高锰钢热变形行为研究

王 珣 董治中 陈席国 刘晨曦(.中国一重天津重型装备工程研究有限公司，天津300457；.中国一重能源装备材料科学研究所，天津300457)

ZGMn13高锰钢具有加工硬化的重要特征，作为一种传统的耐磨材料，以其优异的耐磨损性能广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路、电力、煤炭等机械装备中[1]。然而，高锰钢铸件凝固收缩大，散热性差，铸造过程中极易出现裂纹缺陷，严重影响产品质量和生产效率。承受高冲击载荷的高锰钢铸件往往因裂纹造成非正常失效，导致产品寿命降低。因此，研究高锰钢铸件裂纹产生的原因，采取有效的预防措施以提高成品率，一直是铸造行业和材料工作者的重要课题[2、3]。研究发现，磷在奥氏体中的溶解度很小，且易在晶界和枝晶间偏析形成磷共晶，降低奥氏体晶界强度和结合力，从而使高锰钢在室温下塑性和强度明显降低。磷是高锰钢中的有害元素，也是导致热裂纹的原因之一，应严格加以控制[4～6]。

研究表明锻造高锰钢具有更优良的性能[5、7]， 但高锰钢机械加工困难，锻造性能差，长期以来基本上是以铸件形式被使用。国内可以机加工的可锻高锰钢发展缓慢，且缺乏相应的研究。为此，本文研究了高锰钢的热变形行为，观察了变形过程中的组织变化，同时探索了磷元素偏析对高锰钢热变形性能的影响，以期为高锰钢的实际生产制提供指导。

1 实验材料与方法

实验用ZGMn13高锰钢来自铸造成品件，未经过任何热处理，为浇铸后原始铸态组织，化学成分如表1所示。

表1 ZGMn13高锰钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 The chemical composition of ZGMn13 high manganese steel (mass fraction, %)

将试样加工成尺寸为∅8 mm×12 mm的圆棒，观察组织后在不同温度下使用Gleeble-3500进行压缩实验。实验条件为：以加热速度50℃/s先加热到1 200℃，保温5 min，再分别降温至1 050℃、1 000℃、950℃、900℃、850℃、800℃等6个温度条件下，保温5 min，然后进行压缩，压缩速率为0.01 mm/s，压缩量为50%。压缩后的试样立即放入水中，再进行组织观察。

按照GB/T13298制备金相试样，采用4%硝酸酒精溶液浸蚀，再用5%盐酸酒精溶液擦洗。采用Zeiss 200 MAT光学显微镜和FEI Quanta 400扫描电镜(SEM)配备EDAX Genesis XM2 能谱仪(EDS)对试样进行微观组织观察和成分分析。

图1 ZGMn13的铸态金相组织Figure 1 As-cast metallographic structure of ZGMn13 steel

CPMoVCrMnFeA区域B区域3.811.620.597.8674.934.302.03-2.000.729.3425.187.3060.33

2 高锰钢铸态组织

铸态高锰钢的金相组织如图1所示，组织粗大、不均匀，由奥氏体+类珠光体(γ+(Fe,Mn)3C)+细珠光体+块状碳化物组成。在局部发现了Mo含量很高的块状碳化物，其旁边发现了磷共晶组织(见图1和表2)，说明高锰钢铸态组织中Mo、P等元素偏析严重。并且，在块状碳化物和磷共晶组织周围发现了微裂纹和缺陷，有可能成为裂纹源，如图1(b)所示。

3 Gleeble实验结果

高锰钢分别在800℃、850℃、900℃、950℃、1 000℃、1 050℃下的Gleeble压缩应力-应变曲线如图2所示。由图2可以看出，随着压缩温度的升高，峰值应力显著下降。在800℃进行压缩时，峰值应力约为240 MPa。当温度升高到1 050℃压缩时，峰值应力下降到了69 MPa左右。表明随着压缩温度的升高，高锰钢材料抵抗形变的能力下降。此外，温度升高使材料的硬化减弱，在1 050℃进行压缩时，试样一旦屈服，几乎没有硬化的现象。

对热变形后的ZGMn13高锰钢金相组织进行观察。图3为800℃压缩热变形后的金相组织。由图3(a)可以看出，经过热压缩，组织晶粒变形明显，粗大组织消失，主要为奥氏体组织，晶界处析出细粒状及粗大块状碳化物。经过SEM和DS分析显示，细粒状碳化物主要为含Mo的碳化物，构成了晶界，而大块状碳化物中Mo和P的含量均很高，存在磷共晶组织，见图3和表3。对比图1可发现，经过1 200℃保温、800℃下的压缩热变形，铸态组织中粗大的类珠光体组织和细珠光体组织已经固溶后消失，铸态下大块状的Mo含量很高的碳化物和磷共晶组织仍然存在。

