多元合金化处理对高锰钢组织和性能的影响＊

傅定发，蔡家财，高文理

（湖南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410082）

高锰钢具有优良的韧性、加工硬化能力和耐磨性，作为一种良好的耐磨材料被广泛应用于铁路、矿山、冶金、电力等各个行业．但在非强冲击载荷下，由于高锰钢加工硬化不明显、表面硬度低，因而影响了其耐磨性．为了进一步提高高锰钢的耐磨性，人们在合金化处理［1］、热处理工艺［2］、表面预硬化处理［3］等方面进行了大量研究．研究表明，合金化处理是提高高锰钢耐磨性的有效途径之一．通常可采取在普通高锰钢的成分基础上加入Cr，V，N 等合金元素，从而增强其形变强化能力［4－6］．近年来，多元合金化处理越来越受到人们的重视，发现添加一种以上的合金元素，比添加单一元素所得到的性能改善效果更明显．

本文制定了合理的化学成分和试验工艺，在普通高锰钢的成分基础上进行多元合金化处理，研究合金化处理对高锰钢组织和性能的影响，从而为获得更好的高锰钢性能提供依据．

1 试验材料及方法

1．1 化学成分

为保证高锰钢同时具有良好的韧性和耐磨性，可适当提高锰和碳的含量，高锰钢的主要化学成分范围如表1所示．

表1 高锰钢主要化学成分范围Tab．1 Chemical composition of Hadfield steels

对高锰钢进行合金化处理，合金化处理方案如表2所示．添加的合金原材料为60Cr，纯V，纯Ti，纯稀土Ce和75Nb，其中60Cr，纯V 和75Nb采用炉内加入法，纯Ti和纯稀土Ce采用包内加入法．

表2 试验的合金化处理方案Tab．2 Experimental programs

1．2 试验工艺

试验用材料在100kg中频感应电炉中熔炼，采用不氧化法熔炼工艺，出钢温度为1 540～1 560℃，浇铸温度为1 400～1 420 ℃．试样浇铸成标准梅花试块，铸型采用呋喃树脂砂造型．对试样进行光谱分析，试样的化学成分如表3所示．

表3 试样的化学成分（质量分数）Tab．3 Chemical composition of the specimens（wt%）

将梅花试块进行水韧处理，具体工艺为：将梅花试块以60～80 ℃／h的加热速率由室温升温至650℃并保温2h，随后以100～120 ℃／h的加热速率升温至1 080 ℃并保温3h使其完全奥氏体化，最后迅速放入冷水中．

在MLD－10型动载磨料磨损试验机上进行耐磨性试验．上试样为待测试样，用线切割的方法加工至10mm×10 mm×30 mm，下试样为圆环形的40Cr钢（HRC50～55），磨料是粒度为1～2mm 的石英砂．进行试验时，下试样以200r／min的转速旋转，上试样以200 次／min的频率冲击下试样，选取的冲击功有1J，2J，3J，4J，磨料以15kg／h的流量流入上下试样之间，试验时间为90 min．待测试样在装机前后均用丙酮超声波清洗并烘干，在精度为0．1mg的光学天平上测量待测试样在磨损前后的质量，以其磨损失重的倒数表示耐磨性ε．

冲击试样为标准U 型缺口，测定三个试样的冲击值求平均值．硬度测试在HB3000型硬度计上进行，测定5 个点求平均值．试样经研磨、抛光后用4%硝酸酒精腐蚀，在OLYMPUS GX71 金相显微镜下进行显微组织观察．利用FEI Quanta－200型扫描电镜对冲击断口形貌和磨损表面形貌进行观察．

2 试验结果与分析

2．1 合金化处理对高锰钢显微组织的影响

图1为不同合金化处理高锰钢的热处理金相组织，表4为不同合金化处理高锰钢热处理后的平均晶粒尺寸．可见，高锰钢经水韧处理后碳化物基本已完全固溶于奥氏体中，为单一奥氏体组织．未经合金化处理的1号试样的平均晶粒尺寸为180．6μm，晶粒尺寸粗 大．而经Cr－V－Ti－RE，Cr－V－Ti，Cr－RE 和V－Ti－Nb－RE合金化处理的2 号、3 号、4 号 和5 号试样的平均晶粒尺寸分别为117．1μm，130．2μm，162．7μm 和100．2μm，晶粒细化了1～2级．同时还可看出，未经合金化处理的1号试样中夹杂物数量多、尺寸大，并且大多数呈尖角状或长条状分布于晶界处．而经合金化处理后，夹杂物数量减少、尺寸变小、形状变圆，并且弥散分布于基体中．

