納米SiC增強(qiáng)ZGMn13Cr2組織和性能

劉瑞莉，王文焱，王文彬，喻惠武，謝敬佩

（1.洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽 471003；2.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

納米SiC增強(qiáng)ZGMn13Cr2組織和性能

劉瑞莉1，王文焱2，王文彬2，喻惠武2，謝敬佩2

（1.洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽 471003；2.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

采用中間合金法制備了納米SiC強(qiáng)化ZGMn13Cr2樣品。研究了添加納米SiC對(duì)ZGMn13Cr2樣品顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：經(jīng)改性納米SiC粉末強(qiáng)化處理后的超高錳鋼的組織有顯著改善，力學(xué)性能明顯提高，當(dāng)SiC含量為0.3‰時(shí)，硬度和沖擊吸收功分別提高了11%和12%。通過掃描電鏡和能譜分析可以得出：SiC分解為Si和C存在于奧氏體基體中，并促進(jìn)碳化物彌散分布于基體上，起到強(qiáng)化基體的作用。

納米SiC粉體；高錳鋼；力學(xué)性能；微觀組織

0 引言

高錳鋼因具有生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)成本低以及良好的加工硬化能力等特點(diǎn)，被廣泛用于制造冶金、礦山、建材、農(nóng)機(jī)等工業(yè)部門所使用的耐磨件［1－3］。但對(duì)于厚大斷面工件，高錳鋼水韌化處理后內(nèi)部常出現(xiàn)大塊碳化物而嚴(yán)重降低其使用性能，低溫條件下常出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象［4］，為了進(jìn)一步提高高錳鋼的加工硬化能力，改善其在低溫條件下的使用性能，人們?cè)诂F(xiàn)有高錳鋼的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)提高錳含量，研制出了超高錳鋼。

近年來人們將納米材料作為變質(zhì)劑引入到鋼鐵的冶煉過程中，取得了良好的效果［5－7］。利用納米材料作為變質(zhì)劑來改善超高錳鋼的性能是一個(gè)新發(fā)展方向，對(duì)于鑄造材料的技術(shù)革新具有極大的促進(jìn)作用。ZGMn13Cr2作為合金化高錳鋼，通過在傳統(tǒng)高錳鋼中添加Cr、Ni、Mo等合金元素形成［8－9］，高錳鋼基礎(chǔ)上通過提高錳含量至18%～25%，碳含量至1.3%～1.6%形成超高錳鋼，明顯提高了傳統(tǒng)高錳鋼的加工硬化能力和耐磨性［10－11］。SiC具有高強(qiáng)度、高硬度、優(yōu)良的導(dǎo)熱性以及很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性［12］。在國內(nèi)外研究中很少有納米材料添加到合金化高錳鋼中的報(bào)道，本文采用生產(chǎn)條件較成熟的中間合金法制備出了納米SiC添加ZGMn13Cr2試樣，研究了添加納米SiC對(duì)ZGMn13Cr2顯微組織和力學(xué)性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用的納米SiC粉末的粒徑為30～60 nm，與Si、A l等其他金屬做成中間合金，納米含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為15%，在熔煉過程中加入到ZGMn13Cr2材質(zhì)中，保證納米顆粒的加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在0.3‰。試驗(yàn)所用的原材料為ZGMn13Cr2，采用中頻感應(yīng)電爐熔煉，其間加入鉻鐵等原料以調(diào)整合金含量，當(dāng)溫度達(dá)到1 600℃時(shí)出鋼。鋼液出包，吹氬加入改性納米TiN粉末，之后吹氬攪拌數(shù)分鐘。在1 400～1 450℃時(shí)澆鑄成形，采用砂型鑄造，樣品的化學(xué)成分如表1所示。將樣品經(jīng)1 050～1 080℃奧氏體化后水韌處理。將樣品線切割成帶U型缺口的準(zhǔn)試樣10 mm×10 mm×55 mm測(cè)量其沖擊韌性，用布氏硬度計(jì)測(cè)量樣品硬度，用JSM-5610LV掃描電子顯微鏡觀察樣品的組織，用EDS能譜儀進(jìn)行成分分析。

表1 ZGMn13Cr2的主要化學(xué)成分

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

圖1為ZGMn13Cr2的掃描電子顯微形貌（SEM），其中，圖1a和圖1c是ZGMn13Cr2的鑄態(tài)組織，圖1b和圖1d分別為其對(duì)應(yīng)的固溶態(tài)組織。圖1a、圖1b為原始態(tài)高錳鋼，圖1c、圖1d為添加納米SiC中間合金的高錳鋼。從圖1中可以看出：添加納米SiC陶瓷顆粒后，高錳鋼的微觀形貌有很大不同。

圖1 ZGMn13C r2鑄態(tài)和添加納米SiC水韌處理前后的組織

圖1a為未添加納米顆粒高錳鋼的鑄態(tài)顯微形貌，從圖1a中可以看出：其顯微組織主要由奧氏體晶粒和沿晶界呈大片團(tuán)狀分布的碳化物，碳化物數(shù)量多，且呈網(wǎng)狀分布于晶界上。圖1b為圖1a樣品對(duì)應(yīng)的水韌處理后的顯微形貌，由圖1b可以看出：水韌處理后晶界碳化物固溶于奧氏體基體中，形成單一的奧氏體組織，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在晶界和晶粒內(nèi)部有少量的球狀未溶碳化物，奧氏體晶粒比較粗大。

