時效處理對ZGMn13鋼組織和性能的影響

梁賢淑 郭亞非 晉帥勇 王敬偉 張艷召

（1.河南省大型鑄鍛件工程技術研究中心，河南洛陽 471039；2.中信重工機械股份有限公司，河南洛陽 471039）

ZGMn13鋼零件在較大沖擊力或摩擦力的作用下會產生加工硬化，表面硬度和耐磨性提高，在機械、水泥、礦山、煤炭等領域應用廣泛［1-5］。該鋼的鑄態組織為奧氏體和碳化物，經過水韌處理后，碳化物基本溶解于奧氏體，具有較好的塑性和韌性［6］。張福全等［7］研究表明，ZGMn13鋼的強化是加工硬化所致。張宇斌［8］研究發現，形變孿晶和高密度位錯使ZGMn13鋼熱軋薄板發生強化。

沖擊載荷不大時，ZGMn13鋼不能充分硬化，表面易在磨料的沖擊和切割作用下發生剪切破壞，耐磨性較差。近年來的研究表明，改進成分設計、優化鑄造工藝、表面合金化、形變強化和爆炸處理等能在一定程度上改善高錳鋼的耐磨性。

本文研究了時效溫度對ZGMn13鋼微觀組織、沖擊韌性和耐沖擊磨料磨損性能的影響，可為ZGMn13鋼的性能優化提供數據支撐。

1 試驗材料及方法

試驗材料為鑄態ZGMn13鋼試板，其化學成分如表1所示。將試板以80～120℃／h的速度加熱到1 050℃保溫4 h水冷即水韌處理，然后進行不同工藝的時效處理。時效溫度分別為200、250、300、350、400、425、450、475和500℃，時效時間分別為2、6和10 h，出爐后空冷。

表1 試驗用ZGMn13鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of the investigated ZGMn13 steel（mass fraction）%

采用蔡司倒置式光學顯微鏡和KYKY2800B型掃描電子顯微鏡（SEM，scanningelectronmicroscope）進行金相檢驗，腐蝕劑采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液；采用華銀HB-300B型臺式布氏硬度計測試硬度；采用JB-30B型沖擊試驗機檢測沖擊韌性；采用MLD-10型動載磨料磨損試驗機進行沖擊磨損試驗，試驗力100 N，試驗時間1 h。

2 試驗結果與分析

2.1 時效工藝對顯微組織的影響

不同工藝時效的ZGMn13鋼的顯微組織如圖1所示。圖1表明：在200和400℃分別時效2、6和10 h及450℃時效2 h的鋼均無碳化物析出；450℃時效6 h的鋼晶界析出了針狀碳化物，時效10 h的鋼碳化物含量顯著增多；500℃時效不同時間的鋼中均出現了針狀碳化物，碳化物的析出量隨時效時間的延長而增加。

圖1 在不同溫度時效不同時間的ZGMn13鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of the ZGMn13 steel aged at different temperatures for different times

500℃時效6 h的ZGMn13鋼的SEM形貌如圖2所示。圖2表明，碳化物呈針狀、網狀，分布在晶界；能譜分析顯示，該碳化物含C、Fe和Mn。根據圖3所示的Fe-Mn-C三元系相圖（Mn的質量分數為13%）［9］，ZGMn13鋼晶界的碳化物為（Fe，Mn）3C。熊運霞［10］研究表明，ZGMn13鋼的室溫組織為奧氏體基體、碳化物和珠光體。

圖2 在500℃時效6 h的鋼的SEM形貌（a，b）和能譜分析（c）Fig.2 SEM morphologies（a，b）and energy spectrum analysis（c）for the steel aged at 500℃for 6 h

圖3 Fe-Mn-C三元系相圖［9］Fig.3 Fe-Mn-C tenary system phase diagram［9］

根據GB／T 13925—2010《鑄造高錳鋼金相》對碳化物進行評級，結果如圖4所示。這與鋼的組織特征相吻合，即200～400℃時效2、6和10 h的鋼均無碳化物析出。400℃以上溫度時效的鋼，逐漸有碳化物析出。425℃時效10 h、450℃時效6 h和500℃時效2 h的鋼析出的碳化物最多，評級達到7級。

