水韌處理對含鎢耐磨錳鋼組織、 性能的影響

劉讓賢， 文 武， 夏 青， 王 營， 劉 陽

（1.張家界航空工業職業技術學院， 湖南 張家界 427000； 2. 中機生產力促進中心， 北京 100044；3. 湖南工業大學 機械工程學院， 湖南 株洲 412007）

0 引言

高錳鋼是礦山機械、工程機械、農科機械等高技術領域和國防建設的重要基礎材料， 同時在傳統產業中發揮著重要的作用[1]。 由于我國耐磨鋼的研究起步較晚，對于高質量高性能的耐磨材料主要依靠國外， 國內的耐磨材料的穩定性還有待提高[2]。 為解決晶粒粗大，耐磨性等問題，國內外從多個方向進行了研究[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度。 廖暢發現，隨著鎢元素的增加，高錳鋼的晶粒減小，力學性能得到改善[9]。本文是在傳統高錳鋼成分的基礎上加入鎢元素，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與生產應用提供參考。

1 試驗材料和方法

通過控制鎢元素含量，從而得到試驗用高錳鋼，其化學成分見表1。 試驗鋼在實驗室采用30kg 的真空中頻感應熔煉爐熔煉鑄造而得。 試樣在不同溫度（920℃、980℃、1050℃）保溫3h 后進行水韌處理，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 試驗用高錳鋼的主要化學成分Tab.1 Chemical compositions of the manganese steel used in the test

金相實驗： 利用線切割在試驗鋼切割出15×15×10（mm）的金相試樣，用砂紙打磨至2000 目，最后經拋光后放入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：利用數顯布氏硬度計VHBS-3000A 進行硬度測試，測定5 個點求其平均值。拉伸試驗：試樣加工成直徑5×70（mm）長的拉伸試樣，利用WDW-150E 微機控制電子萬能試驗機對試樣進行拉伸， 拉伸速率設為2mm/min， 每組試驗測3 次取其平均值。 沖擊韌性試驗：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 擺錘式沖擊試驗機上進行。一組式樣測試3 次，取3 次式樣的平均值作為最終結果。 沖擊磨

損試驗： 經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 式動載磨料磨損試驗機上進行試驗。每個試樣在同種工況下進行：在0.5J 的沖擊功下， 磨損0.5～1.5h 后經乙醇清洗后在LE104E 型電子天平稱重，每組試驗重復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 試驗結果

2.1 顯微組織

由圖1 可見，含鎢錳鋼經過不同水韌處理后，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，碳化物的數量變小，在晶粒內部不同程度出現了一些細小的碳化物相[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

本硬度試驗是在VHBS-3000A 布氏硬度試驗機測試的，進行3 次試驗取其平均值，結果如圖2 所示。由以上數據可見，經過水韌處理后試樣硬度略微下降，其中920℃的硬度值最高，達到了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溶于基體中，也會增加高錳鋼的硬度[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，試驗鋼室溫沖擊功呈線性增加的趨勢，在水韌溫度1050℃時，沖擊韌性上升至168J/m2。

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

結合金相組織進行分析，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重的區域，所以導致材料容易在晶界處發生斷裂，從而引起沖擊功較低， 引起脆性斷裂的原因主要是因為晶界處存在分布不均勻且尺寸偏大的碳化物[11]。 同時由于經過水韌處理之后，在基體內部分布均勻且形狀細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

經過水韌處理后的含鎢錳鋼磨損失重隨時間變化曲線如圖4 所示，可以看出，材料的磨損失重均隨著時間延長而增加，在0.5J 相同沖擊工況下，相同磨損時間內，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， 其圖中標出的是經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，網狀碳化物會沿連續的晶界萌生出裂紋同時會發生擴展[12]，從而在磨損過程中導致剝落坑的產生。從金相圖1（c）可見，碳化物很細小且都分布均勻，由于碳化物成彌散狀態分布，可以吸收部分能量，對裂紋擴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， 同時在晶粒內出現細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于其他水韌處理，其耐磨性最好。