熱處理工藝對高錳鋼組織和硬度的影響

羅飛翔，段振虎，伍偉玉

（江西銅業技術研究院有限公司，江西 南昌 330096）

高錳鋼又叫Hadfield鋼，較早由英國人R.A.Hadfield 發明，因其在高應力、高沖擊載荷的工作環境下仍能夠保持良好的耐磨性，同時內部可以保持較好的韌性，被廣泛應用在采礦、破碎、挖掘及軌道行業［1-3］。鑄態高錳鋼組織通常由奧氏體基體、沿奧氏體晶界分布的碳化物以及少量的珠光體組成，這導致鑄態高錳鋼的韌性和塑性極差，難以得到大規模工程應用［4-6］。為了解決這一問題，通常需要對鑄態高錳鋼進行水韌處理，即將高錳鋼加熱到1040 ℃以上，并保溫適當時間，使其碳化物固溶于奧氏體中，隨后快速冷卻得到過冷奧氏體組織。高錳鋼水韌后的組織通常為奧氏體和少量的碳化物［7-11］。水韌處理的溫度、保溫時間、冷卻速度等都會影響熱處理后的組織和性能。水韌溫度低、保溫時間短，會導致碳化物固溶不完全，晶界上殘留的網狀碳化物會導致材料的韌性降低；水韌溫度過高和保溫時間過長，會導致高錳鋼件表面脫碳，并促使晶粒長大；在水韌處理時，高錳鋼件入水前的溫度低、入水速度慢、冷卻水量不足等，都會導致冷卻速度慢，以致碳化物再次析出［12-15］。

高錳鋼經水韌處理后韌性得到了提高，但是由于碳化物的固溶，導致其表面硬度有所降低，在一些中、低載荷工況下，不能充分發揮其加工硬化性能。因此，有很多學者通過對水韌處理后的高錳鋼進行時效處理，促使碳化物重新析出，以沉淀相的形式彌散分布在奧氏體基體中，從而提高水韌處理后高錳鋼的硬度，以達到改善其綜合性能的目的［16］。

Feng 等［17］研究了時效溫度對含V 高錳鋼組織和性能的影響，發現隨著時效溫度的升高，析出物逐漸增多，且析出物的形貌由球狀向針狀轉變，當時效溫度為450 ℃、保溫時間為1 h時，高錳鋼的力學性能最好。

大連理工大學李威［18］研究了時效處理的溫度和保溫時間對球磨機Mn13類襯板組織和性能的影響。即對水韌處理后的ZGMn13MoCrTiRe，進行溫度為150，250，350 和450 ℃，保溫時間為2，3，4和5 h的時效處理。研究發現隨著時效溫度的升高和保溫時間的延長，在奧氏體基體上逐漸析出碳化物，晶粒的幾何尺寸逐漸增大，但晶粒度逐漸均勻化，且在時效溫度為450 ℃時，開始在晶界處析出針狀碳化物。

熱處理工藝對高錳鋼組織和性能有重要影響，針對含有不同成分的高錳鋼采用的熱處理工藝并不相同，且熱處理工藝對組織和性能的影響規律也不盡相同。因此，本文研究了水韌處理時間和時效處理溫度、保溫時間對高錳鋼組織和硬度的影響規律，并在此基礎上，為武山銅礦半自磨機襯板工業試制熱處理工藝的制定提供指導。

1 實 驗

1.1 鑄件試樣的熔煉與澆鑄

利用武山銅礦1 t 中頻熔煉爐進行高錳鋼的熔煉，分別采用手持熒光光譜儀（型號XL2980Plus）和手持測溫槍（型號W330）對爐前成分和溫度進行測試，嚴格控制Cr，Mn 元素含量，出爐溫度控制在1540 ℃左右，澆鑄溫度控制在1450 ℃左右。表1是鑄件試樣化學成分表，圖1（a）是鑄件試樣實物圖。用線切割機將試樣切成五小塊，對中間試樣塊進行鑄態組織觀察和成分測試，其余四塊作為進行水韌處理和時效處理時的試樣原料。取中間試塊，利用角磨機對其表面進行打磨，然后用無水乙醇擦拭待測表面，將待測表面劃分成30 mm×30 mm小區域，用手持熒光光譜儀測得各位置點Cr，Mn元素含量，如圖1（b）所示。由圖1（b）可見，不同位置點Cr，Mn 元素含量相差不大，說明鑄件成分偏析很小。

圖1 鑄件試樣（a）實物圖和（b）成分分布圖Fig.1 Physical image and composition distribution diagram of casting samples（a）Physical image；（b）Composition distribution diagram

