鎢合金化處理對高錳鋼組織和性能的影響

萬文鋒，莊文瑋，張 飄，彭 偉

（東華理工大學機械與電子工程學院，南昌330013）

0 引言

高錳鋼由于其良好機械性能被廣泛應用礦山、鐵路、冶金等機械裝備中。高錳鋼是目前耐磨材料使用最廣泛的，相比較其他的合金鋼，其沖擊韌性和價格方面及其具有優勢。隨著工業的發展，高錳鋼的使用工況也有更高的要求。為了提高耐磨性，人們在合金化處理[1]上面做了大量的研究。隨著現代工業對高錳鋼的要求越來越高，原始所用的高錳鋼已經不能滿足生產的要求。對其力學性能需要做進一步提高，ZGMn13是傳統的應用的耐磨材料，其在強沖擊條件下表現出良好的機械性能。但ZGMn13在強烈沖擊載荷下的使用結果卻不盡人意。ZGMn13的硬度過低，引起的磨耗劇烈增大，這樣對高錳鋼的壽命有很大的影響。高錳鋼由于其本身的性能特點，在凝固的過程中會使得晶粒變得粗大，降低了鑄件的強度[2]。近年來，再合金化處理是提升高錳鋼性能的和壽命的最有效途徑。為此學者們進行了大量的研究。研究表明，合金化處理能提高高錳鋼的各方面的機械性能。從有關文獻的研究報道中發現，夾雜物的大小對晶粒的細化程度也有影響，同時會影響第二相的強化作用[3-5]。合金化處理是在傳統的高錳鋼基礎上，再添加其他的合金元素，使其形變強化能力提高。通過沉淀強化、細晶強化及固溶強化等作用強化基體。本文試驗設定了合理的化學成分，正確的試驗思路，在傳統高錳鋼的成分基礎上加入不同梯度的鎢元素，進行合金化處理，同時設置了對照組，研究鎢含量對高錳鋼組織和性能的影響，得出了鎢元素對高錳鋼的組織和對高錳鋼力學性能的影響。

1 試驗內容

1.1 材料成分

在實驗過程中，可以適當地調節碳和錳的成分比值，從而使得高錳鋼獲得更好的綜合性能。原始高錳鋼的化學成分如表1所示。

表1 原始的高錳鋼的化學成分Table.1 Chemical composition of original high manganese steel

表2 本文試驗用高錳鋼的化學成分Table.2 Chemical composition of traditional high-manganese steel used in the test

此次試驗的合金化處理方案如表3所示，添加的合金鎢的質量分數位75%，設為5個梯度，分別為未添加鎢元素的高錳鋼、質量分數為0.3%W、0.6%W、0.9%W、1.2%W五個數據組。其中合金原料采用包內加入法。

表3 合金化處理方案Table.3 alloying treatment scheme

1.2 試驗過程

試驗熔煉的過程在500 kg的中頻感應電爐中進行，出 箱 的 溫 度 為1 540～1 560℃。澆 鑄 的 溫 度 為1 400～1 420℃[6-10]。澆鑄的試樣形狀為標準的圓棒試樣。試樣出來后進行化學成分檢測，化學成分如表4所示。

表4 試樣的化學成分（質量分數%）Table.4 Chemical composition of samples（Wt%）

將澆鑄好的標準圓棒試樣經車床加工成標準的金相試樣、硬度試樣和拉伸試樣。利用4XD-2雙目倒置金相顯微鏡對兩種高錳鋼的組織進行觀察，并且采用截線法對金相組織的尺寸進行測量，金相試樣的樣品尺寸為φ16 mm×8 mm的圓柱。金相試樣觀察前，經砂紙過粗磨細磨處理，最終經拋光機拋光[11]，待觀察一面光滑后烘干，隨后靜置一段時間，放入含5%硝酸和5%酒精的容器內腐蝕，一段時間后取出，再進行烘干處理，隨后進行金相顯微觀察。

利用CMT5605電子萬能試驗機對試樣進行了拉伸試驗，利用HR-150A洛氏硬度試驗機對試樣進行硬度測試，拉伸速率設為1 mm/min。其中硬度試樣尺寸為φ16 mm×12 mm。圖1所示為本次實驗的拉伸試樣。其中拉伸的每個含量組分別都設有兩組數據，便于實驗誤差的考慮然后取平均值。其中硬度測試在硬度試驗機進行，測定6個點求平均值。

