纳米SiC增强ZGMn13Cr2组织和性能

刘瑞莉，王文焱，王文彬，喻惠武，谢敬佩

（1.洛阳矿山机械工程设计研究院，河南 洛阳 471003；2.河南科技大学材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023）

纳米SiC增强ZGMn13Cr2组织和性能

刘瑞莉1，王文焱2，王文彬2，喻惠武2，谢敬佩2

（1.洛阳矿山机械工程设计研究院，河南 洛阳 471003；2.河南科技大学材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023）

采用中间合金法制备了纳米SiC强化ZGMn13Cr2样品。研究了添加纳米SiC对ZGMn13Cr2样品显微组织和力学性能的影响。研究结果表明：经改性纳米SiC粉末强化处理后的超高锰钢的组织有显著改善，力学性能明显提高，当SiC含量为0.3‰时，硬度和冲击吸收功分别提高了11%和12%。通过扫描电镜和能谱分析可以得出：SiC分解为Si和C存在于奥氏体基体中，并促进碳化物弥散分布于基体上，起到强化基体的作用。

纳米SiC粉体；高锰钢；力学性能；微观组织

0 引言

高锰钢因具有生产工艺简单、生产成本低以及良好的加工硬化能力等特点，被广泛用于制造冶金、矿山、建材、农机等工业部门所使用的耐磨件［1－3］。但对于厚大断面工件，高锰钢水韧化处理后内部常出现大块碳化物而严重降低其使用性能，低温条件下常出现脆断现象［4］，为了进一步提高高锰钢的加工硬化能力，改善其在低温条件下的使用性能，人们在现有高锰钢的基础上，通过适当提高锰含量，研制出了超高锰钢。

近年来人们将纳米材料作为变质剂引入到钢铁的冶炼过程中，取得了良好的效果［5－7］。利用纳米材料作为变质剂来改善超高锰钢的性能是一个新发展方向，对于铸造材料的技术革新具有极大的促进作用。ZGMn13Cr2作为合金化高锰钢，通过在传统高锰钢中添加Cr、Ni、Mo等合金元素形成［8－9］，高锰钢基础上通过提高锰含量至18%～25%，碳含量至1.3%～1.6%形成超高锰钢，明显提高了传统高锰钢的加工硬化能力和耐磨性［10－11］。SiC具有高强度、高硬度、优良的导热性以及很好的化学稳定性和抗氧化性［12］。在国内外研究中很少有纳米材料添加到合金化高锰钢中的报道，本文采用生产条件较成熟的中间合金法制备出了纳米SiC添加ZGMn13Cr2试样，研究了添加纳米SiC对ZGMn13Cr2显微组织和力学性能的影响。

1 试样制备与试验方法

试验所用的纳米SiC粉末的粒径为30～60 nm，与Si、A l等其他金属做成中间合金，纳米含量（质量分数）为15%，在熔炼过程中加入到ZGMn13Cr2材质中，保证纳米颗粒的加入量（质量分数）在0.3‰。试验所用的原材料为ZGMn13Cr2，采用中频感应电炉熔炼，其间加入铬铁等原料以调整合金含量，当温度达到1 600℃时出钢。钢液出包，吹氩加入改性纳米TiN粉末，之后吹氩搅拌数分钟。在1 400～1 450℃时浇铸成形，采用砂型铸造，样品的化学成分如表1所示。将样品经1 050～1 080℃奥氏体化后水韧处理。将样品线切割成带U型缺口的准试样10 mm×10 mm×55 mm测量其冲击韧性，用布氏硬度计测量样品硬度，用JSM-5610LV扫描电子显微镜观察样品的组织，用EDS能谱仪进行成分分析。

表1 ZGMn13Cr2的主要化学成分

2 结果与讨论

2.1 微观形貌分析

图1为ZGMn13Cr2的扫描电子显微形貌（SEM），其中，图1a和图1c是ZGMn13Cr2的铸态组织，图1b和图1d分别为其对应的固溶态组织。图1a、图1b为原始态高锰钢，图1c、图1d为添加纳米SiC中间合金的高锰钢。从图1中可以看出：添加纳米SiC陶瓷颗粒后，高锰钢的微观形貌有很大不同。

图1 ZGMn13C r2铸态和添加纳米SiC水韧处理前后的组织

图1a为未添加纳米颗粒高锰钢的铸态显微形貌，从图1a中可以看出：其显微组织主要由奥氏体晶粒和沿晶界呈大片团状分布的碳化物，碳化物数量多，且呈网状分布于晶界上。图1b为图1a样品对应的水韧处理后的显微形貌，由图1b可以看出：水韧处理后晶界碳化物固溶于奥氏体基体中，形成单一的奥氏体组织，同时还发现在晶界和晶粒内部有少量的球状未溶碳化物，奥氏体晶粒比较粗大。