表1 高錳鋼鑄件試樣化學成分Table 1 Chemical composition of high manganese steel casting samples（%，mass fraction）

1.2 熱處理實驗

用STM-36-12 型高溫馬弗爐進行熱處理試驗。水韌處理試樣尺寸取80 mm×90 mm×120 mm，水韌處理工藝編號如表2所示。采用650 ℃保溫可有效減少鑄件內外溫差和防止在加熱過程中出現變形或開裂。水韌處理的升溫速率控制在4 ℃/min以內，且熱處理完成后進行的水冷，要求工件入水溫度在950 ℃以上，入水時間控制在1 min 以內，水冷后的水溫不超過60 ℃。

表2 水韌處理工藝編號Table 2 Number of water toughening process

選擇水韌處理后組織較好且硬度較高的試樣（即SR2）進行時效處理，時效處理試樣尺寸取10 mm×10 mm×15 mm。時效溫度為300，350，400，450 和500 ℃，保溫時間為1 h 和3 h，升溫速率為10 ℃/min。時效處理工藝編號如表3 所示。保溫結束后進行水冷。

表3 時效處理工藝編號Table 3 Number of aging process

1.3 組織分析和硬度測試

金相試樣尺寸取10 mm×10 mm×15 mm，用不同型號的金相砂紙進行打磨，然后用粒度W2.5 和W1 拋光劑進行拋光，再用4%HNO3+CH3CH2OH 溶液腐蝕至表面變暗，隨后用清水沖洗吹干，最后用OLS5000 型激光共聚焦顯微鏡對鑄態和熱處理后的高錳鋼試樣進行金相組織觀察。

用Bruker D8 Advance 型X 射線衍射儀（XRD）對水韌處理后的高錳鋼試樣進行物相分析，掃描角度35 °～90 °。

用DM2D 型顯微硬度計對鑄態和熱處理后的高錳鋼試樣進行維氏硬度測量。試驗力為500 g，持續時間為15 s，測量點選在奧氏體基體上。每個試樣采樣5 個點，求平均值得到試樣的維氏硬度值。

2 結果與討論

2.1 鑄態高錳鋼組織和硬度

圖2 是鑄態高錳鋼的金相照片。由圖2（a）可以看出晶粒較為粗大，晶粒尺寸約為 600 μm，在奧氏體晶界處析出大量網狀碳化物，且在晶粒內部分布著大量黑色塊狀物。對塊狀物進行放大觀察，如圖2（b）所示，可以看出塊狀物內部存在片層狀組織。含碳量為1.0%～1.1%的高錳鋼，采用砂型鑄造，在較慢的冷卻速度下，首先會在奧氏體晶界上析出二次碳化物，當溫度降至727 ℃時，發生共析轉變形成珠光體，珠光體組織為片層狀。因此，鑄態高錳鋼的組織為奧氏體、碳化物和珠光體，晶界處大量網狀碳化物和片層狀珠光體，導致鑄態高錳鋼的韌性和塑性明顯惡化［19］。鑄態高錳鋼的平均顯微硬度為HV 461.6，這與奧氏體基體上析出大量高硬度碳化物和珠光體有關。

圖2 鑄態高錳鋼顯微組織Fig.2 Microstructures of high manganese steel as cast

2.2 水韌處理對高錳鋼組織和硬度的影響

圖3 是不同水韌處理工藝下的高錳鋼金相照片。經水韌處理后，奧氏體晶界處網狀碳化物和晶內片層狀珠光體基本固溶完全，水韌后的組織為奧氏體和少量的點狀碳化物，且奧氏體晶粒尺寸明顯減小，這對高錳鋼塑韌性的提高具有積極作用。圖4是SR2試樣XRD圖譜，圖中只存在γ-Fe衍射峰，說明水韌處理后高錳鋼的組織主要為奧氏體。對比圖3（a，c）和圖3（b，d）發現，采用650 ℃保溫主要是為了防止厚件高錳鋼在加熱過程中由于內外溫差大而導致開裂；采用1100 ℃保溫是為了固溶鑄態高錳鋼中的碳化物和珠光體。當保溫時間較短時，在奧氏體晶界上有少量的網狀碳化物沒有固溶完全，如圖3（a，c）所示；隨著保溫時間的延長，碳化物固溶完全，且奧氏體晶粒發生長大。

圖3 不同水韌處理工藝下高錳鋼顯微組織Fig.3 Microstructures of high manganese steel under different water toughening processes（a）SR1；（b）SR2；（c）SR3；（d）SR4

