硼合金化處理對高錳鋼組織和性能的影響*

彭 偉，王曉榮，莊文瑋

（東華理工大學機械與電子工程學院，南昌 330013）

0 引言

高錳鋼作為耐磨材料，有著優異的耐磨性，和其他材料相比，在抵抗強沖擊、承受大壓力的磨料磨損或鑿削磨損方面有顯著優越性。高錳鋼材料的表面在工作條件惡劣時接觸應力或者沖擊載荷過大會迅速產生加工硬化，從而使其表層耐磨性提高。高錳鋼能長期以來廣泛應用于冶金、礦山、建材、鐵路、電力、煤炭等機械裝備中，正是由于它的加工硬化特性[1-2]。但是高錳鋼必須經過加工硬化后才表現出良好的耐磨性，在低沖擊載荷或低應力下達不到加工硬化程度，如果沒有經過加工硬化，則其耐磨性非常有限，隨著高錳鋼的廣泛應用，這一系列問題也隨之暴露。由于高錳鋼的這些缺點使得其耐磨性得不到較好的發揮，使用受到了限制。因此，高錳鋼的改性迫在眉睫，為了提高性能，人們在高錳鋼中加入微量元素方面做了大量的研究。在制備合金高錳鋼時，國內外學者已經做了大量的研究工作，提出許多方法，在高錳鋼中加入V、Ti、Mo、W、B、Ni、Nb、稀土等元素。本次試驗目的是研究含硼量不同的高錳鋼的金相組織、力學性能、相對耐磨性，以及硬度差別。

1 實驗內容

1.1 實驗材料

用經過合金化處理的傳統高錳鋼作為此次實驗研究的材料。表1所示為原材料傳統高錳鋼ZGMn13的化學成分。表2所示為本文試驗用高錳鋼的化學成分。

表1 傳統高錳鋼的化學成分

表2 本文試驗用高錳鋼的化學成分

本試驗的合金化處理方案如表3所示，設為5個梯度，分別為未添加硼元素的高錳鋼、質量分數為0.001 5%B、0.003%B、0.004 5%B、0.006%B五個數據組。

表3 合金化處理方案

1.2 試驗過程

試驗在工廠里用500 kg的中頻感應電爐中進行熔煉，出箱的溫度控制在1 520～1 580℃。澆鑄的溫度為1 4200～1 460℃[4-8]。采用砂型鑄造、澆鑄的標準圓棒試樣經粗加工和精加工后，加工成直徑為?16.0 mm、軸向高度為8 mm的金相試樣，以及直徑為?16 mm、軸向高度為12 mm硬度試樣，以及耐磨試樣銷和抗拉試棒。

本次研究制定的熱處理工藝如圖1所示。其工藝過程簡述為：在工廠井式電阻爐中，首先把升溫速度設定為100℃/h將試樣加熱到550℃，保溫1.5 h；然后繼續以100℃/h的升溫速度加熱至650℃，保溫1.5 h；最后再將爐溫升至1 100℃，并保溫2 h；保溫結束后直接將高錳鋼鑄件放入冷卻水槽進行水淬處理。

圖1 高錳鋼鑄件熱處理工藝

利用金相光學顯微鏡對高錳鋼試樣的組織進行觀察，觀察金相組織前，首先用不同粗糙度的砂紙粗磨金相試樣，其次用預磨機精預磨，最后用拋光機拋光[9]。用65%的濃硝酸和無水乙醇配制成5%的硝酸腐蝕溶液，把試樣放入腐蝕溶液中腐蝕10~20 s后取出，用酒精清洗后用冷風烘干處理，隨后進行金相觀察。利用HR-150A洛氏硬度試驗機對試樣進行硬度測試。其中在硬度測試時每個試樣測3個點然后求平均值。利用CMT5605電子萬能試驗機對拉伸試樣進行拉伸試驗。其中每組拉伸兩根試棒，求取兩根試棒的平均值。用3D打印機打印出試樣銷模具，然后在預磨機上將試樣銷磨5 min，再稱出磨損前后的重量。

2 試驗結果與分析

2.1 硼合金化對高錳鋼的組織的影響

硼固溶于奧氏體中不但可以形成置換式固溶體，而且可以形成間隙式固溶體，這就使得高錳鋼的穩定性大大增加。因為硼是較活潑元素，所以有一部分硼元素在鑄態過程中會與高錳鋼中C、N結合形成性質穩定的非金屬夾雜物[10]。如圖2所示為各組試樣的金相顯微組織，未添加硼的對照組金相顯微組織中晶界存在較多碳化物；而經過硼合金化處理過的試樣，其金相顯微組織晶界碳化物較少，晶內碳化物以顆粒狀和團狀分布。因此可以得知相對于對照組經過硼合金化處理的高錳鋼，其組織夾雜物數量較少，而且尺寸變得細小均勻。

