熱處理工藝對(duì)高錳鋼組織和硬度的影響

羅飛翔，段振虎，伍偉玉

（江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江西 南昌 330096）

高錳鋼又叫Hadfield鋼，較早由英國(guó)人R.A.Hadfield 發(fā)明，因其在高應(yīng)力、高沖擊載荷的工作環(huán)境下仍能夠保持良好的耐磨性，同時(shí)內(nèi)部可以保持較好的韌性，被廣泛應(yīng)用在采礦、破碎、挖掘及軌道行業(yè)［1-3］。鑄態(tài)高錳鋼組織通常由奧氏體基體、沿奧氏體晶界分布的碳化物以及少量的珠光體組成，這導(dǎo)致鑄態(tài)高錳鋼的韌性和塑性極差，難以得到大規(guī)模工程應(yīng)用［4-6］。為了解決這一問題，通常需要對(duì)鑄態(tài)高錳鋼進(jìn)行水韌處理，即將高錳鋼加熱到1040 ℃以上，并保溫適當(dāng)時(shí)間，使其碳化物固溶于奧氏體中，隨后快速冷卻得到過冷奧氏體組織。高錳鋼水韌后的組織通常為奧氏體和少量的碳化物［7-11］。水韌處理的溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度等都會(huì)影響熱處理后的組織和性能。水韌溫度低、保溫時(shí)間短，會(huì)導(dǎo)致碳化物固溶不完全，晶界上殘留的網(wǎng)狀碳化物會(huì)導(dǎo)致材料的韌性降低；水韌溫度過高和保溫時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致高錳鋼件表面脫碳，并促使晶粒長(zhǎng)大；在水韌處理時(shí)，高錳鋼件入水前的溫度低、入水速度慢、冷卻水量不足等，都會(huì)導(dǎo)致冷卻速度慢，以致碳化物再次析出［12-15］。

高錳鋼經(jīng)水韌處理后韌性得到了提高，但是由于碳化物的固溶，導(dǎo)致其表面硬度有所降低，在一些中、低載荷工況下，不能充分發(fā)揮其加工硬化性能。因此，有很多學(xué)者通過對(duì)水韌處理后的高錳鋼進(jìn)行時(shí)效處理，促使碳化物重新析出，以沉淀相的形式彌散分布在奧氏體基體中，從而提高水韌處理后高錳鋼的硬度，以達(dá)到改善其綜合性能的目的［16］。

Feng 等［17］研究了時(shí)效溫度對(duì)含V 高錳鋼組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)效溫度的升高，析出物逐漸增多，且析出物的形貌由球狀向針狀轉(zhuǎn)變，當(dāng)時(shí)效溫度為450 ℃、保溫時(shí)間為1 h時(shí)，高錳鋼的力學(xué)性能最好。

大連理工大學(xué)李威［18］研究了時(shí)效處理的溫度和保溫時(shí)間對(duì)球磨機(jī)Mn13類襯板組織和性能的影響。即對(duì)水韌處理后的ZGMn13MoCrTiRe，進(jìn)行溫度為150，250，350 和450 ℃，保溫時(shí)間為2，3，4和5 h的時(shí)效處理。研究發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)效溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，在奧氏體基體上逐漸析出碳化物，晶粒的幾何尺寸逐漸增大，但晶粒度逐漸均勻化，且在時(shí)效溫度為450 ℃時(shí)，開始在晶界處析出針狀碳化物。

熱處理工藝對(duì)高錳鋼組織和性能有重要影響，針對(duì)含有不同成分的高錳鋼采用的熱處理工藝并不相同，且熱處理工藝對(duì)組織和性能的影響規(guī)律也不盡相同。因此，本文研究了水韌處理時(shí)間和時(shí)效處理溫度、保溫時(shí)間對(duì)高錳鋼組織和硬度的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，為武山銅礦半自磨機(jī)襯板工業(yè)試制熱處理工藝的制定提供指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 鑄件試樣的熔煉與澆鑄

