合金化處理對高錳鋼組織與性能的影響*

萬文鋒，劉漢代，莊文瑋，張 飄，智海旭，彭 偉

（東華理工大學機械與電子工程學院，南昌 330013）

0 引言

高錳鋼因其固有的韌性及其耐磨性，被用于生活中各個領域，尤其是鐵路、礦山等行業[1－3]。ZGMn13 高錳鋼在應用方面更具代表性。合金化處理高錳鋼的研究也是比較盛行，但是高錳鋼也存在一些問題，比如高錳鋼必須在加工硬化后才能表現出良好的耐磨性，因而在強沖擊載荷下耐磨效果更好。隨著對高錳鋼的使用要求愈發嚴格，需要提高其使用性能，學者們深入地探究其機理，發現合金化處理能充分提高高錳鋼的力學性能。合金化是在高錳鋼中添加一些稀有的金屬元素，從而增強其形變強化能力[4－6]。通過固溶強化和沉淀強化作用于基體，提高其性能。本文通過合理分析，制定了一套完整的實驗工藝和方案。在ZGMn13高錳鋼中用釩、鈦、稀土進行合金化處理。設置了不同的含量成分梯度，探討合金化處理的研究對高錳鋼各力學性能的影響，分別對各機械性能的最佳含量成分進行研究，得出了一個合理的結果，從而為實際生產提供依據。

1 實驗內容

本次研究所用的材料為傳統的高錳鋼和經過合金化處理的高錳鋼。表1所示為實驗所用的傳統高錳鋼ZGMn13的化學成分，高錳鋼材料經熔煉、澆鑄和鍛造后加工成圓棒，經粗加工、精加工后，切割加工成直徑為φ16.0 mm、軸向高度為8 mm 的金相試樣，以及直徑為φ16 mm、軸向高度為12 mm硬度試樣。

表1 未合金化高錳鋼的化學成分Table.1 Chemical composition of unalloyed high manganese steel

傳統的高錳鋼的化學成分范圍如表2 所示，本試驗材料經熔煉、鍛造、澆鑄，切割成小試環對頂件磨損試樣和銷磨損試樣。

表2 合金化高錳鋼的化學成分Table.2 Chemical composition of alloyed high manganese steel

高錳鋼的固溶所用的溫度范圍一般為1 050～1 080 ℃。經過合金化處理的高錳鋼會產生合金的滲碳體。相對于未合金化的高錳鋼性能更加穩固，因此固溶溫度需要提高，一般為30～50 ℃；保溫一段時間后水冷，就能獲得單一奧氏體組織，從而使其沖擊韌性大大提高。合金化高錳鋼組織中的碳化物析出、溶解的同時，基體組織也會隨著變化；設置的550 ℃主要是形成珠光體；然后加熱到650 ℃珠光體將重結晶在相界上形核。此實驗中熱處理的鑄件都是小型鑄件（壁厚小于40 mm）。依據樣品尺寸等實驗內容設計了水韌處理工藝，如圖1所示。

圖1 水韌處理方案Fig.1 Water toughness treatment scheme

利用4XD－2 雙目倒置金相顯微鏡對未進行合金化的高錳鋼和合金化的高錳鋼進行觀察，并測量多次數據尺寸，計算其平均晶粒尺寸。

利用CMT5605 電子萬能試驗機對兩類試樣進行拉伸實驗，用HR－150A洛氏硬度試驗機進行硬度的測試，其中實驗所用的拉伸加載速率設為1 mm/min。隨后將拉伸試樣的斷口置于FEI Nova Nano SEM 450 的場發射電子掃描顯微鏡下進行觀察。

利用MMW－1立式萬能摩擦磨損試驗機對高錳鋼、合金高錳鋼進行磨損試驗，本次摩擦磨損試驗設定轉速為300 r/min，每次試驗最多可裝夾3件試樣銷。試驗前，將試樣做標準化處理，用酒精清洗后，吹風機吹干，再用0.1‰光電天平稱取每組2～3件試樣的總質量記錄為實驗前質量。實驗結束后使用無水乙醇清洗試樣，去除磨屑，清洗完畢后吹干，再次使用天平進行稱重，記錄為試驗后質量。最終計算出實驗前后各組試樣銷的質量差即為磨損的質量。以試樣磨損質量與試驗前的質量之比作為磨損率來衡量材料的耐磨性。

