合金化處理對高碳高錳鋼組織與性能的影響

蘇冬雪，崔宇琳，王滿富，丁志敏

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

以ZGMn13鋼為代表的高碳高錳鋼在強沖擊條件下具有優異的耐磨性及良好的韌性，因而能在較高的沖擊載荷下不發生斷裂，被廣泛應用于鐵路、礦山等行業[1].近年來，貝氏體鋼因其具有較高的強度而成為鐵路轍叉的理想材料之一，世界上約有10%的鐵路轍叉由貝氏體鋼制造，我國貝氏體鋼轍叉已經在鐵路上廣泛應用，但到目前為止，高碳高錳鋼仍然是鐵路轍叉用鋼的主要材料.隨著鐵路運輸向高速化和重載化不斷發展，對鑄造高碳高錳鋼轍叉的耐磨性要求越來越高，因此需要進一步提高高碳高錳鋼的耐磨性.對高錳鋼進行合金化以及采用鍛造進行生產的方法是提高高錳鋼耐磨性非常有效的強化手段.合金化是在高錳鋼中添加Cr、Mo、V、Al、Ti、Ni等合金元素[2-6]，通過固溶強化、沉淀強化及細晶強化等作用強化奧氏體基體，以提高其耐磨性.在鑄造高錳鋼中添加Cr元素后，其硬度可提高到650～700HV，相應的其耐磨性也得到提高[7]；添加Al元素后，其低溫條件下的沖擊性能比普通高錳鋼提高2倍以上[8].此外，在鑄造高錳鋼中添加多種合金元素及微量稀土元素均可以使其耐磨性提高50%以上[9-11].但是，由于鑄造成型高錳鋼存在縮孔、偏析等鑄造缺陷，會對合金化后高錳鋼性能的提高產生不利影響，針對這一問題，丁志敏等人[12]采用熱鍛成型法生產出鍛造高碳高錳鋼，有效地消除了鑄造缺陷，較大幅度地提高了高錳鋼的性能，并且改變了高錳鋼不能鍛造的傳統觀念.

然而，在鍛造高錳鋼的基礎上進行合金化，其性能的變化規律是否也與鑄造高錳鋼合金化的相同，目前還鮮有報道.鑒于此，本試驗將在鍛造高錳鋼常規化學成分的基礎上添加Cr、Mo、V、Al等合金元素進行合金化處理，并對合金化處理后的高碳高錳鋼進行組織結構和機械性能研究，以期為獲得使用壽命更高的高錳鋼轍叉提供理論依據.

1 試驗材料與方法

試驗所用材料為合金化的鍛造高碳高錳鋼(簡稱合金高錳鋼，下同)、鍛造高碳高錳鋼(簡稱高錳鋼，下同)以及為了進行耐磨性對比而引入的貝氏體鋼.

表1為試驗用高錳鋼和合金高錳鋼的化學成分.材料經熔煉、澆鑄和鍛造后加工成Φ80 mm的圓棒，經水韌處理后切割加工成尺寸為10 mm×10 mm×15 mm的金相試樣、標準夏比U形缺口試樣、直徑為Φ10.0 mm的標準圓柱短拉伸試樣以及尺寸為(30～34) mm×(15～18) mm×(5～8) mm的片狀磨損測試試樣.

表1 試驗用高錳鋼和合金高錳鋼的化學成分 %

在鐵路組合轍叉中常用貝氏體鋼[13-14]的化學成分范圍如表2所示.本試驗用材料經熔煉、澆注、鍛造、擴氫退火、高溫奧氏體化處理后空冷獲得貝氏體組織，然后切割成尺寸為31.0 mm×14.8 mm×5.8 mm的片狀磨損試樣.

表2 試驗用貝氏體鋼的化學成分范圍 %

高錳鋼和合金高錳鋼分別加熱到1050℃和1080℃保溫1.5 h后進行水冷.利用Lecia DMi8 A 顯微鏡對高錳鋼和合金高錳鋼金相試樣進行了組織觀察，并采用截線法測量高錳鋼和合金高錳鋼的平均晶粒尺寸.

分別利用WDW-300E萬能試驗機和JB-W300A型沖擊試驗機進行了拉伸、沖擊試驗，其中拉伸時的加載速率為5 mm/min.將拉伸斷口、沖擊斷口分別置于蔡司SUPRA 55型場發射掃描電子顯微鏡和JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡下進行觀察.

利用自制球磨機對高錳鋼、合金高錳鋼及貝氏體鋼進行了磨損試驗，實驗設備如圖1所示.球磨機公轉速度為3 000 r/min，自轉速度為1000r/min，磨粒為SiC粗晶，以此模擬強沖擊磨損條件.在磨損前及分別經磨損1、3、7、15、31min后，依次使用丙酮和無水乙醇對試樣進行超聲波清洗，在空氣中靜置24h后利用精度為0.1 mg的AL204電子分析天平進行稱重，用單位面積上的質量損失(mg/cm2)來表征材料的耐磨性，即質量損失越少，耐磨性越高[15]；同時利用Lecia DMi8 A 金相顯微鏡對磨損試樣的表面形貌進行觀察；并利用HV-1000B型顯微硬度計測量試樣的表面硬度，測量時載荷為9.81 N，加載時間為30 s.