合金化处理可以显著细化晶粒，是由于稀土是表面活性元素，它可以与钢液中的O，S相互作用，形成高熔点的稀土氧化物、稀土硫化物．另外，V，Ti，Nb都是强烈的碳化物、氮化物形成元素，它们可以与钢中的C，N 形成高熔点的碳、氮化合物．在一定的条件下这些高熔点的稀土氧化物、稀土硫化物以及碳、氮化合物可作为钢液的异质形核核心．根据Tumbell和Vonnegut［7］提出的异质形核理论，作为形核剂需要具备以下两个条件：一是具有高于液相熔点的高熔点相；二是高熔点相与液相金属在某些低指数面中具有低的错配度．一般可认为，当两相错配度小于12%时，高熔点相可以作为异质形核核心，从而促进液态金属形核，细化铸态组织．并且错配度越小，高熔点相越易成为异质形核核心，细化效果越好．李玉清［8］研究了VC 对GH36合金的变质作用，认为VC和γ－Fe的错配度为8．38%．兰杰等［9］对CH13钢进行了研究，发现γ－Fe的（001）面在Ce2O3的（0001）面上形核的错配度为5．92%．陈祥等［10］研究了稀土、钒、钛变质处理对高硅铸钢晶粒细化的影响，得出TiC，TiN 与γ－Fe的错配度分别为12．53%和10．61%．谢敬佩等［11］研究了铌、氮在中锰奥氏体钢中的作用，发现NbN，Nb2C与γ－Fe的错配度分别为7．69%和6．79%．可见，这些高熔点相与γ－Fe的错配度都较低，因此它们可以作为奥氏体结晶时的异质形核核心，细化高锰钢铸态组织．

表4 不同合金化处理高锰钢热处理后的平均晶粒尺寸Tab．4 Average grain size of the specimens after heat treatment

合金化处理可以减少夹杂物数量，改善夹杂物大小、形状及分布状况，是由于稀土和O，S的亲和力强，稀土的加入首先与O，S形成稀土化合物，这些稀土化合物密度小、熔点高，易上浮到钢液表面进入熔渣而排出，从而使钢液得到一定程度的净化，减少夹杂物的数量．同时，高熔点的稀土化合物以及V，Ti，Nb与C，N 形成的碳、氮化合物作为异质形核核心，可以促进钢液形核，从而抑制夹杂物的进一步长大，使夹杂物以球状弥散分布于基体中．

图1 不同合金化处理高锰钢的热处理金相组织Fig．1 Microstructure of the specimens after heat treatment

2．2 合金化处理对高锰钢力学性能的影响

不同合金化处理高锰钢的力学性能如表5 所示．可以看出，未经合金化处理的1 号试样硬度较低，而经合金化处理后，硬度有所增大，这是细晶强化、固溶强化和弥散强化综合作用的结果．如前所述，高锰钢经合金化处理后晶粒显著细化，细晶强化提高了基体硬度．同时，Cr，V，Ti，Nb，稀土等合金元素一部分溶入奥氏体基体中，使晶格强烈畸变，起固溶强化作用；另一部分与C 形成高硬度的碳化物，这些硬质点弥散分布于基体中，进一步增加了高锰钢的硬度．

从表5中还可看出，合金化处理有助于提高高锰钢的冲击韧性，其中经Cr－V－Ti－RE合金化处理的2号试样的冲击韧性最高，达到了155J·cm－2，与未经合金化处理的1号试样相比，提高了32．5%．图2为不同合金化处理高锰钢的冲击断口形貌．由图可看出，所有试样都存在着大量的韧窝，大韧窝之间布满了小韧窝，并且有一些由于塑性撕裂而造成的撕裂棱，属于典型的韧性断裂．未经合金化处理的1号试样中韧窝比较细小、平均深度较浅（图2（a））．经合金化处理后，韧窝的平均尺寸变大、平均深度也变深（图2（b），（c），（d）和（e）），冲击韧性提高．其中，经Cr－V－Ti－Re合金化处理的2号试样中的韧窝为等轴状（图2（b）），韧窝大而深，说明试样在断裂之前发生了很大的塑性变形，对应着最高的冲击韧性．