2 合金化處理實驗

本次研究內容為探究合金化處理對高錳鋼的影響，是在普通高錳鋼的成分基礎上添加釩、鈦、稀土等合金元素，根據添加的合金元素的差異，試樣被分為4 組，#1 試樣為未添加釩、鈦、稀土的對照組。試樣的成分檢測結果如表3所示。

表3 試樣的化學成分Table.3 Chemical composition of sample

3 試驗結果與分析

3.1 金相組織與斷口形貌

圖2 所示為在光學顯微鏡觀察到的合金化高錳鋼的金相組織，從金相組織中可以看到，本次試驗的高錳鋼試樣經水韌處理后的組織并非呈單相奧氏體，圖2（a）的傳統高錳鋼試樣組織中珠光體較多；圖2（b）中存在奧氏體轉化的珠光體；圖2（c）中珠光體較少，主要為奧氏體；圖2（d）中基本為單一奧氏體。另外，圖2（b）～（d）中分布著的微小顆粒為組織轉變過程中析出的共晶碳化物，圖2（a）中的碳化物微粒明顯少于前3 組。圖2（a）中未經合金化的1#試樣晶粒較其他試樣偏大，并且黑色夾雜物數量較多，在圖3（a）的SEM圖像中也能夠清楚看到其為亮白色，呈不規則團絮狀大量分布；經合金化處理的#2、#3、#4 試樣晶粒明顯更加細小。

圖2 水韌處理后的金相組織Fig.2 Metallographic structure after water toughening

圖3 所示為掃描電子顯微鏡拍攝的高錳鋼試樣表面形貌。由掃描電鏡觀察到的高錳鋼試樣表面形貌可見，加入了釩、鈦、稀土的試樣夾雜物數量顯著減少，其尺寸明顯減小，多呈鏈狀、小型團塊狀均勻分散在基體內。稀土是表面活性元素，可以降低晶核的形核功，提高形核率；其與O、S具有非常強的親和力，高錳鋼中添加的大部分稀土會和O、S結合生成高熔點化合物，此類化合物質量較輕，熔煉時會上浮到鋼液表面隨爐渣一同被清除，起到凈化鋼液的效果，從而使組織中夾雜物減少；同時，遺留的高熔點稀土化合物能夠成為異質結晶核心，促進鋼液形核，從而抑制夾雜物的進一步長大，并使其分布更加彌散；此外，也會有少部分稀土元素固溶于基體，而其具有較大的偏析系數，對枝晶的熔斷、游離和增殖具有促進作用，從而提高形核率，使晶粒尺寸減小。因此稀土的加入有助于細化晶粒，減少夾雜物數量，改善夾雜物尺寸及分布情況。總結其作用機理：V、Ti元素少部分固溶于基體，大部分與C、N等結合生成化合物微粒并析出，這些析出相具有高熔點、高硬度的特點，并與γ相的錯配度較低，能作為結晶核心，提高形核率，從而使高錳鋼晶粒細化；合金析出相分布在晶界附近，可以防止原子擴散，阻止晶界移動，以抑制晶粒和夾雜物長大。

圖3 高錳鋼表面形貌（SEM）Fig.3 Surface morphology of high manganese steel（SEM）

3.2 硬度

本試驗采用的是HR－150A 洛氏硬度試驗機測試各組4 個試樣的硬度，對每個試樣都進行3次試驗，將所得數據進行平均化取值，結果如圖4所示。

圖4 硬度試驗值Fig.4 Hardness test value

由以上數據可見，未經釩、鈦、稀土合金化處理的對照組#1 試樣的硬度值最低，經過合金化處理后試樣硬度明顯提高，其中#2試樣的硬度值最高，達到了30.6 HRC。與對照組相比，合金化處理的試樣平均硬度提高了21.7%～50.7%，這是細晶強化、固溶強化和彌散強化綜合作用的結果[11]。表明合金化處理能顯著提高高錳鋼的硬度。一部分的釩、鈦、稀土溶入奧氏體基體中，起固溶強化作用；另一部分元素與C、N形成穩定的化合物，又一定程度地提高了其硬度[12]。

