高錳鋼熱處理工藝研究現(xiàn)狀

陳席國 張恩銘 李東方

摘要： 高錳鋼是鐵基耐磨材料中的代表產(chǎn)品，經(jīng)過適當熱處理后能獲得優(yōu)異的耐磨性能，在耐磨材料領(lǐng)域占有重要地位。本文簡要介紹了高錳鋼的基本知識，重點綜述了高錳鋼的熱處理工藝，除了傳統(tǒng)的熱處理工藝以外，高壓熱處理、高溫形變熱處理等新型熱處理工藝也越來越受到人們的重視。

Abstract： High manganese steel is the representative product of iron-based wear-resistant materials. After proper heat treatment， it can obtain excellent wear-resistant properties， which plays an important role in the field of wear-resistant materials. In this paper， the basic knowledge of high manganese steel is briefly introduced， and the heat treatment process of high manganese steel is mainly summarized. In addition to the traditional heat treatment process， new heat treatment processes such as high pressure heat treatment and high temperature deformation heat treatment are paid more and more attention.

關(guān)鍵詞： 高錳鋼;熱處理工藝;高壓熱處理

Key words： high manganese steel;heat treatment process;high pressure heat treatment

中圖分類號：TG156 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0035-03

0 ?引言

高錳鋼是鐵基耐磨材料中的典型產(chǎn)品，在耐磨材料中占有重要地位。因其在高應力、高沖擊載荷的工作環(huán)境下表現(xiàn)出極優(yōu)異的抗磨性能，同時兼具優(yōu)良的韌性及形變硬化能力，被廣泛應用于采礦、破碎、挖掘及軌道行業(yè)[1，2]。高錳鋼需要經(jīng)過適當?shù)臒崽幚硖幚砗蠓侥芫邆淅硐氲臋C械性能，達到耐磨材料使用標準。1882年，英國R.A. Hadfield發(fā)明了奧氏體高錳鋼，且發(fā)現(xiàn)當其被加熱到1000℃保溫后進行水冷處理，能夠提高高錳鋼的韌性，這一處理方法經(jīng)過人們的不斷研究和改進，一直沿用至今[3，4]。近年來，隨著高錳鋼產(chǎn)品的不斷發(fā)展及多樣化，高錳鋼熱處理工藝的改進也備受各行研究者的重視。本文首先簡述了高錳鋼的基本知識，隨后重點綜述了高錳鋼的幾種熱處理工藝，為耐磨高錳鋼行業(yè)提供一定參考。

1 ?高錳鋼基本認識

高錳鋼常指含Mn量10%（質(zhì)量分數(shù)）以上的合金鋼，經(jīng)過多年的發(fā)展，其化學成分已基本趨于穩(wěn)定。國內(nèi)最新行業(yè)標準《JB/T 6404-2017大型高錳鋼鑄件技術(shù)條件》規(guī)定高錳鋼鑄件的化學成分大致為：W（C）=0.9%～1.35%、W（Mn）=11%～19%、W（Si）=0.3%～0.9%、W（P）？燮0.06%、W（S）？燮0.04%。與國際標準《ISO13521：2015奧氏體錳鋼鑄件》所規(guī)定的成分基本相同，大致為：W（C）=0.75%～1.35%、W（Mn）=11%～19%、W（Si）=0.3%～0.9%、W（P）？燮 0.06%、W（S）？燮0.045%，目前此國際標準高錳鋼鑄件的化學成分獲得了世界的廣泛認同。

鑄態(tài)高錳鋼的組織主要為奧氏體基體及沿奧氏體晶界分布的碳化物構(gòu)成的多相組織，另外還存在少量珠光體，此狀態(tài)下的高錳鋼脆性大，不宜直接使用。經(jīng)過適當熱處理工藝消除鑄態(tài)組織并獲得單一奧氏體組織，高錳鋼的耐磨性能即是建立在奧氏體組織加工硬化能力之上的。當高錳鋼件受到較大沖擊載荷時，工件磨損層發(fā)生加工硬化，使其表面硬度大幅提高，可達到HB500以上[5，6]。至于高錳鋼奧氏體組織加工硬化機理，多年來一直受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，并先后提出了多種硬化機制，如形變誘發(fā)馬氏體相變硬化、位錯硬化、孿晶硬化、動態(tài)應變時效硬化、Fe-Mn-C原子團硬化等機制，但沒有一種機制能夠準確、完善地解釋高錳鋼的加工硬化現(xiàn)象[7～9]。這一問題目前乃至將來仍是高錳鋼研究的熱點問題之一。

