水韧处理对含钨耐磨锰钢组织、 性能的影响

刘让贤， 文 武， 夏 青， 王 营， 刘 阳

（1.张家界航空工业职业技术学院， 湖南 张家界 427000； 2. 中机生产力促进中心， 北京 100044；3. 湖南工业大学 机械工程学院， 湖南 株洲 412007）

0 引言

高锰钢是矿山机械、工程机械、农科机械等高技术领域和国防建设的重要基础材料， 同时在传统产业中发挥着重要的作用[1]。 由于我国耐磨钢的研究起步较晚，对于高质量高性能的耐磨材料主要依靠国外， 国内的耐磨材料的稳定性还有待提高[2]。 为解决晶粒粗大，耐磨性等问题，国内外从多个方向进行了研究[3-6]。

近些年，合金化处理是提升高锰钢耐磨性和寿命的有效途径，能提升其各项基本性能[7]。万文锋的研究表明[8]，钨合金化处理后能够改善高锰钢的硬度和抗拉强度。 廖畅发现，随着钨元素的增加，高锰钢的晶粒减小，力学性能得到改善[9]。本文是在传统高锰钢成分的基础上加入钨元素，通过不同水韧温度的控制，研究水韧温度对含钨耐磨锰钢组织和性能的影响， 为新型含钨耐磨锰钢的研究开发与生产应用提供参考。

1 试验材料和方法

通过控制钨元素含量，从而得到试验用高锰钢，其化学成分见表1。 试验钢在实验室采用30kg 的真空中频感应熔炼炉熔炼铸造而得。 试样在不同温度（920℃、980℃、1050℃）保温3h 后进行水韧处理，从水韧处理后的试块上切出金相试样、拉伸试样、冲击韧性试样和冲击磨损试样。

表1 试验用高锰钢的主要化学成分Tab.1 Chemical compositions of the manganese steel used in the test

金相实验： 利用线切割在试验钢切割出15×15×10（mm）的金相试样，用砂纸打磨至2000 目，最后经抛光后放入5%硝酸和5%酒精溶液腐蚀，酒精清理后烘干表面，用金相显微镜观察其组织。 硬度试验：利用数显布氏硬度计VHBS-3000A 进行硬度测试，测定5 个点求其平均值。拉伸试验：试样加工成直径5×70（mm）长的拉伸试样，利用WDW-150E 微机控制电子万能试验机对试样进行拉伸， 拉伸速率设为2mm/min， 每组试验测3 次取其平均值。 冲击韧性试验：将试样加工成10×10×55（mm）的带V型缺口的冲击试样， 之后在JBN-500 摆锤式冲击试验机上进行。一组式样测试3 次，取3 次式样的平均值作为最终结果。 冲击磨

损试验： 经过水韧处理后的冲击磨损试样的尺寸加工成10×10×30（mm），之后在MLD-10 式动载磨料磨损试验机上进行试验。每个试样在同种工况下进行：在0.5J 的冲击功下， 磨损0.5～1.5h 后经乙醇清洗后在LE104E 型电子天平称重，每组试验重复3 次，取其平均值。 之后在Quanta200 型扫描电镜观察冲击磨损试样表面形貌。

2 试验结果

2.1 显微组织

由图1 可见，含钨锰钢经过不同水韧处理后，随着温度的上升，高锰钢的碳化物减小。在更高温度下的含钨锰钢晶界处的碳化物得到溶解，碳化物的数量变小，在晶粒内部不同程度出现了一些细小的碳化物相[9]，并且在基体中弥散分布。

图1 不同水韧温度处理的金相显微组织Fig.1 Microstructure treated with different water toughness temperatures