3.3 抗拉強度

圖5所示為試驗所用的拉伸試樣。圖6所示為釩、鈦、稀土合金化處理高錳鋼試樣強度，由圖中數據發現，添加了V、Ti 和Re 元素后，高錳鋼的抗拉強度并未得到顯著提升，相反還有所降低。其中合金元素含量最高的#4試樣的抗拉強度最高，為509.8 MPa，相比對照組未合金化處理的普通試樣#1，其強度有小幅度提升；而#2、#3 合金化試樣的抗拉強度均低于普通高錳鋼。本試驗設定的合金組合和含量對高錳鋼抗拉強度的提升效果不明顯。分析其原因：雖然試驗組的合金化試樣強度并未明顯提高，但是可以發現，隨著合金含量的增加，高錳鋼的抗拉強度也在提升，因此說明試驗的合金含量并沒有達到能顯著提升高錳鋼強度的層次，不能充分發揮出V、Ti的強化作用。試驗結果表明合金化處理也能提升抗拉強度。

圖5 抗拉試樣Fig.5 Tensile specimen

圖6 釩、鈦、稀土合金化處理高錳鋼試樣強度Fig.6 Strength of high manganese steel in vanadium titanium rare earth alloying treatment

3.4 耐磨性

圖7 所示為釩、鈦、稀土含量不同的高錳鋼進行耐磨試驗得出的數據。由圖可看出，經釩鈦稀土合金化處理的高錳鋼的磨損率低于未添加釩鈦稀土的磨損率，其中#2 試樣的磨損質量最小，磨損率也只有0.24%，耐磨性是最好的，由此可見添加釩、鈦、稀土元素能夠顯著提高高錳鋼的耐磨性。

圖7 磨損數據Fig.7 Wear data

高錳鋼進行合金化處理后能提高耐磨性，一方面是因為合金元素部分固溶于高錳鋼基體，對基體起到強化作用[13]。晶界和彌散質點對位錯有阻礙作用，導致密度提高，形成位錯纏結和胞狀亞結構[14]。此外，合金化處理減少了高錳鋼中夾雜物的數量，改善了夾雜物形態和分布[15]，防止夾雜物在形變過程中產生應力集中。

高錳鋼經V、Ti、Re 合金化后耐磨性提高，原因有以下幾點：（1）因為合金元素部分固溶于高錳鋼基體，導致晶格畸變，出現“柯氏氣團”，影響位錯在外力下的移動，對基體起到強化作用；（2）因為V、Ti 能與C、N 形成硬質化合物，在基體中析出為堅硬微粒，而稀土極易與O、S結合生成化合物并吸附在夾雜物中，區別于普通高錳鋼中的MnS、Al2O3和鐵錳硅酸鹽等夾雜，溶入稀土的夾雜物硬度更高，這些硬質相在磨損過程中起到保護基體的效果；（3）磨損試驗加載的應力使材料產生微變形，摩擦過程中鋼內的合金硬質點會阻礙位錯運動，產生位錯纏結、堆積，并相互交截，使位錯密度提高，增強了高錳鋼的形變硬化能力，從而提高磨面硬度。此外，合金元素的加入，尤其是稀土變質劑減少了高錳鋼中夾雜物的數量，改善了夾雜物形態和分布情況，防止夾雜物在形變過程中產生應力集中，提高了韌性，從而有利于抑制裂紋的產生和擴展，減小夾雜物對基體造成疲勞剝落磨損的危害。

4 結束語

（1）本試驗中，在普通高錳鋼中出現了較多的珠光體，而在合金化高錳鋼中較少，基本呈單一奧氏體組織，這是因為合金元素擴大了γ相區，提高了奧氏體穩定性。高錳鋼在V、Ti、Re合金化處理后，合金析出物數量相比普通高錳鋼有所增加，晶粒尺寸有所減小，且夾雜物的形狀和分布狀態得到改善。而在加入稀土元素后，高錳鋼中夾雜物的數量減少。

（2）釩、鈦、稀土合金化處理顯著提高了高錳鋼的硬度，最大能夠提高到30.6 HRC，但是高錳鋼的抗拉強度變化不明顯，合金化處理能提高高錳鋼的抗拉強度。

（3）由于合金化處理的強化作用增強了高錳鋼的加工硬化能力，提高了磨面硬度，并且減少了夾雜物數量，改善了夾雜物的形態和分布，減小了夾雜物的危害，提高了高錳鋼的耐磨性。