脈沖電流對高錳鋼凝固組織的影響

李麗紅，張發海

（江蘇安全技術職業學院，江蘇徐州221011）

脈沖電流對高錳鋼凝固組織的影響

李麗紅，張發海

（江蘇安全技術職業學院，江蘇徐州221011）

采用高頻脈沖電流發生裝置及高溫熔化設備對高熔點高錳鋼施以脈沖電流處理，并系統分析了脈沖電流密度、脈沖頻率及脈沖電流處理溫度對ZGMnl3-2鋼凝固組織的影響。結果發現在處理溫度為試樣凝固點數值左右時，凝固組織隨著脈沖電流密度的增加和脈沖頻率的增大而產生細化效果。

高錳鋼；脈沖電流；晶粒細化

高錳鋼由于其很好的耐磨效果，而被廣泛的應用于耐磨零件的設計與制造中，比如挖掘機的鏟齒、破碎機的軋面壁和破碎壁等。但是，高錳鋼在低沖擊力下不能充分的被加工硬化，會導致耐磨性達不到理想的效果，因而在一定程度上制約了它的應用范圍的擴展，滿足不了市場對其的高需求。故而，如果能夠有效的細化高錳鋼的晶粒組織，提高其綜合性能尤其是耐磨性對于生產制造業具有非常廣泛的實用性及重大意義[1]。

本研究采用ZGMnl3-2鋼為實驗研究試樣，因其具有較寬的固相和液相溫度范圍（一般從1 250℃~1 400℃）所以能夠實現在其液固兩相區內進行長時間的脈沖電流處理。通過研究不同的處理溫度、不同的電流密度、不同的電流頻率等條件下進行大量的試驗，將試樣凝固后進行數據分析及組織觀察，找出利于晶粒細化的有效條件，使其成為一種有效可行的處理技術[2]。實驗中將對ZGMnl3-2鋼凝固時施以高密度脈沖電流，在不同的脈沖電流及溫度下對試樣進行試驗，以期獲得細小晶粒甚至超細晶奧氏體高錳鋼。

1實驗條件及方法

本實驗采用ZGMnl3-2鋼為研究對象，其具體成分為（wt．%）：C1.3，Mn12.8，Si0.6，S0.04，P0.09.實驗設備由3臺MWF50-4電容器組成，每臺電容器儲能為9.6 kJ；充電電壓最高為50 kV，并可實現連續可調；充電時間為5～15 s；脈沖電流的最大峰值為80 KA：脈沖電流半周期時間分別為10μs、20μs、50μs和100μs四檔。ZGMnl3-2鋼在普通鑄造時，其金相組織由奧氏體，以及沿奧氏體晶界析出的少量碳化物組成，且其奧氏體晶粒的長軸與短軸的平均值約為230μm.

實驗中運用了示差掃描量熱法測試了試樣的凝固溫度范圍，為1 382.2～1 298.7℃.試樣的熔點為1 391.6℃.這組數據有利于在試驗過程中對脈沖電流對金屬試樣的處理溫度、電流密度、電流頻率等相關數據進行對比研究，確保發現有效的影響金屬凝固組織晶粒細化的條件。

2試樣制備

實驗所用的試樣采用如下條件制備：

在氬氣保護下，將放有該合金的1 400℃剛玉坩堝置于爐內，升溫至1 550℃，隨即保溫30min.然后在降溫過程中，溫度達到1 382℃時，將試樣借助電極通入脈沖電流進行放電處理。在溫度降到1 290℃，停止對試樣的電流處理。最后，采用水冷的方式將坩堝連同試樣快速冷卻，得到試樣，尺寸為Φ10×50 mm[2]。

3脈沖電流密度對ZGMnl3-2鋼凝固組織的影響

在大量的實驗過程中發現，當對實驗材料的凝固組織進行同等頻率下的不同電流密度進行處理時，得出來的晶粒也不同。分別對四組試件進行TEM顯微分析，沒有經過電流處理時的試樣，晶粒粗大，方向無序。所采用的實驗脈沖電流密度越大，則試樣的金屬凝固組織晶粒越細小，排布越整齊有序。