利用武山銅礦1 t 中頻熔煉爐進(jìn)行高錳鋼的熔煉，分別采用手持熒光光譜儀（型號(hào)XL2980Plus）和手持測(cè)溫槍（型號(hào)W330）對(duì)爐前成分和溫度進(jìn)行測(cè)試，嚴(yán)格控制Cr，Mn 元素含量，出爐溫度控制在1540 ℃左右，澆鑄溫度控制在1450 ℃左右。表1是鑄件試樣化學(xué)成分表，圖1（a）是鑄件試樣實(shí)物圖。用線切割機(jī)將試樣切成五小塊，對(duì)中間試樣塊進(jìn)行鑄態(tài)組織觀察和成分測(cè)試，其余四塊作為進(jìn)行水韌處理和時(shí)效處理時(shí)的試樣原料。取中間試塊，利用角磨機(jī)對(duì)其表面進(jìn)行打磨，然后用無水乙醇擦拭待測(cè)表面，將待測(cè)表面劃分成30 mm×30 mm小區(qū)域，用手持熒光光譜儀測(cè)得各位置點(diǎn)Cr，Mn元素含量，如圖1（b）所示。由圖1（b）可見，不同位置點(diǎn)Cr，Mn 元素含量相差不大，說明鑄件成分偏析很小。

圖1 鑄件試樣（a）實(shí)物圖和（b）成分分布圖Fig.1 Physical image and composition distribution diagram of casting samples（a）Physical image；（b）Composition distribution diagram

表1 高錳鋼鑄件試樣化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of high manganese steel casting samples（%，mass fraction）

1.2 熱處理實(shí)驗(yàn)

用STM-36-12 型高溫馬弗爐進(jìn)行熱處理試驗(yàn)。水韌處理試樣尺寸取80 mm×90 mm×120 mm，水韌處理工藝編號(hào)如表2所示。采用650 ℃保溫可有效減少鑄件內(nèi)外溫差和防止在加熱過程中出現(xiàn)變形或開裂。水韌處理的升溫速率控制在4 ℃/min以內(nèi)，且熱處理完成后進(jìn)行的水冷，要求工件入水溫度在950 ℃以上，入水時(shí)間控制在1 min 以內(nèi)，水冷后的水溫不超過60 ℃。

表2 水韌處理工藝編號(hào)Table 2 Number of water toughening process

選擇水韌處理后組織較好且硬度較高的試樣（即SR2）進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理試樣尺寸取10 mm×10 mm×15 mm。時(shí)效溫度為300，350，400，450 和500 ℃，保溫時(shí)間為1 h 和3 h，升溫速率為10 ℃/min。時(shí)效處理工藝編號(hào)如表3 所示。保溫結(jié)束后進(jìn)行水冷。

表3 時(shí)效處理工藝編號(hào)Table 3 Number of aging process

1.3 組織分析和硬度測(cè)試

金相試樣尺寸取10 mm×10 mm×15 mm，用不同型號(hào)的金相砂紙進(jìn)行打磨，然后用粒度W2.5 和W1 拋光劑進(jìn)行拋光，再用4%HNO3+CH3CH2OH 溶液腐蝕至表面變暗，隨后用清水沖洗吹干，最后用OLS5000 型激光共聚焦顯微鏡對(duì)鑄態(tài)和熱處理后的高錳鋼試樣進(jìn)行金相組織觀察。

用Bruker D8 Advance 型X 射線衍射儀（XRD）對(duì)水韌處理后的高錳鋼試樣進(jìn)行物相分析，掃描角度35 °～90 °。

用DM2D 型顯微硬度計(jì)對(duì)鑄態(tài)和熱處理后的高錳鋼試樣進(jìn)行維氏硬度測(cè)量。試驗(yàn)力為500 g，持續(xù)時(shí)間為15 s，測(cè)量點(diǎn)選在奧氏體基體上。每個(gè)試樣采樣5 個(gè)點(diǎn)，求平均值得到試樣的維氏硬度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 鑄態(tài)高錳鋼組織和硬度

