高錳鋼磨損及變質(zhì)處理技術(shù)研究概況*

張 飄，莊文瑋，劉漢代

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

隨著制造業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、應(yīng)用條件的越發(fā)苛刻、高效化運(yùn)轉(zhuǎn)方向的不斷發(fā)展，作為傳統(tǒng)且耐磨性好的材料，高錳鋼在機(jī)械、礦山、冶金、鐵路等[1]條件下被廣泛使用。這些工況條件比較惡劣，反復(fù)的高沖擊載荷使高錳鋼出現(xiàn)加工硬化從而出現(xiàn)嚴(yán)重的疲勞磨損。但高錳鋼只有在高沖擊載荷條件下，才能展現(xiàn)其優(yōu)良的耐磨性和強(qiáng)度。

大型球磨機(jī)襯板選用的耐磨材料也是高錳鋼，其工況條件更惡劣，磨損失效更嚴(yán)重。有資料顯示[2]：80%機(jī)械零部件的失效是因?yàn)槟p造成使用壽命降低，而每年由于摩擦磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的5%。裝備制造業(yè)需要高性能的耐磨材料，而開發(fā)具有高性能的耐磨材料對(duì)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益均會(huì)產(chǎn)生影響，提高國(guó)家制造業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力的重要任務(wù)之一就是改善耐磨材料使用壽命。目前國(guó)內(nèi)變質(zhì)處理手段還比較薄弱，如何進(jìn)一步改善高錳鋼性能是變質(zhì)處理當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文從高錳鋼磨損機(jī)理、失效形式及改善高錳鋼性能方法的研究進(jìn)展進(jìn)行相關(guān)闡述。根據(jù)失效形式和改善高錳鋼性能各種強(qiáng)化機(jī)理，提出相應(yīng)的措施。

1 高錳鋼的發(fā)展現(xiàn)狀

高錳鋼最早由Hadfield研發(fā)，也被稱為Hadfield鋼。高錳鋼投入工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)志是應(yīng)用于電車軌道的道岔。由于高錳鋼應(yīng)用于惡劣的高沖擊載荷工況條件下，其表現(xiàn)出良好的加工硬化能力[3]，同時(shí)奧氏體基體使鑄件內(nèi)部有一定的韌性。高錳鋼作為常用的耐磨材料也有缺點(diǎn)：晶粒容易粗大，無法在中低沖載荷下發(fā)揮優(yōu)良的加工硬化性能導(dǎo)致耐磨性差；低溫條件可能出現(xiàn)脆斷；高溫潮濕條件可能會(huì)腐蝕[4]等還未得到根本的解決。很多耐磨金屬材料的出現(xiàn)慢慢取代了球磨機(jī)上所用的高錳鋼襯板，但是一些惡劣工況條件下，其他的耐磨材料無法發(fā)揮出高錳鋼那樣好的性能，這樣的條件最理想合適的材料還是高錳鋼[5]。研究改善高錳鋼的耐磨性可以在一定程度上提高經(jīng)濟(jì)效益，讓高錳鋼的加工特性得到充分發(fā)揮，延長(zhǎng)其使用壽命。

傳統(tǒng)高錳鋼主要成分為C、Mn、Si、S、P 等，高錳鋼中不同的化學(xué)成分起到的作用是不一樣的，如錳能穩(wěn)定奧氏體區(qū)還可以擴(kuò)大該區(qū)域，合適的碳和錳含量都能使高錳鋼的性能優(yōu)異，磷含量過高極易使鑄件出現(xiàn)熱裂紋而報(bào)廢。碳化物、γ、p還有少量的磷共晶是組成高錳鋼鑄態(tài)主要組織。結(jié)合圖1 所示可知[6]，鑄造結(jié)晶過程的冷卻速度低，組織的轉(zhuǎn)換是隨著溫度變化的。奧氏體晶界處的碳化物析出溫度是650～1 200 ℃；而γ相分解為α相和碳化物(Fe,Mn)3C的溫度是低于650 ℃。設(shè)計(jì)水韌處理工藝與高錳鋼是否得到單一的奧氏體組織密切相關(guān)，不同的固溶溫度和保溫時(shí)間需考慮此時(shí)組織中的碳化物此時(shí)是否充分溶解，得到理想奧氏體晶粒大小。

圖1 含錳13%的鐵、錳、碳截面組織三元圖

2 高錳鋼的失效

磨損、折斷及腐蝕會(huì)使材料失效，主要失效類型是磨損。磨損類型可以分為4 種：磨粒、表面疲勞、腐蝕和黏著。沖擊、磨粒及腐蝕共同作用使高錳鋼失效。下面將介紹幾種磨損。

