劉讓賢， 文 武， 夏 青， 王 營， 劉 陽

（1.張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 張家界 427000； 2. 中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044；3. 湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 株洲 412007）

0 引言

高錳鋼是礦山機(jī)械、工程機(jī)械、農(nóng)科機(jī)械等高技術(shù)領(lǐng)域和國防建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料， 同時(shí)在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著重要的作用[1]。 由于我國耐磨鋼的研究起步較晚，對于高質(zhì)量高性能的耐磨材料主要依靠國外， 國內(nèi)的耐磨材料的穩(wěn)定性還有待提高[2]。 為解決晶粒粗大，耐磨性等問題，國內(nèi)外從多個(gè)方向進(jìn)行了研究[3-6]。

近些年，合金化處理是提升高錳鋼耐磨性和壽命的有效途徑，能提升其各項(xiàng)基本性能[7]。萬文鋒的研究表明[8]，鎢合金化處理后能夠改善高錳鋼的硬度和抗拉強(qiáng)度。 廖暢發(fā)現(xiàn)，隨著鎢元素的增加，高錳鋼的晶粒減小，力學(xué)性能得到改善[9]。本文是在傳統(tǒng)高錳鋼成分的基礎(chǔ)上加入鎢元素，通過不同水韌溫度的控制，研究水韌溫度對含鎢耐磨錳鋼組織和性能的影響， 為新型含鎢耐磨錳鋼的研究開發(fā)與生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

通過控制鎢元素含量，從而得到試驗(yàn)用高錳鋼，其化學(xué)成分見表1。 試驗(yàn)鋼在實(shí)驗(yàn)室采用30kg 的真空中頻感應(yīng)熔煉爐熔煉鑄造而得。 試樣在不同溫度（920℃、980℃、1050℃）保溫3h 后進(jìn)行水韌處理，從水韌處理后的試塊上切出金相試樣、拉伸試樣、沖擊韌性試樣和沖擊磨損試樣。

表1 試驗(yàn)用高錳鋼的主要化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of the manganese steel used in the test

金相實(shí)驗(yàn)： 利用線切割在試驗(yàn)鋼切割出15×15×10（mm）的金相試樣，用砂紙打磨至2000 目，最后經(jīng)拋光后放入5%硝酸和5%酒精溶液腐蝕，酒精清理后烘干表面，用金相顯微鏡觀察其組織。 硬度試驗(yàn)：利用數(shù)顯布氏硬度計(jì)VHBS-3000A 進(jìn)行硬度測試，測定5 個(gè)點(diǎn)求其平均值。拉伸試驗(yàn)：試樣加工成直徑5×70（mm）長的拉伸試樣，利用WDW-150E 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行拉伸， 拉伸速率設(shè)為2mm/min， 每組試驗(yàn)測3 次取其平均值。 沖擊韌性試驗(yàn)：將試樣加工成10×10×55（mm）的帶V型缺口的沖擊試樣， 之后在JBN-500 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。一組式樣測試3 次，取3 次式樣的平均值作為最終結(jié)果。 沖擊磨

損試驗(yàn)： 經(jīng)過水韌處理后的沖擊磨損試樣的尺寸加工成10×10×30（mm），之后在MLD-10 式動(dòng)載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。每個(gè)試樣在同種工況下進(jìn)行：在0.5J 的沖擊功下， 磨損0.5～1.5h 后經(jīng)乙醇清洗后在LE104E 型電子天平稱重，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，取其平均值。 之后在Quanta200 型掃描電鏡觀察沖擊磨損試樣表面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織

由圖1 可見，含鎢錳鋼經(jīng)過不同水韌處理后，隨著溫度的上升，高錳鋼的碳化物減小。在更高溫度下的含鎢錳鋼晶界處的碳化物得到溶解，碳化物的數(shù)量變小，在晶粒內(nèi)部不同程度出現(xiàn)了一些細(xì)小的碳化物相[9]，并且在基體中彌散分布。

圖1 不同水韌溫度處理的金相顯微組織Fig.1 Microstructure treated with different water toughness temperatures

2.2 水韌處理對含鎢錳鋼硬度的影響

本硬度試驗(yàn)是在VHBS-3000A 布氏硬度試驗(yàn)機(jī)測試的，進(jìn)行3 次試驗(yàn)取其平均值，結(jié)果如圖2 所示。由以上數(shù)據(jù)可見，經(jīng)過水韌處理后試樣硬度略微下降，其中920℃的硬度值最高，達(dá)到了213HB。 與920℃水韌處理后的材料相比，1050℃水韌處理后的平均硬度下降至202HB。結(jié)合圖1 的金相圖來分析，由于水韌處理之后，在晶界處的碳化物逐漸溶解，在基體中的碳化物逐漸增加。 鎢和一部分的合金元素在水韌過程中會(huì)溶于基體中，也會(huì)增加高錳鋼的硬度[10]，但由于晶界上粗大的碳化物沒有完全溶解，引起的材料的硬度值較高。