圖2 是鑄態(tài)高錳鋼的金相照片。由圖2（a）可以看出晶粒較為粗大，晶粒尺寸約為 600 μm，在奧氏體晶界處析出大量網(wǎng)狀碳化物，且在晶粒內(nèi)部分布著大量黑色塊狀物。對(duì)塊狀物進(jìn)行放大觀察，如圖2（b）所示，可以看出塊狀物內(nèi)部存在片層狀組織。含碳量為1.0%～1.1%的高錳鋼，采用砂型鑄造，在較慢的冷卻速度下，首先會(huì)在奧氏體晶界上析出二次碳化物，當(dāng)溫度降至727 ℃時(shí)，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成珠光體，珠光體組織為片層狀。因此，鑄態(tài)高錳鋼的組織為奧氏體、碳化物和珠光體，晶界處大量網(wǎng)狀碳化物和片層狀珠光體，導(dǎo)致鑄態(tài)高錳鋼的韌性和塑性明顯惡化［19］。鑄態(tài)高錳鋼的平均顯微硬度為HV 461.6，這與奧氏體基體上析出大量高硬度碳化物和珠光體有關(guān)。

圖2 鑄態(tài)高錳鋼顯微組織Fig.2 Microstructures of high manganese steel as cast

2.2 水韌處理對(duì)高錳鋼組織和硬度的影響

圖3 是不同水韌處理工藝下的高錳鋼金相照片。經(jīng)水韌處理后，奧氏體晶界處網(wǎng)狀碳化物和晶內(nèi)片層狀珠光體基本固溶完全，水韌后的組織為奧氏體和少量的點(diǎn)狀碳化物，且奧氏體晶粒尺寸明顯減小，這對(duì)高錳鋼塑韌性的提高具有積極作用。圖4是SR2試樣XRD圖譜，圖中只存在γ-Fe衍射峰，說明水韌處理后高錳鋼的組織主要為奧氏體。對(duì)比圖3（a，c）和圖3（b，d）發(fā)現(xiàn)，采用650 ℃保溫主要是為了防止厚件高錳鋼在加熱過程中由于內(nèi)外溫差大而導(dǎo)致開裂；采用1100 ℃保溫是為了固溶鑄態(tài)高錳鋼中的碳化物和珠光體。當(dāng)保溫時(shí)間較短時(shí)，在奧氏體晶界上有少量的網(wǎng)狀碳化物沒有固溶完全，如圖3（a，c）所示；隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化物固溶完全，且奧氏體晶粒發(fā)生長(zhǎng)大。

圖3 不同水韌處理工藝下高錳鋼顯微組織Fig.3 Microstructures of high manganese steel under different water toughening processes（a）SR1；（b）SR2；（c）SR3；（d）SR4

圖4 SR2試樣XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of SR2 sample

表4 是不同水韌處理工藝下高錳鋼的顯微硬度值，可以看出，不同熱處理工藝下試樣的顯微硬度值差別不大。其中SR2試樣顯微硬度值最高，其值為HV 229.9；SR4 試樣由于保溫時(shí)間最長(zhǎng)，晶粒發(fā)生明顯長(zhǎng)大，導(dǎo)致其顯微硬度值最低（HV 211.8）。對(duì)比鑄態(tài)高錳鋼的顯微硬度值，水韌處理后的顯微硬度值發(fā)生大幅度降低，這與奧氏體基體上碳化物和珠光體的溶解有關(guān)。

表4 不同水韌處理工藝下高錳鋼的顯微硬度Table 4 Microhardness of high manganese steel under different water toughening processes