2 ?高錳鋼的熱處理

目前，高錳鋼的熱處理工藝仍以固溶處理或時效處理為主。但實際生產(chǎn)中因工藝特殊要求或生產(chǎn)條件限制，常規(guī)熱處理不能獲得特殊工況要求的高錳鋼性能，所以人們對熱處理工藝進行不斷改進和完善，并開發(fā)了多種新型的高錳鋼熱處理工藝，如高壓熱處理、高溫形變熱處理等。

2.1 常規(guī)熱處理

2.1.1 固溶處理

固溶處理又稱水韌處理，是高錳鋼最常規(guī)的熱處理方式，即將工件加熱到完全奧氏體化溫度保溫，然后快速入水冷卻以獲得單一相奧氏體組織。如圖1Fe-Mn-C三元相圖所示，保溫溫度大于900℃即可獲得單一的奧氏體組織。實際生產(chǎn)中一般為1000℃～1100℃，溫度過低不利于碳化物溶解，過高容易導致過燒，對于合金化高錳鋼，該溫度可適當提高[10]。高錳鋼經(jīng)過固溶處理后，其力學性能得到明顯改善[11]。由于高錳鋼的導熱系數(shù)較小，熱膨脹系數(shù)較大，在加熱過程中容易產(chǎn)生熱應力，加之鑄件本身存在較大的鑄造應力，使得高錳鋼鑄件在熱處理過程中極易開裂，尤其對于結(jié)構(gòu)復雜，壁厚懸殊較大的鑄件更是如此[12]。因此，對不同結(jié)構(gòu)、尺寸的工件往往會制定不同熱處理工藝參數(shù)。

固溶處理一般工藝曲線如圖2所示。對于結(jié)構(gòu)簡單的小型件，為保證其生產(chǎn)效率及節(jié)約能源一般可省略低溫預等溫過程，直接在較高溫度下（<750℃）入爐，并快速升溫到奧氏體化溫度1000℃～1050℃保溫。對于中等結(jié)構(gòu)復雜或簡單大型件，如壁厚超過40mm的履帶，入爐溫度不宜過高（<400℃），升溫速率也應放緩到50～70℃/h，且加熱到600℃～700℃時，可按1.5min/mm均溫一段時間以消除鑄造應力，防止工件產(chǎn)生微裂紋。由于高溫下高錳鋼的導熱性能有所改善，故預等溫后可重新以較快速率升溫至固溶溫度[14，15]。

對于結(jié)構(gòu)復雜、特殊或壁厚懸殊較大的大型件，沒有固定的固溶處理工藝，需要根據(jù)實際生產(chǎn)條件來制定適當?shù)臒崽幚砉に?，如太原鋼鐵集團有限公司峨口鐵礦用顎式破碎機齒板，重3～5t，厚210～390mm，是典型的重、大復雜件，熱處理時需在<400℃入爐并均溫，再以65℃/h升溫至650℃～680℃時再次均溫，最后以100℃/h升至固溶溫度，并以1.5～1.8min/mm進行保溫，水淬后獲得單一相奧氏體組織[15]。

為保證碳化物充分溶解，固溶處理過程中必須保溫合適的時間。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，保溫時間一般可按經(jīng)驗公式τ=0.016δ[1.27×（C+Si）]進行確定[13]，式中：τ為保溫時間，單位h;δ為鑄件的最大壁厚;C、Si分別為鋼中C、Si的質(zhì)量分數(shù)。

2.1.2 時效處理

時效處理也是高錳鋼常用的熱處理工藝，通常與固溶處理結(jié)合使用。高錳鋼在水韌處理后韌性獲得提高的同時其表面硬度有所降低，在一些低、中應力載荷下工作時，不能充分表現(xiàn)出高錳鋼的加工硬化性能，即韌性有余而耐磨性不足。故在固溶處理之后對高錳鋼進行時效處理，促使碳化物重新析出并以沉淀相的形式彌散分布于奧氏體基體中，提高固溶處理后高錳鋼的硬度，改善其綜合力學性能[16]。時效處理工藝曲線如圖3所示。

時效溫度是影響高錳鋼時效處理的關(guān)鍵因素。有研究表明[17]，時效溫度過低，沉淀相析出量不足，強化不充分;溫度過高，碳化物析出量過多，影響高錳鋼沖擊韌性。因此，需要嚴格控制時效溫度以獲得適量的沉淀相，進而得到良好的綜合性能。李威[18]等對合金化高錳鋼的時效處理工藝作了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明：合金化高錳鋼經(jīng)時效處理后，有大量的碳化物沉淀相彌散分布在奧氏體晶粒內(nèi)，且時效溫度為350℃時，高錳鋼的抗拉強度、屈服強度、耐磨性及沖擊韌性均得到提高，表現(xiàn)出理想的綜合性能。但隨著時效溫度繼續(xù)升高，其使用性能反而降低。

