时效处理对ZGMn13钢组织和性能的影响

梁贤淑 郭亚非 晋帅勇 王敬伟 张艳召

（1.河南省大型铸锻件工程技术研究中心，河南洛阳 471039；2.中信重工机械股份有限公司，河南洛阳 471039）

ZGMn13钢零件在较大冲击力或摩擦力的作用下会产生加工硬化，表面硬度和耐磨性提高，在机械、水泥、矿山、煤炭等领域应用广泛［1-5］。该钢的铸态组织为奥氏体和碳化物，经过水韧处理后，碳化物基本溶解于奥氏体，具有较好的塑性和韧性［6］。张福全等［7］研究表明，ZGMn13钢的强化是加工硬化所致。张宇斌［8］研究发现，形变孪晶和高密度位错使ZGMn13钢热轧薄板发生强化。

冲击载荷不大时，ZGMn13钢不能充分硬化，表面易在磨料的冲击和切割作用下发生剪切破坏，耐磨性较差。近年来的研究表明，改进成分设计、优化铸造工艺、表面合金化、形变强化和爆炸处理等能在一定程度上改善高锰钢的耐磨性。

本文研究了时效温度对ZGMn13钢微观组织、冲击韧性和耐冲击磨料磨损性能的影响，可为ZGMn13钢的性能优化提供数据支撑。

1 试验材料及方法

试验材料为铸态ZGMn13钢试板，其化学成分如表1所示。将试板以80～120℃／h的速度加热到1 050℃保温4 h水冷即水韧处理，然后进行不同工艺的时效处理。时效温度分别为200、250、300、350、400、425、450、475和500℃，时效时间分别为2、6和10 h，出炉后空冷。

表1 试验用ZGMn13钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of the investigated ZGMn13 steel（mass fraction）%

采用蔡司倒置式光学显微镜和KYKY2800B型扫描电子显微镜（SEM，scanningelectronmicroscope）进行金相检验，腐蚀剂采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液；采用华银HB-300B型台式布氏硬度计测试硬度；采用JB-30B型冲击试验机检测冲击韧性；采用MLD-10型动载磨料磨损试验机进行冲击磨损试验，试验力100 N，试验时间1 h。

2 试验结果与分析

2.1 时效工艺对显微组织的影响

不同工艺时效的ZGMn13钢的显微组织如图1所示。图1表明：在200和400℃分别时效2、6和10 h及450℃时效2 h的钢均无碳化物析出；450℃时效6 h的钢晶界析出了针状碳化物，时效10 h的钢碳化物含量显著增多；500℃时效不同时间的钢中均出现了针状碳化物，碳化物的析出量随时效时间的延长而增加。

图1 在不同温度时效不同时间的ZGMn13钢的显微组织Fig.1 Microstructures of the ZGMn13 steel aged at different temperatures for different times

500℃时效6 h的ZGMn13钢的SEM形貌如图2所示。图2表明，碳化物呈针状、网状，分布在晶界；能谱分析显示，该碳化物含C、Fe和Mn。根据图3所示的Fe-Mn-C三元系相图（Mn的质量分数为13%）［9］，ZGMn13钢晶界的碳化物为（Fe，Mn）3C。熊运霞［10］研究表明，ZGMn13钢的室温组织为奥氏体基体、碳化物和珠光体。

图2 在500℃时效6 h的钢的SEM形貌（a，b）和能谱分析（c）Fig.2 SEM morphologies（a，b）and energy spectrum analysis（c）for the steel aged at 500℃for 6 h

图3 Fe-Mn-C三元系相图［9］Fig.3 Fe-Mn-C tenary system phase diagram［9］

根据GB／T 13925—2010《铸造高锰钢金相》对碳化物进行评级，结果如图4所示。这与钢的组织特征相吻合，即200～400℃时效2、6和10 h的钢均无碳化物析出。400℃以上温度时效的钢，逐渐有碳化物析出。425℃时效10 h、450℃时效6 h和500℃时效2 h的钢析出的碳化物最多，评级达到7级。

图4 ZGMn13钢碳化物级别随时效温度和时间的变化Fig.4 Carbide grade as a function of aging temperature and time at temperature for the ZGMn13 steel

2.2 时效对硬度和韧性的影响

图5为时效工艺对ZGMn13钢硬度的影响。由图5可知，随着时效时间的延长，低于400℃时效的钢，随着时效温度的提高硬度提高，400℃时效的钢硬度下降，425℃时效的钢硬度最低，更高温度时效的钢硬度急剧升高。

图5 时效处理对ZGMn13钢硬度的影响Fig.5 Effect of the aging treatment on hardness of the ZGMn13 steel

随着时效温度的升高，钢的冲击韧性先升高后下降（图6），350℃时效的钢冲击韧性最高，400℃时效的钢略有下降，随后显著降低。低于400℃时效的钢，晶界仅析出细小弥散的碳化物，对冲击韧性的影响不大；高于400℃时效的钢，晶界有针状碳化物析出，将严重影响材料的冲击韧性；500℃时效的钢有大量针状碳化物析出，导致材料脆性显著增大。

图6 时效处理对ZGMn13钢冲击韧性的影响Fig.6 Effect of the aging treatment on impact toughness of the ZGMn13 steel

2.3 时效对耐冲击磨损性能的影响

200℃时效6 h试样冲击磨损试验后的形貌如图7所示。图7圆圈所示区域为冲击磨损区域，试样端部已经变形，说明材料发生了一定的应变。在不同温度时效6 h试样的冲击磨损试验结果如表2和图8所示，可以看出：未时效的钢磨损率最高；在200～500℃时效的钢，随着时效温度的升高，磨损率先减小后增大，400℃时效的钢磨损率最小。水韧处理后，ZGMn13钢晶内和晶界的碳化物完全溶于基体，形成过饱和固溶体，获得单一奥氏体组织，硬度较低。当承受冲击载荷时，钢的加工硬化效果不明显，故未时效的钢磨损率较高。400℃时效的钢硬度略有升高，约220 HB，冲击韧度良好，约226 J／cm2，较高硬度与良好韧性的结合是钢的耐磨性改善的重要原因。

图7 200℃时效6 h试样冲击磨损试验后的形貌Fig.7 Appearance of the specimen aged at 200℃for 6 h after impact wear test

图8 时效温度对ZGMn13钢磨损率的影响Fig.8 Effect of the aging temperature on wear rate of the ZGMn13 steel

表2 不同温度时效6 h试样的冲击磨损试验结果Table 2 Results of the impact wear test for the specimens aged at different temperatures for 6 h

3 结论

（1）随着时效温度的升高和时间的延长，ZGMn13钢中开始析出细小弥散的碳化物，硬度提高；425℃时效10 h、450℃时效6 h、500℃时效2 h的钢析出的碳化物最多，评级达到了7级。

（2）随着时效温度的升高，钢的冲击韧性先升高后下降，350℃时效的钢冲击韧性最好，400℃时效的钢略有下降；低于400℃时效的钢仅晶界析出细小弥散的碳化物，对冲击韧性的影响不大；高于400℃时效的钢晶界析出针状碳化物，冲击韧性恶化。

（3）随着时效温度的升高，钢的磨损率先下降后上升，400℃时效的钢磨损率仅0.32%，即耐磨性最佳。400℃时效的钢硬度较高、韧性较好，是钢的耐磨性显著改善的重要原因。