图1c为添加纳米SiC中间合金的高锰钢的铸态组织，由图1c可以看出：其显微形貌发生较大的变化，晶界碳化物明显减少，晶内出现大量弥散分布的形状各异的第二相，未出现球状团聚碳化物。图1d为添加纳米SiC高锰钢的水韧处理后的显微形貌，由图1d可发现在基体上弥散分布着大量球状未溶第二相；另外还发现水韧处理后奥氏体晶粒有明显的粗化，这是由于原来分布于晶界上的难溶碳化物弥散分布于晶粒内部，对奥氏体晶粒长大所起的阻碍作用明显减弱，导致在水韧处理时奥氏体晶粒长大粗化。

图2为中间合金法加入纳米SiC后高锰钢中第二相颗粒的微观形貌及成分分析。合金制备过程中温度在900℃左右，由SiC分解反应的温度－吉布斯自由能曲线（见图3）可以看出：SiC的分解温度为3 200 K（即2 927℃），远大于制备中间合金时的温度，所以在制备成中间合金过程中，SiC不可能分解。图2b为图2a中A处的成分分析，由图2b可以看出：第二相粒子中有较高的碳量，其中几乎不含Si元素；另外，通过成分分析可知基体中有少量的硅元素（0.94%），而碳元素含量低于原始样品，这主要是由于硅元素是促进石墨化元素，降低碳元素在基体中的固溶度，说明通过中间合金法加入的纳米SiC，在ZGMn13Cr2中主要以分解为主，Si元素固溶到基体中，固溶强化提高了基体的硬度，并且促使C元素以第二相碳化物的形式分布于基体上。

图2 加入纳米SiC后高锰钢中第二相颗粒的微观形貌和成分分析

2.2 力学性能

表2是ZGMn13Cr2水韧处理前后的冲击吸收功，由表2可以看出：所有样品水韧处理后铸件的冲击吸收功大幅提高，这是由于水韧处理后晶界上的碳化物固溶到奥氏体中，形成单一的奥氏体（见图1）。添加纳米颗粒后样品的铸态和固溶态冲击吸收功都有一定程度的提高，从图1中可以看出：添加纳米颗粒后样品的微观形貌有很大的改善，最明显的是铸态碳化物的分布状态，添加纳米SiC中间合金后，晶界碳化物显著减少而呈弥散的点状分布于基体上，因此铸件铸态的韧性得到改善，U型缺口标准试样冲击吸收功由10.6 J／cm2提高到22 J／cm2，水韧处理后冲击吸收功由207 J／cm2提高到231 J／cm2。同时，通过上面的微观形貌分析可知：添加纳米SiC中间合金的高锰钢水韧处理后，由于晶界缺少能阻碍晶粒长大的难溶碳化物，而导致固溶加热时晶粒长大，其韧性略有提高。

图3 SiC分解反应的温度－吉布斯自由能曲线

表2 中间合金法加入纳米颗粒高锰钢的冲击韧性J／cm2

表3是ZGMn13Cr2水韧处理前后的布氏硬度，由表3可以看出：水韧处理后铸件的硬度略有下降，这是由于水韧处理后晶界及晶粒内部的碳化物固溶到奥氏体中，形成单一的奥氏体（见图1）。添加纳米SiC颗粒后高锰钢的硬度有所提高，这是由于在固态冷却过程中Si固溶于奥氏体中影响C在奥氏体中的溶解度，促使C脱溶形成大量的弥散分布的碳化物，起到第二相弥散强化的作用，同时Si元素是有效的固溶强化型元素，固溶到基体中强化基体提高硬度。

表3 中间合金法加入纳米颗粒高锰钢的布氏硬度

3 结论

（1）适量加入纳米SiC（质量分数0.3‰左右），可以有效地提高ZGMn13Cr2高锰钢材料的硬度和韧性。水韧处理后的布氏硬度由190HB增加到212HB；冲击吸收功由207 J／cm2提高到231 J／cm2。

（2）通过中间合金法制备的纳米SiC增强ZGMn13Cr2材料，加入的纳米SiC主要以分解为主，Si元素固溶到基体中，固溶强化提高了基体的硬度，并且促使C元素以第二相碳化物的形式分布于基体中。

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TG142.1

A

1672－6871（2014）05－0006－03

河南省科技攻关基金项目（084300510006）

刘瑞莉（1962－），女，河南洛阳人，工程师，研究方向为铸钢及耐磨材料；王文焱（1963－），男，通信作者，河南洛阳人，教授，博士，硕士生导师，研究方向为复合材料和耐磨材料的电子显微分析.

2014－03－25