圖1 試驗用球磨機示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 金相組織

圖2為高錳鋼和合金高錳鋼經水韌處理后的金相組織.由圖2可知，高錳鋼和合金高錳鋼分別經1 050℃和1 080℃水韌處理后均為單一奧氏體組織，晶界及晶粒內觀察不到碳化物的析出.高錳鋼和合金高錳鋼的平均晶粒尺寸分別為612和66μm，合金高錳鋼的平均晶粒尺寸為高錳鋼的10.8%，明顯比高錳鋼的細小.

(a) 高錳鋼

(b) 合金高錳鋼

2.2 拉伸性能及其斷口形貌

2.2.1 拉伸曲線與拉伸性能

圖3為高錳鋼和合金高錳鋼的拉伸應力應變曲線.由圖3可知，高錳鋼和合金高錳鋼的應力應變曲線均無明顯的屈服現象和縮頸現象，并且在整個拉伸過程中，合金高錳鋼的應力應變曲線始終高于高錳鋼.

圖3 高錳鋼和合金高錳鋼的應力應變曲線

表3為根據圖3所獲得的高錳鋼和合金高錳鋼的拉伸性能.由表3可知，高錳鋼和合金高錳鋼的屈服強度均較低，而在斷裂前的抗拉強度均較高，表明高錳鋼和合金高錳鋼均具有優異的形變強化能力.與高錳鋼相比，合金高錳鋼的斷后伸長率和斷面收縮率差別不明顯，但合金高錳鋼的屈服強度和抗拉強度分別達到550和955 MPa，提高了31%和11%，表明合金化能使合金高錳鋼在保持良好塑性的同時，還使其強度得以大幅度提高.

表3試驗用高錳鋼和合金高錳鋼的拉伸性能

試樣屈服強度MPa抗拉強度MPa斷后伸長率%斷面收縮率%高錳鋼42086043.229.7合金高錳鋼55095539.533.6

2.2.2 斷口形貌

圖4為高錳鋼和合金高錳鋼的拉伸斷口形貌.由圖4可知，不論是宏觀斷口形貌，還是微觀斷口形貌，兩者的斷口形貌基本相同.在宏觀形貌上，斷口由粗糙不平的纖維區和呈棘棱狀的剪切唇兩部分組成；在微觀形貌上，兩者均為大量等軸狀的韌窩.表明高錳鋼和合金高錳鋼在拉伸斷裂過程中裂紋是緩慢擴展的.

(a) 高錳鋼

(b) 合金高錳鋼

2.3 沖擊性能及其斷口形貌

表4為試驗用高錳鋼和合金高錳鋼的沖擊功.由表4可以看出，合金高錳鋼和高錳鋼均具有優異的沖擊性能，但合金高錳鋼的沖擊性能略低于高錳鋼.合金高錳鋼的沖擊性能較低的原因可能是由于加入的Cr、Mo、V、Al元素將會在材料中產生細晶強化、固溶強化以及沉淀強化等作用，而使合金高錳鋼的抗拉強度升高(如表3所示)，韌性下降[16-17].

表4 試驗用高錳鋼和合金高錳鋼的沖擊功

圖5為高錳鋼和合金高錳鋼的沖擊斷口形貌.由圖5可知，高錳鋼和合金高錳鋼沖擊斷口宏觀形貌均由纖維區和剪切唇組成，而微觀形貌均為大量等軸狀的韌窩.表明高錳鋼在沖擊時發生大量的塑性變形，為韌性斷裂.

(a) 高錳鋼

(b) 合金高錳鋼

2.4 磨損性能

2.4.1 失重量

圖6為不同材料的失重量與磨損時間的關系曲線.由圖6可知，在整個磨損過程中，高錳鋼、合金高錳鋼和貝氏體鋼的失重量均隨磨損時間的增加而增加，但材料不同，失重量也不同.其中，貝氏體鋼的失重量最高，高錳鋼和合金高錳鋼的失重量分別比貝氏體鋼低19.1%和25.5%，而合金高錳鋼的失重量又比高錳鋼低7.9%.表明高錳鋼在強沖擊條件下的耐磨性優于貝氏體鋼，并且與高錳鋼相比，合金高錳鋼具有更加優良的耐磨性.

圖6 不同材料的失重量與磨損時間的關系曲線

2.4.2 表面硬度

圖7為磨損過程中不同材料的表面硬度與磨損時間的關系曲線.由圖7可知，隨著磨損時間的延長，高錳鋼、合金高錳鋼和貝氏體鋼的表面硬度均呈現先增加后穩定的趨勢，其中高錳鋼和合金高錳鋼的表面硬度在磨損15 min后趨于穩定，貝氏體鋼的表面硬度在磨損3 min后逐漸穩定.