圖4 SR2試樣XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of SR2 sample

表4 是不同水韌處理工藝下高錳鋼的顯微硬度值，可以看出，不同熱處理工藝下試樣的顯微硬度值差別不大。其中SR2試樣顯微硬度值最高，其值為HV 229.9；SR4 試樣由于保溫時間最長，晶粒發生明顯長大，導致其顯微硬度值最低（HV 211.8）。對比鑄態高錳鋼的顯微硬度值，水韌處理后的顯微硬度值發生大幅度降低，這與奧氏體基體上碳化物和珠光體的溶解有關。

表4 不同水韌處理工藝下高錳鋼的顯微硬度Table 4 Microhardness of high manganese steel under different water toughening processes

2.3 時效處理對高錳鋼組織和硬度的影響

圖5 為不同時效溫度和保溫時間的金相組織。SX300/1 和SX300/3 試樣金相組織為奧氏體和少量點狀碳化物；SX350/1 試樣晶界處開始析出針狀碳化物；SX350/3 試樣晶界處碳化物逐漸增多，且呈斷網狀分布；SX400/1 試樣晶界處針狀碳化物有向晶內生長的跡象；SX400/3、SX450/1、SX450/3 和SX500/1 試樣晶內晶界處都析出大量針狀碳化物，且開始在晶界處析出點狀碳化物；SX500/3 試樣晶內析出大量針狀碳化物，由于時效溫度的升高和保溫時間的延長，晶界處的針狀碳化物被點狀碳化物所取代，并且這些點狀碳化物沿著晶界呈網狀分布，這將大大降低試樣的塑韌性。縱向對比不同時效溫度下的金相組織發現，隨著時效溫度的升高，首先會在晶界處析出針狀碳化物，然后這些碳化物會向晶粒內部長大，導致整個基體都分布著針狀碳化物，同時會在晶界處析出一些點狀碳化物，并且隨著保溫時間的延長，晶界處的點狀碳化物逐步增多，且沿著晶界呈網狀分布。

圖5 不同時效處理工藝下高錳鋼顯微組織Fig.5 Microstructures of high manganese steel under different aging treatment processes（a）SX300/1；（b）SX300/3；（c）SX350/1；（d）SX350/3；（e）SX400/1；（f）SX400/3；（g）SX450/1；（h）SX450/3；（i）SX500/1；（j）SX500/3

不同時效工藝下試樣顯微硬度值如表5 所示，根據表5 繪制折線圖（圖6）。由圖6 看出，隨著時效溫度的升高，顯微硬度值逐漸增大，且在顯微組織發生明顯改變時（晶內出現大量針狀碳化物），試樣的顯微硬度發生突增。當保溫時間由1 h增加至3 h時，試樣的顯微硬度值大都有所增加，但是時效溫度為300 ℃和350 ℃時的顯微硬度值相差不大，且與水韌處理后的組織硬度相近。與SX400/1相比，SX400/3 顯微硬度值明顯更高，這與基體內出現大量針狀碳化物有關。

圖6 不同時效處理工藝下高錳鋼的顯微硬度變化曲線圖Fig.6 Microhardness curves of high manganese steel under different aging treatment processes

表5 不同時效處理工藝下高錳鋼顯微硬度Table 5 Microhardness of high manganese steel under different aging treatment processes

3 結論

1）鑄態高錳鋼的顯微組織為奧氏體、網狀碳化物和片層狀珠光體；經水韌處理后，碳化物和珠光體基本固溶完全，水韌后的組織為奧氏體和少量的點狀碳化物；相較于鑄態組織硬度HV 461.6，水韌處理后組織硬度降到HV 229.9。

2）采用650 ℃保溫主要是為了防止厚件高錳鋼在加熱過程中發生開裂，采用1100 ℃保溫可有效溶解碳化物和珠光體。當保溫時間較短時，奧氏體晶界處碳化物沒有溶解完全；隨著保溫時間的延長，碳化物固溶完全，且奧氏體晶粒發生長大。

3）隨著時效溫度的升高和保溫時間的延長，首先會在奧氏體晶界處析出針狀碳化物，然后這些碳化物會向晶粒內部長大，同時會在晶界處析出點狀碳化物，導致高錳鋼的塑性和韌性降低。隨著時效溫度的升高，顯微硬度值逐漸增大，且在顯微組織發生明顯改變時，試樣的顯微硬度發生突增。

4）針對武山銅礦半自磨機高錳鋼襯板進行熱處理試驗時，應保證水韌處理的保溫時間和入水速度。不宜采用較高溫度和較長時間的時效處理，以避免奧氏體晶粒的長大和網狀碳化物的析出，從而保證襯板的耐磨性和塑韌性。