的抗拉強(qiáng)度均低于普通高錳鋼。本試驗(yàn)設(shè)定的合金組合和含量對高錳鋼抗拉強(qiáng)度的提升效果不明顯。分析其原因：雖然試驗(yàn)組的合金化試樣強(qiáng)度并未明顯提高，但是可以發(fā)現(xiàn)，隨著合金含量的增加，高錳鋼的抗拉強(qiáng)度也在提升，因此說明試驗(yàn)的合金含量并沒有達(dá)到能顯著提升高錳鋼強(qiáng)度的層次，不能充分發(fā)揮出V、Ti的強(qiáng)化作用。試驗(yàn)結(jié)果表明合金化處理也能提升抗拉強(qiáng)度。

圖5 抗拉試樣Fig.5 Tensile specimen

圖6 釩、鈦、稀土合金化處理高錳鋼試樣強(qiáng)度Fig.6 Strength of high manganese steel in vanadium titanium rare earth alloying treatment

3.4 耐磨性

圖7 所示為釩、鈦、稀土含量不同的高錳鋼進(jìn)行耐磨試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)。由圖可看出，經(jīng)釩鈦稀土合金化處理的高錳鋼的磨損率低于未添加釩鈦稀土的磨損率，其中#2 試樣的磨損質(zhì)量最小，磨損率也只有0.24%，耐磨性是最好的，由此可見添加釩、鈦、稀土元素能夠顯著提高高錳鋼的耐磨性。

圖7 磨損數(shù)據(jù)Fig.7 Wear data

高錳鋼進(jìn)行合金化處理后能提高耐磨性，一方面是因?yàn)楹辖鹪夭糠止倘苡诟咤i鋼基體，對基體起到強(qiáng)化作用[13]。晶界和彌散質(zhì)點(diǎn)對位錯(cuò)有阻礙作用，導(dǎo)致密度提高，形成位錯(cuò)纏結(jié)和胞狀亞結(jié)構(gòu)[14]。此外，合金化處理減少了高錳鋼中夾雜物的數(shù)量，改善了夾雜物形態(tài)和分布[15]，防止夾雜物在形變過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中。

高錳鋼經(jīng)V、Ti、Re 合金化后耐磨性提高，原因有以下幾點(diǎn)：（1）因?yàn)楹辖鹪夭糠止倘苡诟咤i鋼基體，導(dǎo)致晶格畸變，出現(xiàn)“柯氏氣團(tuán)”，影響位錯(cuò)在外力下的移動(dòng)，對基體起到強(qiáng)化作用；（2）因?yàn)閂、Ti 能與C、N 形成硬質(zhì)化合物，在基體中析出為堅(jiān)硬微粒，而稀土極易與O、S結(jié)合生成化合物并吸附在夾雜物中，區(qū)別于普通高錳鋼中的MnS、Al2O3和鐵錳硅酸鹽等夾雜，溶入稀土的夾雜物硬度更高，這些硬質(zhì)相在磨損過程中起到保護(hù)基體的效果；（3）磨損試驗(yàn)加載的應(yīng)力使材料產(chǎn)生微變形，摩擦過程中鋼內(nèi)的合金硬質(zhì)點(diǎn)會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生位錯(cuò)纏結(jié)、堆積，并相互交截，使位錯(cuò)密度提高，增強(qiáng)了高錳鋼的形變硬化能力，從而提高磨面硬度。此外，合金元素的加入，尤其是稀土變質(zhì)劑減少了高錳鋼中夾雜物的數(shù)量，改善了夾雜物形態(tài)和分布情況，防止夾雜物在形變過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，提高了韌性，從而有利于抑制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，減小夾雜物對基體造成疲勞剝落磨損的危害。

4 結(jié)束語

（1）本試驗(yàn)中，在普通高錳鋼中出現(xiàn)了較多的珠光體，而在合金化高錳鋼中較少，基本呈單一奧氏體組織，這是因?yàn)楹辖鹪財(cái)U(kuò)大了γ相區(qū)，提高了奧氏體穩(wěn)定性。高錳鋼在V、Ti、Re合金化處理后，合金析出物數(shù)量相比普通高錳鋼有所增加，晶粒尺寸有所減小，且夾雜物的形狀和分布狀態(tài)得到改善。而在加入稀土元素后，高錳鋼中夾雜物的數(shù)量減少。

（2）釩、鈦、稀土合金化處理顯著提高了高錳鋼的硬度，最大能夠提高到30.6 HRC，但是高錳鋼的抗拉強(qiáng)度變化不明顯，合金化處理能提高高錳鋼的抗拉強(qiáng)度。

（3）由于合金化處理的強(qiáng)化作用增強(qiáng)了高錳鋼的加工硬化能力，提高了磨面硬度，并且減少了夾雜物數(shù)量，改善了夾雜物的形態(tài)和分布，減小了夾雜物的危害，提高了高錳鋼的耐磨性。