2.3 時(shí)效處理對(duì)高錳鋼組織和硬度的影響

圖5 為不同時(shí)效溫度和保溫時(shí)間的金相組織。SX300/1 和SX300/3 試樣金相組織為奧氏體和少量點(diǎn)狀碳化物；SX350/1 試樣晶界處開始析出針狀碳化物；SX350/3 試樣晶界處碳化物逐漸增多，且呈斷網(wǎng)狀分布；SX400/1 試樣晶界處針狀碳化物有向晶內(nèi)生長(zhǎng)的跡象；SX400/3、SX450/1、SX450/3 和SX500/1 試樣晶內(nèi)晶界處都析出大量針狀碳化物，且開始在晶界處析出點(diǎn)狀碳化物；SX500/3 試樣晶內(nèi)析出大量針狀碳化物，由于時(shí)效溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，晶界處的針狀碳化物被點(diǎn)狀碳化物所取代，并且這些點(diǎn)狀碳化物沿著晶界呈網(wǎng)狀分布，這將大大降低試樣的塑韌性。縱向?qū)Ρ炔煌瑫r(shí)效溫度下的金相組織發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)效溫度的升高，首先會(huì)在晶界處析出針狀碳化物，然后這些碳化物會(huì)向晶粒內(nèi)部長(zhǎng)大，導(dǎo)致整個(gè)基體都分布著針狀碳化物，同時(shí)會(huì)在晶界處析出一些點(diǎn)狀碳化物，并且隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，晶界處的點(diǎn)狀碳化物逐步增多，且沿著晶界呈網(wǎng)狀分布。

圖5 不同時(shí)效處理工藝下高錳鋼顯微組織Fig.5 Microstructures of high manganese steel under different aging treatment processes（a）SX300/1；（b）SX300/3；（c）SX350/1；（d）SX350/3；（e）SX400/1；（f）SX400/3；（g）SX450/1；（h）SX450/3；（i）SX500/1；（j）SX500/3

不同時(shí)效工藝下試樣顯微硬度值如表5 所示，根據(jù)表5 繪制折線圖（圖6）。由圖6 看出，隨著時(shí)效溫度的升高，顯微硬度值逐漸增大，且在顯微組織發(fā)生明顯改變時(shí)（晶內(nèi)出現(xiàn)大量針狀碳化物），試樣的顯微硬度發(fā)生突增。當(dāng)保溫時(shí)間由1 h增加至3 h時(shí)，試樣的顯微硬度值大都有所增加，但是時(shí)效溫度為300 ℃和350 ℃時(shí)的顯微硬度值相差不大，且與水韌處理后的組織硬度相近。與SX400/1相比，SX400/3 顯微硬度值明顯更高，這與基體內(nèi)出現(xiàn)大量針狀碳化物有關(guān)。

圖6 不同時(shí)效處理工藝下高錳鋼的顯微硬度變化曲線圖Fig.6 Microhardness curves of high manganese steel under different aging treatment processes

表5 不同時(shí)效處理工藝下高錳鋼顯微硬度Table 5 Microhardness of high manganese steel under different aging treatment processes

3 結(jié)論

1）鑄態(tài)高錳鋼的顯微組織為奧氏體、網(wǎng)狀碳化物和片層狀珠光體；經(jīng)水韌處理后，碳化物和珠光體基本固溶完全，水韌后的組織為奧氏體和少量的點(diǎn)狀碳化物；相較于鑄態(tài)組織硬度HV 461.6，水韌處理后組織硬度降到HV 229.9。

2）采用650 ℃保溫主要是為了防止厚件高錳鋼在加熱過程中發(fā)生開裂，采用1100 ℃保溫可有效溶解碳化物和珠光體。當(dāng)保溫時(shí)間較短時(shí)，奧氏體晶界處碳化物沒有溶解完全；隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化物固溶完全，且奧氏體晶粒發(fā)生長(zhǎng)大。

3）隨著時(shí)效溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，首先會(huì)在奧氏體晶界處析出針狀碳化物，然后這些碳化物會(huì)向晶粒內(nèi)部長(zhǎng)大，同時(shí)會(huì)在晶界處析出點(diǎn)狀碳化物，導(dǎo)致高錳鋼的塑性和韌性降低。隨著時(shí)效溫度的升高，顯微硬度值逐漸增大，且在顯微組織發(fā)生明顯改變時(shí)，試樣的顯微硬度發(fā)生突增。

4）針對(duì)武山銅礦半自磨機(jī)高錳鋼襯板進(jìn)行熱處理試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)保證水韌處理的保溫時(shí)間和入水速度。不宜采用較高溫度和較長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)效處理，以避免奧氏體晶粒的長(zhǎng)大和網(wǎng)狀碳化物的析出，從而保證襯板的耐磨性和塑韌性。