表5 不同合金化处理高锰钢的力学性能Tab．5 Mechanical properties of the specimens

冲击韧性的大小主要受到裂纹形成和扩展两个阶段的影响［12］．当发生冲击断裂时，高锰钢中的夹杂物在形变过程中会强烈地阻碍位错的运动，造成位错塞积，从而产生应力集中．在未经合金化处理的1号试样中，夹杂物数量多、尺寸大，大多数呈尖角状或长条状分布在晶界处，容易产生应力集中，并且这些夹杂物往往脆性较大，因此裂纹容易在其附近形核并扩展，使得冲击韧性较低．通过合金化处理后，夹杂物数量减少、体积变小，并且夹杂物以球状弥散分布于基体中，减缓了应力集中，从而减少了它们对基体的危害．同时，合金化处理还细化了晶粒组织，使得裂纹扩展需要消耗更多的能量，增加了裂纹扩展的阻力，从而提高其冲击韧性．

图2 不同合金化处理高锰钢的冲击断口形貌（SEM）Fig．2 SEM images of impact fracture morphology of specimens

2．3 合金化处理对高锰钢耐磨性的影响

图3为不同合金化处理高锰钢的耐磨性随冲击功大小的变化情况．可以看出，未经合金化处理的1号试样和经V－Ti－Nb－RE合金化处理的5号试样的耐磨性随着冲击功的增大而增加；而经Cr－V－Ti－RE合金化处理的2号试样、经Cr－V－Ti合金化处理的3号试样和经Cr－RE 合金化处理的4号试样，其耐磨性随冲击功的增大呈先增加后降低的趋势，并且当冲击功为3J时耐磨性最好．经合金化处理后，试样的耐磨性显著提高，其中经Cr－V－Ti－RE 合金化处理的2号试样的耐磨性能最好，与未合金化处理的1 号试样相比，其耐磨性提高了13．9% ～45．4%．

图3 不同合金化高锰钢的耐磨性与冲击功的关系Fig．3 Relationship between impact energy and wear resistance of specimens

图4是经Cr－V－Ti－RE合金化处理的2号试样在不同冲击功下的磨损表面形貌，可见在低冲击功（1J）下，试样磨损面上发生了滚碾挤压塑性变形，出现了大量犁沟和凿坑（图4（a））．这是由于当冲击功较低时，试样表面加工硬化不充分，表面硬度较低，磨料压入试样的深度较深．此时的磨损机制以凿坑变形和显微切削为主．随着冲击功增大到2J，3J（中冲击功），高锰钢的变形程度增加，位错密度增大、孪晶数量增加，试样表面的加工硬化程度提高［13］，从而使表面硬度增大，磨损面上的凿坑和切痕变浅（图4（b），（c）），耐磨性提高．此时的磨损机制主要为浅小凿坑变形和显微切削．当冲击功进一步增大到4J时（高冲击功），试样表面产生了严重的加工硬化，使得韧塑性下降，在冲击载荷及磨粒的反复作用下，试样塑性变形能力耗尽，容易达到疲劳极限而产生裂纹，从而出现块状疲劳脱落（图4（d）），耐磨性急剧降低．此时的磨损机制主要为疲劳剥落．图4（d）凹坑中的白亮区域是残存的石英砂粉末．

高锰钢进行合金化处理后能提高耐磨性，可从两方面进行解释．一方面，合金化处理不但使晶粒细化，而且在基体中生成了弥散质点．这些晶界和弥散质点强烈阻碍了位错的运动，使得位错密度提高，形成位错缠结和胞状亚结构，增强了高锰钢的加工硬化能力，从而提高磨面硬度．另一方面，合金化处理改善了高锰钢的夹杂物形态和分布，提高了冲击韧性，从而有利于抑制裂纹的产生和扩展，提高抗疲劳剥落磨损的能力［14］．

图4 经Cr－V－Ti－Re合金化处理试样在不同冲击功下的磨面形貌Fig．4 SEM morphologies of worn surfaces of specimens with adding Cr－V－Ti－RE

3 结 论

1）进行多元合金化处理后，在高锰钢中形成大量的高熔点化合物，并且这些化合物与奥氏体相具有较低的错配度，可以强烈地促进异质形核，从而显著细化高锰钢晶粒；同时多元合金化处理可以减少夹杂物的数量，改善夹杂物大小、形状并使之弥散分布于基体中．

2）进行多元合金化处理后，高锰钢的硬度、冲击韧性以及在低、中、高冲击功下的耐磨性均有较大幅度提高．其中经Cr－V－Ti－RE 合金化的试样综合性能最好，其硬度为217HBS，冲击韧性为155J／cm2，比未经合金化处理的试样分别提高了12．4%，32．5%，耐磨性提高了13．9%～45．4%．

3）高锰钢的冲击磨料磨损机制和冲击功大小有关．在低、中冲击功（1J，2J，3J）下，高锰钢的磨损机制以凿坑变形和显微切削为主；在高冲击功（4J）下，磨损机制主要为疲劳剥落．

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