鎢合金化處理對(duì)高錳鋼組織和性能的影響

萬(wàn)文鋒，莊文瑋，張 飄，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

高錳鋼由于其良好機(jī)械性能被廣泛應(yīng)用礦山、鐵路、冶金等機(jī)械裝備中。高錳鋼是目前耐磨材料使用最廣泛的，相比較其他的合金鋼，其沖擊韌性和價(jià)格方面及其具有優(yōu)勢(shì)。隨著工業(yè)的發(fā)展，高錳鋼的使用工況也有更高的要求。為了提高耐磨性，人們?cè)诤辖鸹幚韀1]上面做了大量的研究。隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高錳鋼的要求越來(lái)越高，原始所用的高錳鋼已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的要求。對(duì)其力學(xué)性能需要做進(jìn)一步提高，ZGMn13是傳統(tǒng)的應(yīng)用的耐磨材料，其在強(qiáng)沖擊條件下表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能。但ZGMn13在強(qiáng)烈沖擊載荷下的使用結(jié)果卻不盡人意。ZGMn13的硬度過(guò)低，引起的磨耗劇烈增大，這樣對(duì)高錳鋼的壽命有很大的影響。高錳鋼由于其本身的性能特點(diǎn)，在凝固的過(guò)程中會(huì)使得晶粒變得粗大，降低了鑄件的強(qiáng)度[2]。近年來(lái)，再合金化處理是提升高錳鋼性能的和壽命的最有效途徑。為此學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究。研究表明，合金化處理能提高高錳鋼的各方面的機(jī)械性能。從有關(guān)文獻(xiàn)的研究報(bào)道中發(fā)現(xiàn)，夾雜物的大小對(duì)晶粒的細(xì)化程度也有影響，同時(shí)會(huì)影響第二相的強(qiáng)化作用[3-5]。合金化處理是在傳統(tǒng)的高錳鋼基礎(chǔ)上，再添加其他的合金元素，使其形變強(qiáng)化能力提高。通過(guò)沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化及固溶強(qiáng)化等作用強(qiáng)化基體。本文試驗(yàn)設(shè)定了合理的化學(xué)成分，正確的試驗(yàn)思路，在傳統(tǒng)高錳鋼的成分基礎(chǔ)上加入不同梯度的鎢元素，進(jìn)行合金化處理，同時(shí)設(shè)置了對(duì)照組，研究鎢含量對(duì)高錳鋼組織和性能的影響，得出了鎢元素對(duì)高錳鋼的組織和對(duì)高錳鋼力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 材料成分

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)碳和錳的成分比值，從而使得高錳鋼獲得更好的綜合性能。原始高錳鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 原始的高錳鋼的化學(xué)成分Table.1 Chemical composition of original high manganese steel

表2 本文試驗(yàn)用高錳鋼的化學(xué)成分Table.2 Chemical composition of traditional high-manganese steel used in the test

此次試驗(yàn)的合金化處理方案如表3所示，添加的合金鎢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)位75%，設(shè)為5個(gè)梯度，分別為未添加鎢元素的高錳鋼、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%W、0.6%W、0.9%W、1.2%W五個(gè)數(shù)據(jù)組。其中合金原料采用包內(nèi)加入法。

表3 合金化處理方案Table.3 alloying treatment scheme

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)熔煉的過(guò)程在500 kg的中頻感應(yīng)電爐中進(jìn)行，出 箱 的 溫 度 為1 540～1 560℃。澆 鑄 的 溫 度 為1 400～1 420℃[6-10]。澆鑄的試樣形狀為標(biāo)準(zhǔn)的圓棒試樣。試樣出來(lái)后進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，化學(xué)成分如表4所示。

表4 試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）Table.4 Chemical composition of samples（Wt%）

將澆鑄好的標(biāo)準(zhǔn)圓棒試樣經(jīng)車床加工成標(biāo)準(zhǔn)的金相試樣、硬度試樣和拉伸試樣。利用4XD-2雙目倒置金相顯微鏡對(duì)兩種高錳鋼的組織進(jìn)行觀察，并且采用截線法對(duì)金相組織的尺寸進(jìn)行測(cè)量，金相試樣的樣品尺寸為φ16 mm×8 mm的圓柱。金相試樣觀察前，經(jīng)砂紙過(guò)粗磨細(xì)磨處理，最終經(jīng)拋光機(jī)拋光[11]，待觀察一面光滑后烘干，隨后靜置一段時(shí)間，放入含5%硝酸和5%酒精的容器內(nèi)腐蝕，一段時(shí)間后取出，再進(jìn)行烘干處理，隨后進(jìn)行金相顯微觀察。

利用CMT5605電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，利用HR-150A洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，拉伸速率設(shè)為1 mm/min。其中硬度試樣尺寸為φ16 mm×12 mm。圖1所示為本次實(shí)驗(yàn)的拉伸試樣。其中拉伸的每個(gè)含量組分別都設(shè)有兩組數(shù)據(jù)，便于實(shí)驗(yàn)誤差的考慮然后取平均值。其中硬度測(cè)試在硬度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，測(cè)定6個(gè)點(diǎn)求平均值。