（1）沖擊磨損

在沖擊載荷下工件表面材料出現(xiàn)脫落即為沖擊磨損。以破碎機(jī)的錘頭為例，主要原料是高錳鋼，生產(chǎn)滿足需求的錘頭需要通過不同的熱處理工藝。圖2所示為高錳鋼錘頭磨損示意圖，錘頭和物料的工作區(qū)是主要的接觸面，物料對(duì)錘頭的沖擊并且破碎物料同時(shí)進(jìn)行，錘頭會(huì)產(chǎn)生磨損[7]。在該工況下工作區(qū)會(huì)變形縮小，形成兩個(gè)方向的分力，加快錘頭磨損速度。工作區(qū)一旦完全被磨損，那么錘頭就不能實(shí)現(xiàn)破碎物料，即錘頭失效[8]。

圖2 錘頭磨損

（2）磨粒磨損

磨粒磨損是摩擦副間或者硬質(zhì)顆粒在工件表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者相互運(yùn)動(dòng)，最后使材料損失。上述的錘頭也有磨粒磨損，錘頭破碎物料產(chǎn)生的磨粒，沖擊載荷下物料對(duì)高錳鋼錘頭磨損較為嚴(yán)重。犁溝、切削、疲勞和啟裂是磨粒磨損的4種微觀機(jī)制[9]，如圖3所示。

圖3 磨粒磨損的4種微觀機(jī)制

磨粒磨損分為微觀機(jī)制的原因是磨損量均較小但反復(fù)作用，而磨損量的大小是取決于材料表面硬度，因此分為微觀磨粒磨損機(jī)制。磨料的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)會(huì)在材料表面產(chǎn)生切削形成犁溝；切削磨損材料表面接觸磨料產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成兩個(gè)方向的力，反復(fù)作用產(chǎn)生的切屑與磨屑均從磨損面脫落而造成材料損失。疲勞磨損是受循環(huán)接觸應(yīng)力引起材料表面出現(xiàn)一定程度的裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度就會(huì)出現(xiàn)連接，使材料表面出現(xiàn)大塊剝落形成凹坑。

（3）腐蝕磨損

在潮濕或者帶有腐蝕性的介質(zhì)環(huán)境中，工件表面產(chǎn)生摩擦，在摩擦副之間就可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，材料表面就會(huì)因化學(xué)反應(yīng)而不斷發(fā)生磨損。這種腐蝕生成的產(chǎn)物會(huì)脫落，材料表面反復(fù)在腐蝕和磨損下交替，最終材料失效。

3 改善高錳鋼耐磨性的方法

研究學(xué)者為了在低沖載荷或者低應(yīng)力條件下，能使高錳鋼充分發(fā)揮加工硬化能力且耐磨性好，探究了不同的方法來解決該問題。

3.1 沉淀強(qiáng)化

高錳鋼進(jìn)行熱處理，使脫溶和析出的碳化物即第二相質(zhì)點(diǎn)彌散分布在奧氏體基體上即沉淀強(qiáng)化，高錳鋼會(huì)因該組織的出現(xiàn)來抵抗磨料的沖擊[10]。不同的熱處理可得到該組織，先對(duì)鑄態(tài)組織進(jìn)行固溶處理，接著讓碳化物在過冷狀態(tài)下從奧氏體中脫溶，升溫重結(jié)晶析出和共析組織中的碳化物均被細(xì)化，最終奧氏體基體上彌散分布碳化物第二相質(zhì)點(diǎn)。

如圖4所示，不同熱處理工藝方法最終都是為了得到碳化物第二相質(zhì)點(diǎn)，都遵循第一階段消除鑄態(tài)組織原則。根據(jù)不同的條件選擇上述4種不同的沉淀強(qiáng)化方法，具體適用條件如表1所示。

圖4 4種沉淀強(qiáng)化的熱處理工藝方案

表1 不同沉淀熱處理應(yīng)用的條件

3.2 改性強(qiáng)化

高錳鋼鑄件為了保證壁厚較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的中心部位的穩(wěn)定性且組織仍為單相奧氏體。需要對(duì)高錳鋼進(jìn)行改性，即對(duì)鋼中碳和錳含量進(jìn)行調(diào)整，從而改變其性能。超高錳鋼是將傳統(tǒng)高錳鋼中的錳含量從12%～13%調(diào)到15%～23%，在0.9%～1.5%選擇碳含量。超高錳鋼在塑性和強(qiáng)度方面都有明顯改善，在低溫下發(fā)生脆斷裂的可能性也降低了[11]。超高錳鋼的性能研究表明：耐磨性比普通高錳鋼要好，但是錳含量不是越高越好，錳含量越多晶粒也更加容易變得粗大。加拿大一制造公司研發(fā)出的中錳鋼是降低傳統(tǒng)高錳鋼錳、碳含量，但奧氏體會(huì)變得不穩(wěn)定而向馬氏體轉(zhuǎn)變，來提高形變硬化的能力。中錳鋼的加工硬化能力還有它的延展性和奧氏體體積分?jǐn)?shù)、形變溫度均有關(guān)系[12]。

3.3 變質(zhì)強(qiáng)化

變質(zhì)強(qiáng)化是在傳統(tǒng)高錳鋼中加入其他稀土合金元素，合金化處理是改善高錳鋼性能的主要研究板塊。以常用的稀土變質(zhì)劑為例，稀土元素表面活性和本身的化合物是關(guān)鍵核心。奧氏體和夾雜物錯(cuò)配度低，能作為結(jié)晶時(shí)的異質(zhì)晶核。如圖5所示，在一定范圍內(nèi)鋼液中晶粒長(zhǎng)大程度隨著稀土元素含量的增加而變小[13]。