圖1 試驗用拉伸試樣Fig.1 Tensile specimens for testing

2 試驗結果

2.1 合金化處理對組織的影響

圖2 所示為不同的合金化方案觀察到的金相組織。表5所示為測得的不同方案的晶粒尺寸。未經合金化處理的1號試樣的平均晶粒尺寸為200.6 μm，晶粒尺寸比較粗大，其它合金化處理后的高錳鋼的尺寸明顯變小，晶粒細化了25%～50%。由金相組織得出，合金化處理后，相對于未添加鎢元素的試樣組織，合金化處理后，夾雜物的數量變小。而且尺寸變得細小均勻。并且在基體中彌散分布。

圖2 不同合金化處理的的金相顯微組織Fig.2 Metallographic microstructure of different alloying treatments

表5 不同合金化處理的高錳鋼平均晶粒尺寸Table.5 average grain size of high manganese steels with different alloying treatments

由以往的試驗也知道，高錳鋼經過合金化處理，晶粒的可以明顯的細化，晶粒的分布和形狀也變得條理性，W是強烈的氮化物、碳化物形成元素[12-13]，可以與鋼中的C，N形成碳、氮化合物，這些化合物具備高熔點的性質。在一定的條件下這些高熔點碳、氮化合物可作為鋼液的異質形核核心。查閱文獻可知，作為形核劑的兩個條件之一是有超過液相熔點的相；二是這些相在低指數面中的情況下與液相金屬具有低的錯配度。當兩者之間的錯配度小于12%時，這些高熔點相可以作為形核的核心。經查閱可知，W2C和γ－Fe的錯配度小于12%，因此W2C可以作為異質形核核心，細化高錳鋼的組織。W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[14]，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。

試驗過程中采用W進行微合金化，W和C的結合力強于Mn和C，且W2C的熔點為2 785℃。試驗過程的溫度超過1 300℃的時候，C和W會發生反應產生W2C，所以在合金化后高錳鋼液凝固相的時候，W2C會優先提前結晶，與鋼液潤濕的W2C同時作為異質形核核心，促使高錳鋼非均勻形核，從而使鑄件晶粒尺寸變小，達到細化的目的[15]。

2.2 合金化處理對高錳鋼硬度的影響

本試驗采用的是HR-150A洛氏硬度試驗機測試各組試樣的硬度，對每一個試樣都進行3次試驗，將所得數據進行平均化取值，結果如圖3所示。由以上數據可見，鎢合金化后試樣硬度明顯提高，其中#5試樣的硬度值最高，達到了25.2HRC。與對照組相比，合金化處理的試樣平均硬度提高了18.1%~47.4%，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。正如前面的論述中，高錳鋼經鎢合金化處理后，晶粒的尺寸明顯變小形狀變得勻稱，所以細晶強化提高了高錳鋼的硬度。同時，鎢和一部分的合金元素在鑄態過程中會溶于基體中，由于固溶強化的作用也會增加高錳鋼的硬度；另一部分與C、N形成彌散分布于基體中的高硬度的、穩定的碳化物和氮化物，進一步增加了高錳鋼的硬度。

圖3 硬度試驗值Fig.3 Hardness test value

2.3 合金化處理對高錳鋼抗拉強度的影響

如圖4所示，添加了鎢元素后，高錳鋼的抗拉強度得到提升，其中合金元素含量最高的#5試樣的抗拉強度最高，為491 MPa，相比對照組未合金化處理的普通試樣#1，其強度大幅度提升；其他對照組的抗拉強度均高于普通高錳鋼。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。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，不能充分發揮出鎢的強化作用。試驗結果表明合金化處理也能提升抗拉強度。

圖4 抗拉強度數值Fig.4 Numerical diagram of tensile strength

3 結束語

（1）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。

（2）在細晶強化、固溶強化和彌散強化等多種強化機制綜合作用下。鎢合金化處理顯著提高了高錳鋼的硬度，最大能夠提高到25.2 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，合金化處理能顯著細化晶粒。