圖1c為添加納米SiC中間合金的高錳鋼的鑄態(tài)組織，由圖1c可以看出：其顯微形貌發(fā)生較大的變化，晶界碳化物明顯減少，晶內(nèi)出現(xiàn)大量彌散分布的形狀各異的第二相，未出現(xiàn)球狀團(tuán)聚碳化物。圖1d為添加納米SiC高錳鋼的水韌處理后的顯微形貌，由圖1d可發(fā)現(xiàn)在基體上彌散分布著大量球狀未溶第二相；另外還發(fā)現(xiàn)水韌處理后奧氏體晶粒有明顯的粗化，這是由于原來分布于晶界上的難溶碳化物彌散分布于晶粒內(nèi)部，對(duì)奧氏體晶粒長大所起的阻礙作用明顯減弱，導(dǎo)致在水韌處理時(shí)奧氏體晶粒長大粗化。

圖2為中間合金法加入納米SiC后高錳鋼中第二相顆粒的微觀形貌及成分分析。合金制備過程中溫度在900℃左右，由SiC分解反應(yīng)的溫度－吉布斯自由能曲線（見圖3）可以看出：SiC的分解溫度為3 200 K（即2 927℃），遠(yuǎn)大于制備中間合金時(shí)的溫度，所以在制備成中間合金過程中，SiC不可能分解。圖2b為圖2a中A處的成分分析，由圖2b可以看出：第二相粒子中有較高的碳量，其中幾乎不含Si元素；另外，通過成分分析可知基體中有少量的硅元素（0.94%），而碳元素含量低于原始樣品，這主要是由于硅元素是促進(jìn)石墨化元素，降低碳元素在基體中的固溶度，說明通過中間合金法加入的納米SiC，在ZGMn13Cr2中主要以分解為主，Si元素固溶到基體中，固溶強(qiáng)化提高了基體的硬度，并且促使C元素以第二相碳化物的形式分布于基體上。

圖2 加入納米SiC后高錳鋼中第二相顆粒的微觀形貌和成分分析

2.2 力學(xué)性能

表2是ZGMn13Cr2水韌處理前后的沖擊吸收功，由表2可以看出：所有樣品水韌處理后鑄件的沖擊吸收功大幅提高，這是由于水韌處理后晶界上的碳化物固溶到奧氏體中，形成單一的奧氏體（見圖1）。添加納米顆粒后樣品的鑄態(tài)和固溶態(tài)沖擊吸收功都有一定程度的提高，從圖1中可以看出：添加納米顆粒后樣品的微觀形貌有很大的改善，最明顯的是鑄態(tài)碳化物的分布狀態(tài)，添加納米SiC中間合金后，晶界碳化物顯著減少而呈彌散的點(diǎn)狀分布于基體上，因此鑄件鑄態(tài)的韌性得到改善，U型缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊吸收功由10.6 J／cm2提高到22 J／cm2，水韌處理后沖擊吸收功由207 J／cm2提高到231 J／cm2。同時(shí)，通過上面的微觀形貌分析可知：添加納米SiC中間合金的高錳鋼水韌處理后，由于晶界缺少能阻礙晶粒長大的難溶碳化物，而導(dǎo)致固溶加熱時(shí)晶粒長大，其韌性略有提高。

圖3 SiC分解反應(yīng)的溫度－吉布斯自由能曲線

表2 中間合金法加入納米顆粒高錳鋼的沖擊韌性J／cm2

表3是ZGMn13Cr2水韌處理前后的布氏硬度，由表3可以看出：水韌處理后鑄件的硬度略有下降，這是由于水韌處理后晶界及晶粒內(nèi)部的碳化物固溶到奧氏體中，形成單一的奧氏體（見圖1）。添加納米SiC顆粒后高錳鋼的硬度有所提高，這是由于在固態(tài)冷卻過程中Si固溶于奧氏體中影響C在奧氏體中的溶解度，促使C脫溶形成大量的彌散分布的碳化物，起到第二相彌散強(qiáng)化的作用，同時(shí)Si元素是有效的固溶強(qiáng)化型元素，固溶到基體中強(qiáng)化基體提高硬度。

表3 中間合金法加入納米顆粒高錳鋼的布氏硬度

3 結(jié)論

（1）適量加入納米SiC（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3‰左右），可以有效地提高ZGMn13Cr2高錳鋼材料的硬度和韌性。水韌處理后的布氏硬度由190HB增加到212HB；沖擊吸收功由207 J／cm2提高到231 J／cm2。

（2）通過中間合金法制備的納米SiC增強(qiáng)ZGMn13Cr2材料，加入的納米SiC主要以分解為主，Si元素固溶到基體中，固溶強(qiáng)化提高了基體的硬度，并且促使C元素以第二相碳化物的形式分布于基體中。

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TG142.1

A

1672－6871（2014）05－0006－03

河南省科技攻關(guān)基金項(xiàng)目（084300510006）

劉瑞莉（1962－），女，河南洛陽人，工程師，研究方向?yàn)殍T鋼及耐磨材料；王文焱（1963－），男，通信作者，河南洛陽人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閺?fù)合材料和耐磨材料的電子顯微分析.

2014－03－25