圖5 稀土元素對(duì)高錳鋼晶粒生長(zhǎng)的影響

由于稀土本身活潑的化學(xué)性質(zhì)，與鋼液形成形碳化物且均勻分布在晶內(nèi)，可以降低高錳鋼在鑄造中產(chǎn)生的熱裂紋，同時(shí)所需的鑄造應(yīng)力會(huì)降低。變質(zhì)處理不單單只有稀土，還可以擴(kuò)展加入其他的合金元素。高錳鋼的韌性會(huì)因加入的合金元素在晶界處析出的碳化物而降低，但是耐磨性得到了提升。合金化處理形成高熔點(diǎn)的化合物，細(xì)化晶粒，碳化物的析出提高加工硬化能力。研究表明加入多種合金元素比只加一種合金元素處理的高錳鋼效果要好[14]。

4 結(jié)束語(yǔ)

高錳鋼作為常用的耐磨材料，根據(jù)鐵碳錳三元圖在不同溫度范圍內(nèi)鋼的組織轉(zhuǎn)變，會(huì)生成熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性好的碳化物和滲碳體。γ相是鐵碳相圖重要的部分，加入合金元素引起γ相變化從而使得S 點(diǎn)（共析溫度點(diǎn)）和E 點(diǎn)（碳鋼、鑄鐵分界點(diǎn)）向左或右偏移，最終鋼中可能形成鐵素體或者單一的奧氏體組織。由此可得加入其他合金元素也會(huì)對(duì)鐵碳三原圖產(chǎn)生影響，γ相所在的溫度區(qū)間內(nèi)會(huì)由于合金元素溶于γ－Fe而發(fā)生該變。

探討高錳鋼的失效類型及機(jī)理，多方面的綜合因素使其材料失效。高沖擊載荷下才發(fā)揮優(yōu)良特性，惡劣的工況條件會(huì)加劇磨損，而更換零部件必然在工作效率和經(jīng)濟(jì)方面受到影響。針對(duì)材料失效可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防。

（1）控制高錳鋼中重要化學(xué)成分。錳能穩(wěn)定且擴(kuò)展奧氏體區(qū)，根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)還有適用的工況條件來選取合適的錳含量。使用低磷可以有效的降低裂紋的產(chǎn)生，也可以采用脫磷的手段降低磷的含量；除了錳、磷，沖擊韌性和硅含量有關(guān)，硅含量高生成碳化物也多，所以控制硅含量低于0.65%。

（2）高載荷的反復(fù)沖擊才能表現(xiàn)高耐磨性，可以從其表面加工硬化能力預(yù)防。適當(dāng)?shù)赝ㄟ^一些強(qiáng)化方法改善其硬化能力如預(yù)先硬化處理，能在一定程度上抵抗沖擊磨損，耐磨件壽命也會(huì)提高。

（3）延長(zhǎng)鑄件澆注保溫時(shí)間，讓鑄件盡可能在型腔內(nèi)緩慢冷卻，箱內(nèi)溫度低于200 ℃開箱。對(duì)于合金化處理的高錳鋼進(jìn)行熱處理其溫度要適當(dāng)提升30～50 ℃，嚴(yán)格控制好熱處理時(shí)間。

不同強(qiáng)化方法雖然有一定的效果，但是也有一定的局限性，要考慮其綜合性能和在制造生產(chǎn)中的推廣。如水韌處理和沉淀強(qiáng)化方法所需的工藝簡(jiǎn)單、成本低，沖擊韌性及抗拉強(qiáng)度都有提高，但會(huì)出現(xiàn)特殊的碳化物、溶解難度大，所以需要高溫度；改性處理MnO含量低可提高其沖擊韌度，熱裂紋傾向減小，但含量過低不能形成單一的奧氏體組織；變質(zhì)強(qiáng)化在選用合金元素上要考慮多方面的問題：如加入鈮元素能使奧氏體固溶時(shí)穩(wěn)定性得到增加，但是鋼液溫度要求很高，需要達(dá)到2 000 ℃，但是在工廠鑄造高錳鋼時(shí)鋼液溫度在1 600 ℃左右，工藝要求難以實(shí)現(xiàn)。

通過全文對(duì)高錳鋼分析，在提高高錳鋼耐磨性方面已有不少研究，但是都還未從根本上解決存在的問題。耐磨相可評(píng)判耐磨性的好壞，其相必須形態(tài)良好、硬度高且能在基體中均勻分布才能使材料具有較高耐磨性。沉淀強(qiáng)化中熱處理改善高錳鋼的基體組織，在一定程度上碳化物形成的第二相質(zhì)點(diǎn)可以使表面加工硬化能力增強(qiáng)。在未來的研究過程中可以考慮以碳化物強(qiáng)化基體為方向來提高高錳鋼的耐磨性。