陶瓷增强高锰钢复合材料的组织与结合机理

谢敬佩，张长涛，卢洪波，王文焱，王爱琴

(1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471003;2.郑州鼎盛工程技术有限公司，河南郑州450000)

0 前言

高锰钢具有良好的韧性，同时在强烈冲击下和大的压力下，会产生加工硬化，从而提高高锰钢的耐磨性。随着铁路、冶金、矿山等工业的发展，对耐磨材料的性能提出了更高的要求，同时对耐磨材料的需求量日益增多，为耐磨材料的发展提供了动力［1－3］。但是在某些工况条件下，高锰钢的耐磨性不高。为了增加高锰钢的性能，目前主要从两方面采取措施，改变工艺和改变成分。文献［4－6］用硬质合金和高铬铸铁硬质块增强高锰钢基体，这些研究对提高高锰钢的耐磨性取得了一定的效果，但是在大的冲击下耐磨性还不是太理想。

本文采用陶瓷强化高锰钢基体，制作高锰钢陶瓷复合材料，并通过扫描电镜对高锰钢与陶瓷的结合情况、基体的显微组织进行了研究，在此基础上较深入地探讨了高锰钢与陶瓷的结合机理。

1 实验材料及条件

1.1 实验材料

表1 高锰钢成分 质量分数/%

基体材料为Mn13，化学成分见表1，采用500 kg中频感应电炉熔炼，熔炼好后，将钢水浇入预先放有陶瓷块的铸型中，通过母液强烈的热作用，使陶瓷块与母材结合为一体。

1.2 实验热处理方法

将复合材料在SX-4-12型高温箱式电炉中进行热处理。原热处理工艺:将复合材料加热到1050℃保温3 h水韧处理，接着进行450℃的时效处理［7－9］;新热处理工艺:将复合材料热处理温度加热到1050℃保温4 h水淬，然后进行350℃的回火。

2 实验结果与讨论

2.1 高锰钢基体组织

图1为高锰钢基体组织，由图1a可见:新热处理下，没有沿晶碳化物析出。从图2b可见:原热处理下，碳化物不仅沿晶间析出，晶内也有大量的碳化物析出。400～550℃是碳化物析出和长大的温度区间，原热处理工艺在这个温度区间保温1 h，使碳化物大量析出。

2.2 不同热处理工艺基体冲击断口

图2a为冲击韧性值为190 J/cm2的断口形貌，从图2a中可以看出:新热处理工艺下，冲击断口形貌中有大量的韧窝，这是冲击韧性值高的原因。图2b为冲击韧性值为84 J/cm2的断口形貌，从图2b中可以看出:原热处理工艺下，断口形貌为准解离断口形貌，因此冲击韧性值较低。

2.3 基体碳化物

图3是新工艺下晶内弥散析出碳化物的分析。由结果可知:点块状析出碳化物为Fe、Cr、Mn的复合碳化物。这种在基体上弥散析出的碳化物，能够增强基体抗磨料磨损能力。奥氏体中开始析出碳化物温度为125℃，可是在此温度下碳化物的析出数量很少，为了增加碳化物在基体的弥散析出数量，需提高时效温度，但超过450℃碳化物会出现晶界连续网状分布，也会出现晶内粗大的碳化物;新热处理工艺在350℃下时效，这样既可保持基体的高韧性，同时还可以提高基体的耐磨性能［7］。

2.4 陶瓷块与高锰钢基体结合情况及机理

陶瓷块与基体的结合情况影响材料的使用寿命。对材料的界面进行金相分析。

通过扫描电镜观察陶瓷块与高锰钢结合情况，如图4所示。图4a新工艺方法下高锰钢与陶瓷块的结合很好，靠近陶瓷块部位的基体无微裂纹。靠近陶瓷块的高锰钢基体组织较细，碳化物弥散分布;图4b老工艺下，高锰钢与陶瓷块的结合较差，靠近陶瓷块部位的基体有微裂纹。高锰钢基体组织粗大，碳化物弥散分布，降低结合强度;由图4c可见:结合部位陶瓷和基体呈交错状，且可以看到陶瓷颗粒和基体嵌入高锰钢基体。

图4 陶瓷块与高锰钢结合情况

为了更好地检查结合较好材质界面的结合状况，图5给出了结合处的EDS线扫描照片，从图5中可以看出:金属陶瓷与高锰钢基体结合得很好，高锰钢与金属陶瓷基体熔为一体。基体材料的Fe元素含量，从基体到金属陶瓷，在界面处呈减少趋势;Ti元素的含量，从金属陶瓷到基体，下降明显，界面处的Ti含量低于远离界面的金属陶瓷的Ti含量，但是Ti元素的扩散距离较短。这两种元素的扩散是热扩散的结果。

高锰钢基体金属液的热量使陶瓷块在浇注后相当长一段时间里处于高温，而温度对扩散速度的影响呈指数变化，这就使扩散速率大大提高，形成较好的冶金结合。

图5 基体与金属陶瓷结合处线扫描

3 结论

(1)原热处理工艺下，碳化物在晶界和晶内都有大量分布，其中晶界有块状分布;新工艺下碳化物沿晶析出较少，可有效避免锤头工作中的脆断现象的发生。(2)新热处理工艺下断口形貌有大量韧窝，冲击值达到190 J/cm2。(3)新热处理工艺下，陶瓷块与基体高锰钢的结合为冶金结合，靠近陶瓷块部位的高锰钢基体的晶粒较细，碳化物弥散分布。

［1］ 刘湘，沈蜀西.镶铸高速钢－碳钢双金属耐磨材料结合机理的研究［J］.铸造技术，2003，24(1):67－71.

［2］ 刘亚民，陈振华，魏世忠，等.硬质合金－球墨铸铁复合铸造［J］.河南科技大学学报:自然科学版，2004，25(1):23－25.

［3］ 陈和性，赵四勇，常明，等.高锰钢镶铸硬质合金锤头的研制［J］.铸造技术，2000(4):13－14.

［4］ 钟正彬，魏晓伟.钢结硬质合金－铸钢镶铸的研究［J］.热加工工艺，2005(10):15－17.

［5］ 刘耀辉，刘海峰，于思荣.液态结合双金属复合材料界面研究［J］.机械工程学报，2000，36(7):81－85.

［6］ 刘湘，沈蜀西，于青.高铬白口铸铁－碳钢镶铸结合区成分组织与性能的研究［J］.现代铸铁，2003(2):9－12.

［7］ 谢敬佩，李卫等.耐磨铸钢及熔炼［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［8］ Smith RW，Demonte A，MackayW B F.Developmentof High-Manganese Steels for Heavy Duty Cast-to-shape Applications［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004(153/154):589－595.

［9］ Rama R P，Kutumbarao V V.Developments in Austenitic Steels Containing Manganese［J］.Int Metall Rev，1989，34(2): 69－70.