再通過對晶粒尺寸與脈沖電流的密度的實驗數據研究，得出在頻率不變的情況下，奧氏體晶粒棒狀尺寸的長軸和短軸的平均值是隨著電流密度的增大而減小的。

所以，高密度脈沖電流對金屬凝固組織的細化效果起有益作用。

4脈沖電流頻率對ZGMnl3-2鋼凝固組織的影響

經過實驗研究證明：脈沖頻率的大小關乎材料的晶粒細化效果，分別對四組試件進行TEM顯微分析，在保證電流同等的情況之下，當脈沖頻率很小時，對該組織的晶粒細化產生的現象并不明顯，隨著電流脈沖頻率的增大，被試驗的材料其晶粒細化的現象就越來越明顯。所以，由此得出結論：要想獲得理想的細小晶粒組織，則脈沖電流頻率需采用高頻率，此為必要條件。

5開始放電溫度對ZGMnl3-2鋼凝固組織的影響

隨著實驗次數的大量增加，發現脈沖電流一開始的施加溫度非常重要，若溫度過高則會使得液體飛濺，甚至爆炸。這一點在圖1（a）上有明顯顯示：在初始放電溫度為1 400℃時，金屬的凝固組織照片顯示出大量的孔洞。盡管晶粒比較細小，但這些大量孔洞的存在依然影響材質的性能。而形成這些孔洞的罪魁禍首則是溫度，正是溫度的不合理使得金屬在凝固時產生了液體飛濺甚至是極小區域的爆炸。而這一現象則隨著溫度的提高而更加明顯，不利于等到更為理想的凝固組織[3]。

而圖1（c）和（d）則顯示：脈沖電流初始施加的溫度過低，會造成出現不均勻凝固的組織結構。經過大量的實驗表明，在開始放電溫度為1 382℃的脈沖電流處理下，ZGMnl3-2的凝固組織能夠得到圖1所示的效果，此時的金屬晶粒細小而均勻，性能最佳，最為理想。所以，經過反復的實驗研究得出如下結論：在對金屬凝固組織進行脈沖電流處理時，要將施加溫度考慮進去，盡量控制其溫度接近金屬的凝固點最為適宜。

圖1 ZGMnl3-2鋼在不同開始脈沖放電處理溫度時的凝固組織

6結束語

要想使高錳鋼的晶粒細化、凝固組織得到改善并將力學性能提高，可以采用在金屬凝固過程中運用脈沖電流進行控制，這不失為一種新型的凝固控制技術。在將來的大量研究中，這種技術一定能得到深入而廣泛的研究與應用，前景遠大。

[1]范金輝，華勤，侯旭，等．脈沖電流對奧式體不銹鋼凝固組織的影響[J]．鋼鐵，2003，38（5）：44-46.

[2]張明，任向飛，李建輝，等．脈沖電流對鐵基合金凝固組織的影響[J]．鋼鐵研究學報，2006，18（2）：50-54.

[3]肖蘊華，楊菲，原正興，等．脈沖電流處理對ZAl2合金凝固組織和力學性能的影響[J]．熱加工工藝，2002（6）：32-33.

Effectof Pulse Currenton Solidification Microstructure of High Manganese Steel

LILi-hong，ZHANG Fa-hai
（Jiangsu Safety Technology，Career Academy，Xuzhou Jiangsu 221011，China）

This study uses high frequency pulse current generator and high temperature melting equipment with pulse current of high melting point and high manganese steel，and analyzed the effect of pulse current density，pulse frequency and pulse current treatment temperature on the microstructure of ZGMnl3-2 steel.The results found that the processing temperature is about numerical solidification，solidification structure increases with the increase of the current density，pulse and pulse frequency and generate the refinementeffect.

highmanganese steel；pulse current；grain refinement

TH 142.2

A

1672-545X（2016）12-0219-02

2016-09-23

李麗紅（1982-），女，河北唐山人，本科，講師，研究方向：數控機床及自動化裝備等。