圖4 ZGMn13鋼碳化物級別隨時效溫度和時間的變化Fig.4 Carbide grade as a function of aging temperature and time at temperature for the ZGMn13 steel

2.2 時效對硬度和韌性的影響

圖5為時效工藝對ZGMn13鋼硬度的影響。由圖5可知，隨著時效時間的延長，低于400℃時效的鋼，隨著時效溫度的提高硬度提高，400℃時效的鋼硬度下降，425℃時效的鋼硬度最低，更高溫度時效的鋼硬度急劇升高。

圖5 時效處理對ZGMn13鋼硬度的影響Fig.5 Effect of the aging treatment on hardness of the ZGMn13 steel

隨著時效溫度的升高，鋼的沖擊韌性先升高后下降（圖6），350℃時效的鋼沖擊韌性最高，400℃時效的鋼略有下降，隨后顯著降低。低于400℃時效的鋼，晶界僅析出細小彌散的碳化物，對沖擊韌性的影響不大；高于400℃時效的鋼，晶界有針狀碳化物析出，將嚴重影響材料的沖擊韌性；500℃時效的鋼有大量針狀碳化物析出，導致材料脆性顯著增大。

圖6 時效處理對ZGMn13鋼沖擊韌性的影響Fig.6 Effect of the aging treatment on impact toughness of the ZGMn13 steel

2.3 時效對耐沖擊磨損性能的影響

200℃時效6 h試樣沖擊磨損試驗后的形貌如圖7所示。圖7圓圈所示區域為沖擊磨損區域，試樣端部已經變形，說明材料發生了一定的應變。在不同溫度時效6 h試樣的沖擊磨損試驗結果如表2和圖8所示，可以看出：未時效的鋼磨損率最高；在200～500℃時效的鋼，隨著時效溫度的升高，磨損率先減小后增大，400℃時效的鋼磨損率最小。水韌處理后，ZGMn13鋼晶內和晶界的碳化物完全溶于基體，形成過飽和固溶體，獲得單一奧氏體組織，硬度較低。當承受沖擊載荷時，鋼的加工硬化效果不明顯，故未時效的鋼磨損率較高。400℃時效的鋼硬度略有升高，約220 HB，沖擊韌度良好，約226 J／cm2，較高硬度與良好韌性的結合是鋼的耐磨性改善的重要原因。

圖7 200℃時效6 h試樣沖擊磨損試驗后的形貌Fig.7 Appearance of the specimen aged at 200℃for 6 h after impact wear test

圖8 時效溫度對ZGMn13鋼磨損率的影響Fig.8 Effect of the aging temperature on wear rate of the ZGMn13 steel

表2 不同溫度時效6 h試樣的沖擊磨損試驗結果Table 2 Results of the impact wear test for the specimens aged at different temperatures for 6 h

3 結論

（1）隨著時效溫度的升高和時間的延長，ZGMn13鋼中開始析出細小彌散的碳化物，硬度提高；425℃時效10 h、450℃時效6 h、500℃時效2 h的鋼析出的碳化物最多，評級達到了7級。

（2）隨著時效溫度的升高，鋼的沖擊韌性先升高后下降，350℃時效的鋼沖擊韌性最好，400℃時效的鋼略有下降；低于400℃時效的鋼僅晶界析出細小彌散的碳化物，對沖擊韌性的影響不大；高于400℃時效的鋼晶界析出針狀碳化物，沖擊韌性惡化。

（3）隨著時效溫度的升高，鋼的磨損率先下降后上升，400℃時效的鋼磨損率僅0.32%，即耐磨性最佳。400℃時效的鋼硬度較高、韌性較好，是鋼的耐磨性顯著改善的重要原因。