圖2 水韌溫度對試驗(yàn)鋼硬度的影響Fig.2 Effect of water toughness temperature on hardness of test steel

2.3 水韌處理對含鎢錳鋼沖擊韌性的影響

圖3 為不同水韌處理后的含鎢錳鋼的沖擊韌性。 由圖可見，隨著水韌溫度的升高，試驗(yàn)鋼室溫沖擊功呈線性增加的趨勢，在水韌溫度1050℃時(shí)，沖擊韌性上升至168J/m2。

圖3 水韌溫度對試驗(yàn)鋼沖擊韌性的影響Fig.3 Effect of water toughness temperature on Impact toughness of test steel

結(jié)合金相組織進(jìn)行分析，隨著水韌溫度的升高， 碳化物逐漸溶解， 由于碳化物是一種硬脆相，晶界處又是晶格畸變嚴(yán)重的區(qū)域，所以導(dǎo)致材料容易在晶界處發(fā)生斷裂，從而引起沖擊功較低， 引起脆性斷裂的原因主要是因?yàn)榫Ы缣幋嬖诜植疾痪鶆蚯页叽缙蟮奶蓟颷11]。 同時(shí)由于經(jīng)過水韌處理之后，在基體內(nèi)部分布均勻且形狀細(xì)小的碳化物對合金的沖擊韌性有利，所以沖擊韌性逐漸增加。

2.4 水韌處理對含鎢錳鋼耐磨性能的影響

經(jīng)過水韌處理后的含鎢錳鋼磨損失重隨時(shí)間變化曲線如圖4 所示，可以看出，材料的磨損失重均隨著時(shí)間延長而增加，在0.5J 相同沖擊工況下，相同磨損時(shí)間內(nèi)，含鎢錳鋼的磨損失重隨著水韌溫度的增加， 其中1050℃水韌處理下的磨損量最小，耐磨性能最好。

圖4 磨損失重隨時(shí)間變化曲線Fig.4 The curve of wear loss weight with time

將沖擊磨損表面形貌用Quanta200 型掃描電鏡進(jìn)行觀察。 圖5 是含鎢錳鋼的磨損形貌，圖5（a）中有亮白色突起的部分是明顯的撕裂嶺， 其圖中標(biāo)出的是經(jīng)過磨損撕裂后形成的剝落坑。 圖5（b）的表面磨損形貌主要是由犁溝和剝落坑組成，圖5（c）的磨損形貌主要是由犁溝組成，磨損表面較為平緩，說明在沖擊磨損腐蝕過程中，1050℃的材料具有較好的耐沖擊磨損性能。

含鎢錳鋼的磨損過程中， 其耐磨性主要取決于組織中碳化物的數(shù)量、形貌以及大小。由圖1（a）、（b）可見，碳化物主要分布在晶界處，網(wǎng)狀碳化物會(huì)沿連續(xù)的晶界萌生出裂紋同時(shí)會(huì)發(fā)生擴(kuò)展[12]，從而在磨損過程中導(dǎo)致剝落坑的產(chǎn)生。從金相圖1（c）可見，碳化物很細(xì)小且都分布均勻，由于碳化物成彌散狀態(tài)分布，可以吸收部分能量，對裂紋擴(kuò)展有一定的阻礙作用，因而耐磨性能較高[13-14]，所以在1050℃水韌處理后形貌主要是由犁溝組成。

圖5 經(jīng)不同水韌溫度處理的表面磨損形貌Fig.5 Surface wear morphology treated with different water toughness temperatures

3 結(jié)論

隨著水韌溫度的升高， 在金相組織中分布在晶界處的碳化物逐漸減小， 同時(shí)在晶粒內(nèi)出現(xiàn)細(xì)小彌散分布的碳化物。

隨著水韌溫度的升高，由于在晶界處的碳化物溶解，導(dǎo)致材料的硬度下降。在1050℃水韌處理之后，碳化物對基體的割裂作用最小，沖擊韌性最高，綜合性能最好。

在相同模擬工況條件下， 在1050℃水韌處理后的材料的沖擊磨損性能優(yōu)于其他水韌處理，其耐磨性最好。