2.2 水韧处理对含钨锰钢硬度的影响

本硬度试验是在VHBS-3000A 布氏硬度试验机测试的，进行3 次试验取其平均值，结果如图2 所示。由以上数据可见，经过水韧处理后试样硬度略微下降，其中920℃的硬度值最高，达到了213HB。 与920℃水韧处理后的材料相比，1050℃水韧处理后的平均硬度下降至202HB。结合图1 的金相图来分析，由于水韧处理之后，在晶界处的碳化物逐渐溶解，在基体中的碳化物逐渐增加。 钨和一部分的合金元素在水韧过程中会溶于基体中，也会增加高锰钢的硬度[10]，但由于晶界上粗大的碳化物没有完全溶解，引起的材料的硬度值较高。

图2 水韧温度对试验钢硬度的影响Fig.2 Effect of water toughness temperature on hardness of test steel

2.3 水韧处理对含钨锰钢冲击韧性的影响

图3 为不同水韧处理后的含钨锰钢的冲击韧性。 由图可见，随着水韧温度的升高，试验钢室温冲击功呈线性增加的趋势，在水韧温度1050℃时，冲击韧性上升至168J/m2。

图3 水韧温度对试验钢冲击韧性的影响Fig.3 Effect of water toughness temperature on Impact toughness of test steel

结合金相组织进行分析，随着水韧温度的升高， 碳化物逐渐溶解， 由于碳化物是一种硬脆相，晶界处又是晶格畸变严重的区域，所以导致材料容易在晶界处发生断裂，从而引起冲击功较低， 引起脆性断裂的原因主要是因为晶界处存在分布不均匀且尺寸偏大的碳化物[11]。 同时由于经过水韧处理之后，在基体内部分布均匀且形状细小的碳化物对合金的冲击韧性有利，所以冲击韧性逐渐增加。

2.4 水韧处理对含钨锰钢耐磨性能的影响

经过水韧处理后的含钨锰钢磨损失重随时间变化曲线如图4 所示，可以看出，材料的磨损失重均随着时间延长而增加，在0.5J 相同冲击工况下，相同磨损时间内，含钨锰钢的磨损失重随着水韧温度的增加， 其中1050℃水韧处理下的磨损量最小，耐磨性能最好。

图4 磨损失重随时间变化曲线Fig.4 The curve of wear loss weight with time

将冲击磨损表面形貌用Quanta200 型扫描电镜进行观察。 图5 是含钨锰钢的磨损形貌，图5（a）中有亮白色突起的部分是明显的撕裂岭， 其图中标出的是经过磨损撕裂后形成的剥落坑。 图5（b）的表面磨损形貌主要是由犁沟和剥落坑组成，图5（c）的磨损形貌主要是由犁沟组成，磨损表面较为平缓，说明在冲击磨损腐蚀过程中，1050℃的材料具有较好的耐冲击磨损性能。

含钨锰钢的磨损过程中， 其耐磨性主要取决于组织中碳化物的数量、形貌以及大小。由图1（a）、（b）可见，碳化物主要分布在晶界处，网状碳化物会沿连续的晶界萌生出裂纹同时会发生扩展[12]，从而在磨损过程中导致剥落坑的产生。从金相图1（c）可见，碳化物很细小且都分布均匀，由于碳化物成弥散状态分布，可以吸收部分能量，对裂纹扩展有一定的阻碍作用，因而耐磨性能较高[13-14]，所以在1050℃水韧处理后形貌主要是由犁沟组成。

图5 经不同水韧温度处理的表面磨损形貌Fig.5 Surface wear morphology treated with different water toughness temperatures

3 结论

随着水韧温度的升高， 在金相组织中分布在晶界处的碳化物逐渐减小， 同时在晶粒内出现细小弥散分布的碳化物。

随着水韧温度的升高，由于在晶界处的碳化物溶解，导致材料的硬度下降。在1050℃水韧处理之后，碳化物对基体的割裂作用最小，冲击韧性最高，综合性能最好。

在相同模拟工况条件下， 在1050℃水韧处理后的材料的冲击磨损性能优于其他水韧处理，其耐磨性最好。