2.1.3 余熱熱處理

余熱熱處理是利用高錳鋼鑄件的鑄造余熱直接進行保溫后水淬的一種熱處理工藝，如圖4所示。該工藝省略了固溶處理重新加熱升溫的過程，不但簡化了熱處理流程，縮短了生產(chǎn)周期，還節(jié)約了能耗，降低了生產(chǎn)成本，具有很好的經(jīng)濟效益，馬壯[19]等研究比較了常規(guī)固溶處理和余熱熱處理下高錳鋼的性能，發(fā)現(xiàn)兩種處理方式下其力學性能差別并不大，且余熱熱處理能夠降低30%左右的生產(chǎn)成本。

余熱熱處理工藝早在上世紀八九十年代就已出現(xiàn)，但由于生產(chǎn)設備落后，高溫下操作困難，難以控制鑄件水韌后質(zhì)量等因素，并未得到大范圍推廣[20]。隨著機械化、自動化、智能化生產(chǎn)的不斷進步，余熱熱處理工藝如今得到了較好的推廣應用。江西德興銅礦機械鑄造公司利用余熱熱處理方法生產(chǎn)1500噸高錳鋼，每年因降低生產(chǎn)成本帶來的綜合經(jīng)濟效益可達到近百萬元[21]。

2.2 高錳鋼的新型熱處理

2.2.1 高溫形變熱處理

高溫形變熱處理是將傳統(tǒng)熱處理工藝與塑性變形工藝相結(jié)合的一種復合處理技術(shù)，它將固溶強化與形變強化相結(jié)合，從而改善金屬材料的組織形貌以提高力學性能，是金屬材料強韌化的一種重要手段[22]。目前也在探究將此工藝應用于高錳鋼的可能性，如王琳[23]等人對高錳鋼的高溫形變熱處理進行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當高錳鋼在1050℃溫度下壓縮變形25%后再進行固溶處理，與直接固溶處理的高錳鋼相比，其組織更致密、細小，孔洞類缺陷也明顯減少，且抗拉強度、斷后伸長率、沖擊韌性分別提高了近32%、60%、46%。但由于鑄造高錳鋼熱變形溫度范圍窄，變形能力較差，在實際生產(chǎn)中難以控制變形溫度與變形量。故工業(yè)上要大范圍應用此工藝對高錳鋼進行熱處理，還需要更深入的研究。

2.2.2 高壓熱處理

高壓技術(shù)對于材料工程研究具有十分重要的意義，目前，高壓技術(shù)主要應用于超硬、超導、光電等功能新材料的研發(fā)和制備，以及高壓下的非晶轉(zhuǎn)變、金屬相變等研究[24]。近年來，高壓技術(shù)逐漸被應用于金屬材料的熱處理中，有關(guān)高壓熱處理技術(shù)的研究也漸漸得到關(guān)注。研究表明[25]，在高壓條件下進行熱處理，能有效提高金屬材料的致密性，細化材料組織，改善其性能。有關(guān)高壓熱處理在高錳鋼應用上的研究還鮮有報道，李媛媛[26]等人在高錳鋼水韌處理之后，又進行了4GPa壓力下500℃×15min的高壓熱處理，結(jié)果顯示固溶態(tài)高錳鋼在高壓熱處理后仍然保持單一奧氏體組織，且奧氏體晶粒內(nèi)出現(xiàn)了大量的孿晶和位錯滑移帶，強化了奧氏體基體，使其硬度較固溶狀態(tài)下提高了1.5倍?？梢姼邏簾崽幚韺Ω纳聘咤i鋼性能起到了一定作用，是將來高錳鋼熱處理工藝研究的一條新途徑。

3 ?結(jié)語

高錳鋼的使用歷史悠久，經(jīng)過多年的發(fā)展其熱處理工藝已趨于成熟。如何創(chuàng)新工藝，在保證高錳鋼使用性能的基礎(chǔ)上降低成本，減少能耗是目前高錳鋼熱處理工藝研究的重點。目前工業(yè)上常用的高錳鋼熱處理工藝仍以固溶處理、時效處理、余熱熱處理等常規(guī)熱處理方式為主。高壓熱處理、高溫形變熱處理等新型熱處理工藝對改善高錳鋼性能有著積極的作用，但要大范圍應用于工業(yè)生產(chǎn)，還需更深入的研究。新型錳鋼的應用是未來耐磨材料研究的主要發(fā)展趨勢，隨著新型合金化高錳鋼以及超高錳鋼研究的不斷深入，改進傳統(tǒng)高錳鋼熱處理方式，為新型錳鋼制定合理的熱處理工藝是今后高錳鋼熱處理工藝的重要研究方向。

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