磨損前，高錳鋼和合金高錳鋼的硬度值均在300 HV以下，貝氏體鋼的硬度值為439 HV，貝氏體鋼的表面硬度分別比高錳鋼和合金高錳鋼高68.8%和77.0%.經磨損后，高錳鋼迅速產生加工硬化，使得合金高錳鋼的表面硬度達到658HV，高錳鋼的表面硬度達到632HV，貝氏體鋼的表面硬度為544 HV，高錳鋼和合金高錳鋼的表面硬度比貝氏體鋼的分別高16.1%和20.9%，而合金高錳鋼的表面硬度比高錳鋼高4.1%.表明兩種高錳鋼在強沖擊條件下的加工硬化特性大大優于貝氏體鋼，且合金高錳鋼的加工硬化特性優于高錳鋼.通常將硬度作為衡量材料耐磨性的重要指標之一，表面硬度越高，耐磨性越好[5，18].

圖7 不同材料的表面硬度與磨損時間的關系曲線

3 討論

由2.4節可以看出，在整個磨損試驗過程中，合金高錳鋼和高錳鋼的耐磨性均明顯高于貝氏體鋼，并且合金高錳鋼的耐磨性要高于高錳鋼.而貝氏體鋼、高錳鋼、合金高錳鋼三種材料在強沖擊條件下耐磨性的差異可能與材料的原始硬度及其試驗過程中強沖擊條件下表面硬度的變化有關.

在磨損實驗前，貝氏體鋼的表面硬度分別比高錳鋼和合金高錳鋼高68.8%和77.0%.由于高錳鋼和合金高錳鋼具有優異的形變強化能力，因而，在試驗過程中的強沖擊載荷作用下，兩者表面硬度提高的程度均大大高于貝氏體鋼，使得經過7 min的磨損之后，兩者的硬度開始高于貝氏體鋼，經過31 min磨損后，高錳鋼和合金高錳鋼的表面硬度比貝氏體鋼的分別高16.1%和20.9%，而合金高錳鋼的表面硬度比高錳鋼高4.1%(如2.4.2節所示).高的表面硬度將具有高的耐磨性，因而，在磨損31 min后，高錳鋼和合金高錳鋼的失重量分別比貝氏體鋼低19.1%和25.5%，而合金高錳鋼的失重量又比高錳鋼低7.9%(如2.4.1節所示)，表明在強沖擊條件下高錳鋼和合金高錳鋼的耐磨性優于貝氏體鋼.

合金高錳鋼的耐磨性高于高錳鋼是由于Cr、V、Mo等元素的合金化使合金高錳鋼得到了沉淀強化、細晶強化和固溶強化的結果.

Cr、V、Mo元素為強碳、氮化合物形成元素，在水韌處理過程中，Cr、V、Mo元素與鋼中的C、N形成高熔點的穩定碳、氮化合物，并彌散分布在奧氏體基體中，增強了基體的硬度，起到沉淀強化的作用[2-3,10].

并且，高熔點的碳、氮化合物將在高錳鋼水韌處理的加熱過程中位于奧氏體晶界處，對奧氏體晶粒的長大起著阻礙作用[19]，而使晶粒細化.合金高錳鋼鋼的晶粒尺寸下降為高錳鋼晶粒的10.8%(如2.1節所示).晶粒越細小材料的強度硬度越高.

此外，Cr、V、Mo、Al元素固溶于奧氏體內，能夠引起強烈的晶格畸變，增大位錯運動的阻力，起到固溶強化的作用，提高基體的硬度[3,5].如2.2.1節所示的那樣，合金高錳鋼在拉伸過程中表現出優異的拉伸性能，其抗拉強度和屈服強度比高錳鋼分別提高了11%和31%.

綜上所述，正是由于沉淀強化、細晶強化和固溶強化的綜合作用，增強了合金高錳鋼基體的硬度及形變強化能力，使合金高錳鋼在保持塑性韌性基本不變的情況下，其在磨損過程中的表面硬度得以大幅度提高，進而提高了合金高錳鋼的耐磨性.

4 結論

(1)高錳鋼和合金高錳鋼分別經1050℃和1080℃水韌處理后，均為單一奧氏體組織，晶界及晶粒內觀察不到碳化物的析出.但與高錳鋼相比，合金高錳鋼的晶粒得到明顯的細化;

(2)與高錳鋼相比，合金高錳鋼的斷后延伸率、斷面收縮率及沖擊功均無明顯的差異.而合金高錳鋼的屈服強度和抗拉強度比高錳鋼分別提高了31%和11%;

(3)高錳鋼、合金高錳鋼和貝氏體鋼的失重量均隨磨損時間的增加而增加.其中合金高錳鋼的失重量最低，比高錳鋼低7.9%;

(4)隨著磨損時間的延長，高錳鋼、合金高錳鋼和貝氏體鋼的表面硬度均呈現先增加后穩定的趨勢，高錳鋼和合金高錳鋼的表面硬度在磨損15min后趨于穩定，貝氏體鋼的表面硬度在磨損3min后逐漸穩定.穩定后，合金高錳鋼的表面硬度最高，比高錳鋼高4.1%.