图2 ZGMn13在不同温度条件下Gleeble压缩应力-应变曲线Figure 2 The Gleeble compressive stress-strain curves of ZGMn13 steel under different temperatures

图4所示为950℃时压缩后的金相组织。由图4(a)可见，当压缩温度进一步升高时，组织中的析出物很少，晶界上的细粒状碳化物也基本消失，晶界显示不出。而在原来聚集大块碳化物的区域，组织发生了细化，并发生了明显的再结晶现象，见图4(b)。此外，局部区域仍存在Mo含量很高的碳化物和磷共晶组织，且在磷共晶组织处发现了开裂现象，如图4(c)所示。

图5所示为1 050℃压缩后金相组织。图5(b)中A区域能谱结果见表4。从图5(a)可以看到，当压缩温度升到1 050℃时，存在明显的再结晶现象。

表3 图3(b)中A、B区域能谱结果(质量分数，%)Table 3 EDS analysis results of A and B zones illustrated in Figure 3(b) (mass fraction,%)

图3 ZGMn13高锰钢在800℃压缩后的金相组织Figure 3 Metallographic structure of ZGMn13 high manganese steel after compression at 800℃

图4 ZGMn13高锰钢在950℃压缩后的金相组织Figure 4 Metallographic structure of ZGMn13 high manganese steel after compression at 950℃

图5 ZGMn13在1 050℃压缩后的金相组织Figure 5 Metallographic structure of ZGMn13 steel after compression at 1 050℃.

CSiPMoCrMnFeA区域1.950.485.866.710.4322.7461.82

图6 Fe-P二元相图Figure 6 Fe-P binary phase diagram

同时析出相更少，碳化物形态更润滑，且沿着再结晶的晶界析出。SEM和EDS分析表明，析出物为含Mo型碳化物与磷共晶组织。在此温度下压缩，沿磷共晶组织晶界发生了更为明显的开裂现象，如图5(b)和5(c)所示。

4 讨论

磷在奥氏体中的溶解度很小，易于在晶界和枝晶处偏析。当磷在奥氏体晶界偏聚浓度很低时，以固溶形态偏聚于晶界。而当磷偏聚浓度高时，在晶界处形成类似Fe3P的结构[5]。而且，磷含量只有达到1%时，在1 005℃才能形成γ+Fe3P的二元磷共晶组织。本研究中高锰钢中的平均磷含量虽然仅为0.046%，远远低于1%，但如前所述，磷在奥氏体中的溶解度很低，在奥氏体高锰钢凝固过程中，磷会富集于未凝固的剩余液相中，使得在剩余液相中磷的浓度不断增加，达到所需浓度。γ+Fe3P的二元磷共晶组织凝固于奥氏体晶界，尤其是三叉奥氏体晶界处，因此在铸态高锰钢组织中沿晶界处会存在磷共晶组织。

图6所示为Fe-P二元相图。从图6可以看出，在1 050℃和1 166℃存在Fe-Fe2P和Fe-Fe3P共晶组织，因此在P偏聚最严重的晶界区域势必存在Fe-Fe2P-Fe3P共晶组织，将存在L→Fe+Fe2P+Fe3P的液-固相反应，即在1 050～1 200℃区间存在液相与固相共存的状态。在本研究的Gleeble压缩实验中，试样先加热到1 200℃，使得珠光体和(Fe,Mn)3C型碳化物溶解充分，再降到不同温度下进行压缩。在较低温度进行压缩，如800℃时，渗碳体还未析出，而磷共晶组织在晶界已经析出，压缩水冷后，组织较铸态均匀，晶粒变形明显，但再结晶细化效果不明显，晶界尤其是三叉晶界处存在变形的粗大块状碳化物(磷共晶碳化物析出后变形)。在高温状态进行压缩时，再结晶明显，当温度达到1 050℃时，由于磷共晶的存在，会有部分保持液相，在一定的外力作用下，可能生成液相通道，使得磷共晶沿再结晶的晶界处析出扩展，成为可能的裂纹源，导致高温压缩时裂纹的产生，如图5所示。同时，由于液相和裂纹的存在，导致试样基本不发生硬化现象。可以预见由于磷共晶的存在，铸件在进一步的冷凝应力作用下，裂纹源进一步扩展成为宏观可见裂纹。

综上所述，高锰钢铸件如果存在明显的磷偏析，存在磷共晶组织，是裂纹产生的原因，并严重影响其可锻性能。

5 结论

(1)Mo偏析和磷共晶组织是高锰钢微裂纹产生的重要原因之一。

(2)高温压缩条件下，铸态组织趋于均匀并细化，且发生了明显的再结晶现象。同时磷共晶组织沿再结晶晶界析出，导致高锰钢产生裂纹，性能恶化。

(3)如果要实现高锰钢可锻性能，需严格控制Mo元素的偏析，并进一步降低P的含量。

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