圖1 試驗(yàn)用拉伸試樣Fig.1 Tensile specimens for testing

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 合金化處理對(duì)組織的影響

圖2 所示為不同的合金化方案觀察到的金相組織。表5所示為測(cè)得的不同方案的晶粒尺寸。未經(jīng)合金化處理的1號(hào)試樣的平均晶粒尺寸為200.6 μm，晶粒尺寸比較粗大，其它合金化處理后的高錳鋼的尺寸明顯變小，晶粒細(xì)化了25%～50%。由金相組織得出，合金化處理后，相對(duì)于未添加鎢元素的試樣組織，合金化處理后，夾雜物的數(shù)量變小。而且尺寸變得細(xì)小均勻。并且在基體中彌散分布。

圖2 不同合金化處理的的金相顯微組織Fig.2 Metallographic microstructure of different alloying treatments

表5 不同合金化處理的高錳鋼平均晶粒尺寸Table.5 average grain size of high manganese steels with different alloying treatments

由以往的試驗(yàn)也知道，高錳鋼經(jīng)過(guò)合金化處理，晶粒的可以明顯的細(xì)化，晶粒的分布和形狀也變得條理性，W是強(qiáng)烈的氮化物、碳化物形成元素[12-13]，可以與鋼中的C，N形成碳、氮化合物，這些化合物具備高熔點(diǎn)的性質(zhì)。在一定的條件下這些高熔點(diǎn)碳、氮化合物可作為鋼液的異質(zhì)形核核心。查閱文獻(xiàn)可知，作為形核劑的兩個(gè)條件之一是有超過(guò)液相熔點(diǎn)的相；二是這些相在低指數(shù)面中的情況下與液相金屬具有低的錯(cuò)配度。當(dāng)兩者之間的錯(cuò)配度小于12%時(shí)，這些高熔點(diǎn)相可以作為形核的核心。經(jīng)查閱可知，W2C和γ－Fe的錯(cuò)配度小于12%，因此W2C可以作為異質(zhì)形核核心，細(xì)化高錳鋼的組織。W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[14]，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(zhǎng)大。

試驗(yàn)過(guò)程中采用W進(jìn)行微合金化，W和C的結(jié)合力強(qiáng)于Mn和C，且W2C的熔點(diǎn)為2 785℃。試驗(yàn)過(guò)程的溫度超過(guò)1 300℃的時(shí)候，C和W會(huì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生W2C，所以在合金化后高錳鋼液凝固相的時(shí)候，W2C會(huì)優(yōu)先提前結(jié)晶，與鋼液潤(rùn)濕的W2C同時(shí)作為異質(zhì)形核核心，促使高錳鋼非均勻形核，從而使鑄件晶粒尺寸變小，達(dá)到細(xì)化的目的[15]。

2.2 合金化處理對(duì)高錳鋼硬度的影響

本試驗(yàn)采用的是HR-150A洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)測(cè)試各組試樣的硬度，對(duì)每一個(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3所示。由以上數(shù)據(jù)可見(jiàn)，鎢合金化后試樣硬度明顯提高，其中#5試樣的硬度值最高，達(dá)到了25.2HRC。與對(duì)照組相比，合金化處理的試樣平均硬度提高了18.1%~47.4%，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。正如前面的論述中，高錳鋼經(jīng)鎢合金化處理后，晶粒的尺寸明顯變小形狀變得勻稱，所以細(xì)晶強(qiáng)化提高了高錳鋼的硬度。同時(shí)，鎢和一部分的合金元素在鑄態(tài)過(guò)程中會(huì)溶于基體中，由于固溶強(qiáng)化的作用也會(huì)增加高錳鋼的硬度；另一部分與C、N形成彌散分布于基體中的高硬度的、穩(wěn)定的碳化物和氮化物，進(jìn)一步增加了高錳鋼的硬度。

圖3 硬度試驗(yàn)值Fig.3 Hardness test value

2.3 合金化處理對(duì)高錳鋼抗拉強(qiáng)度的影響

如圖4所示，添加了鎢元素后，高錳鋼的抗拉強(qiáng)度得到提升，其中合金元素含量最高的#5試樣的抗拉強(qiáng)度最高，為491 MPa，相比對(duì)照組未合金化處理的普通試樣#1，其強(qiáng)度大幅度提升；其他對(duì)照組的抗拉強(qiáng)度均高于普通高錳鋼。本試驗(yàn)設(shè)定的合金組合和含量對(duì)高錳鋼抗拉強(qiáng)度的提升效果不明顯。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(shuō)明試驗(yàn)的合金含量并沒(méi)有達(dá)到能顯著提升高錳鋼強(qiáng)度的層次，不能充分發(fā)揮出鎢的強(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4 抗拉強(qiáng)度數(shù)值Fig.4 Numerical diagram of tensile strength

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）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?jiàn)A雜物的形狀和分布狀態(tài)得到改善。

（2）在細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化等多種強(qiáng)化機(jī)制綜合作用下。鎢合金化處理顯著提高了高錳鋼的硬度，最大能夠提高到25.2 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，合金化處理能顯著細(xì)化晶粒。