彭 偉，王曉榮，莊文瑋

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

高錳鋼作為耐磨材料，有著優(yōu)異的耐磨性，和其他材料相比，在抵抗強(qiáng)沖擊、承受大壓力的磨料磨損或鑿削磨損方面有顯著優(yōu)越性。高錳鋼材料的表面在工作條件惡劣時(shí)接觸應(yīng)力或者沖擊載荷過(guò)大會(huì)迅速產(chǎn)生加工硬化，從而使其表層耐磨性提高。高錳鋼能長(zhǎng)期以來(lái)廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、建材、鐵路、電力、煤炭等機(jī)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(jīng)過(guò)加工硬化后才表現(xiàn)出良好的耐磨性，在低沖擊載荷或低應(yīng)力下達(dá)不到加工硬化程度，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)加工硬化，則其耐磨性非常有限，隨著高錳鋼的廣泛應(yīng)用，這一系列問(wèn)題也隨之暴露。由于高錳鋼的這些缺點(diǎn)使得其耐磨性得不到較好的發(fā)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?cè)诟咤i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(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)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(yàn)?zāi)康氖茄芯亢鹆坎煌母咤i鋼的金相組織、力學(xué)性能、相對(duì)耐磨性，以及硬度差別。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

用經(jīng)過(guò)合金化處理的傳統(tǒng)高錳鋼作為此次實(shí)驗(yàn)研究的材料。表1所示為原材料傳統(tǒng)高錳鋼ZGMn13的化學(xué)成分。表2所示為本文試驗(yàn)用高錳鋼的化學(xué)成分。

表1 傳統(tǒng)高錳鋼的化學(xué)成分

表2 本文試驗(yàn)用高錳鋼的化學(xué)成分

本試驗(yàn)的合金化處理方案如表3所示，設(shè)為5個(gè)梯度，分別為未添加硼元素的高錳鋼、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 5%B、0.003%B、0.004 5%B、0.006%B五個(gè)數(shù)據(jù)組。

表3 合金化處理方案

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)在工廠里用500 kg的中頻感應(yīng)電爐中進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)圓棒試樣經(jīng)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(xiāo)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(guò)程簡(jiǎn)述為：在工廠井式電阻爐中，首先把升溫速度設(shè)定為100℃/h將試樣加熱到550℃，保溫1.5 h；然后繼續(xù)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(jié)束后直接將高錳鋼鑄件放入冷卻水槽進(jìn)行水淬處理。

圖1 高錳鋼鑄件熱處理工藝

利用金相光學(xué)顯微鏡對(duì)高錳鋼試樣的組織進(jìn)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(yù)磨機(jī)精預(yù)磨，最后用拋光機(jī)拋光[9]。用65%的濃硝酸和無(wú)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(fēng)烘干處理，隨后進(jìn)行金相觀察。利用HR-150A洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試。其中在硬度測(cè)試時(shí)每個(gè)試樣測(cè)3個(gè)點(diǎn)然后求平均值。利用CMT5605電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。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(jī)打印出試樣銷(xiāo)模具，然后在預(yù)磨機(jī)上將試樣銷(xiāo)磨5 min，再稱(chēng)出磨損前后的重量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硼合金化對(duì)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(wěn)定性大大增加。因?yàn)榕鹗禽^活潑元素，所以有一部分硼元素在鑄態(tài)過(guò)程中會(huì)與高錳鋼中C、N結(jié)合形成性質(zhì)穩(wěn)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(duì)照組金相顯微組織中晶界存在較多碳化物；而經(jīng)過(guò)硼合金化處理過(guò)的試樣，其金相顯微組織晶界碳化物較少，晶內(nèi)碳化物以顆粒狀和團(tuán)狀分布。因此可以得知相對(duì)于對(duì)照組經(jīng)過(guò)硼合金化處理的高錳鋼，其組織夾雜物數(shù)量較少，而且尺寸變得細(xì)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(duì)其相對(duì)耐磨性的影響

在相同磨損的條件下，標(biāo)準(zhǔn)試樣的磨損量比上試驗(yàn)試樣磨損量的值，稱(chēng)為相對(duì)耐磨性，可表示為[12]：ε=標(biāo)準(zhǔn)試樣磨損量/試驗(yàn)試樣磨損量。

如圖3所示，隨硼含量的增加試樣的相對(duì)耐磨性逐漸提升，相對(duì)耐磨性在1.32~1.57變化，相較于對(duì)照組可知硼合金化處理高錳鋼后的耐磨性能優(yōu)于傳統(tǒng)高錳鋼。這是由于硼具有細(xì)化組織和強(qiáng)化晶界的作用。在熔煉過(guò)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(chǎn)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，F(xiàn)e3（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(guò)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(duì)耐磨性

2.3 合金化處理對(duì)高錳鋼硬度的影響

本試驗(yàn)采用的是HR-150A洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)測(cè)試各組試樣的硬度，對(duì)每一個(gè)試樣取3個(gè)不同的點(diǎn)測(cè)試，去除差異較大數(shù)，將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化取值，結(jié)果如圖4所示。由以上數(shù)據(jù)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(duì)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(dá)到22.5HRC。細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化及彌散強(qiáng)化共同作用使得硬度的改變[9]。結(jié)果表明和對(duì)照組相比B合金化處理使得高錳鋼洛氏硬度有所提高。因?yàn)樵嚇咏?jīng)過(guò)硼合金化處理后，使得晶粒尺寸明顯變小形狀勻稱(chēng)。并且，有一部分硼元素在鑄態(tài)過(guò)程中會(huì)與C、N形成彌散分布于基體中的高硬度的、穩(wěn)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(duì)高錳鋼抗拉強(qiáng)度的影響

本試驗(yàn)采用的是CMT5605電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)拉伸試樣進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，其中每組兩根拉伸試棒，便于實(shí)驗(yàn)誤差的考慮然后取平均值。

如圖5所示，高錳鋼的抗拉強(qiáng)度隨硼含量的增加先升高在降低，其抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)440 MPa，所對(duì)應(yīng)的試樣3，是0.003 0%的硼合金高錳鋼?？估瓘?qiáng)度與未添加硼的對(duì)照組1相比大幅度提升；相較于對(duì)照組其他組抗拉強(qiáng)度均有所提高。合金化處理的試樣平均抗拉強(qiáng)度提高了5.6%~22.2%，本試驗(yàn)設(shè)隨硼含量的增加抗拉強(qiáng)度先提高再降低。造成這種結(jié)果是因?yàn)樵嚇又信鸬暮枯^少時(shí)，對(duì)組織有作用，但是當(dāng)硼含量過(guò)多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域硼集中，會(huì)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(shí)，硼的富集使得合金化高錳鋼的抗拉強(qiáng)度相對(duì)降低。

圖5 抗拉強(qiáng)度

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）經(jīng)過(guò)熱處理后試樣組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織，B的加入減少了基體上彌散分布的細(xì)小碳化物顆粒和球形夾雜物數(shù)量，使得夾雜物的形態(tài)和分布得到改善、組織中的碳化物顆粒細(xì)化，并且分布更加均勻彌散，合金化處理能顯著細(xì)化晶粒。

（2）試樣經(jīng)過(guò)熱處理后，隨B含量的增加抗拉強(qiáng)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(shí)，耐磨性逐漸提高，B含量為0.006 0%的高錳鋼，相對(duì)耐磨性達(dá)1.57。

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