圖2 不同合金化處理的的金相顯微組織

2.2 硼合金化處理高錳鋼對其相對耐磨性的影響

在相同磨損的條件下，標準試樣的磨損量比上試驗試樣磨損量的值，稱為相對耐磨性，可表示為[12]：ε=標準試樣磨損量/試驗試樣磨損量。

如圖3所示，隨硼含量的增加試樣的相對耐磨性逐漸提升，相對耐磨性在1.32~1.57變化，相較于對照組可知硼合金化處理高錳鋼后的耐磨性能優于傳統高錳鋼。這是由于硼具有細化組織和強化晶界的作用。在熔煉過程中硼原子在Fe3C中置換固溶，由于硼原子比碳原子大，所置換固溶出的Fe3（CB）產生更大的晶格歪斜，因此Fe3（CB）的顯微硬度高于Fe3C。隨著硼含量的增加，置換固溶增加，晶格歪斜增加，Fe3（CB）的硬度也就增加[13]，從而使得硼碳化物的硬度提高。由于硼碳化合物的硬度高使其在磨損過程中承受主要磨損，從而使得合金化高錳鋼的耐磨性提高。

圖3 相對耐磨性

2.3 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，對每一個試樣取3個不同的點測試，去除差異較大數，將所得數據進行平均化取值，結果如圖4所示。由以上數據可知，合金化高錳鋼不同含B量試樣的硬度在20.2~22.5HRC變化，與對照組相比，隨硼含量增加合金化后試樣硬度略微提高。其中試樣#3的硬度值最高，達到22.5HRC。細晶強化、固溶強化及彌散強化共同作用使得硬度的改變[9]。結果表明和對照組相比B合金化處理使得高錳鋼洛氏硬度有所提高。因為試樣經過硼合金化處理后，使得晶粒尺寸明顯變小形狀勻稱。并且，有一部分硼元素在鑄態過程中會與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使得高錳鋼硬度提高。

圖4 洛氏硬度

2.4 合金化處理對高錳鋼抗拉強度的影響

本試驗采用的是CMT5605電子萬能試驗機對拉伸試樣進行了拉伸試驗，其中每組兩根拉伸試棒，便于實驗誤差的考慮然后取平均值。

如圖5所示，高錳鋼的抗拉強度隨硼含量的增加先升高在降低，其抗拉強度最高可達440 MPa，所對應的試樣3，是0.003 0%的硼合金高錳鋼。抗拉強度與未添加硼的對照組1相比大幅度提升；相較于對照組其他組抗拉強度均有所提高。合金化處理的試樣平均抗拉強度提高了5.6%~22.2%，本試驗設隨硼含量的增加抗拉強度先提高再降低。造成這種結果是因為試樣中硼的含量較少時，對組織有作用，但是當硼含量過多時，會導致局部區域硼集中，會形成包括硼化鐵（Fe2B）、碳化物和γ相的共晶，這些共晶很脆，高錳鋼的性能由于晶粒的而惡化。硼因其表面活性，富集于奧氏體晶界處，主要存在于晶體缺陷處；硼含量較高時，硼的富集使得合金化高錳鋼的抗拉強度相對降低。

圖5 抗拉強度

3 結束語

（1）經過熱處理后試樣組織轉變為奧氏體組織，B的加入減少了基體上彌散分布的細小碳化物顆粒和球形夾雜物數量，使得夾雜物的形態和分布得到改善、組織中的碳化物顆粒細化，并且分布更加均勻彌散，合金化處理能顯著細化晶粒。

（2）試樣經過熱處理后，隨B含量的增加抗拉強度先升高后降低，最大值為440 MPa，最低值為380 MPa；同樣硬度也是先升高后降低，最高為22.5HRC，最低為20.2HRC。低沖擊磨料磨損條件時，耐磨性逐漸提高，B含量為0.006 0%的高錳鋼，相對耐磨性達1.57。

（3）試樣合金化處理，合金化處理后硼含量為0.003 0%時，其綜合性能較好，此時HRC=22.5，抗拉強度為440 MPa，相對耐磨性為1.38。