高锰钢磨损及变质处理技术研究概况*

张 飘，庄文玮，刘汉代

（东华理工大学机械与电子工程学院，南昌 330013）

0 引言

随着制造业规模的不断扩大、应用条件的越发苛刻、高效化运转方向的不断发展，作为传统且耐磨性好的材料，高锰钢在机械、矿山、冶金、铁路等[1]条件下被广泛使用。这些工况条件比较恶劣，反复的高冲击载荷使高锰钢出现加工硬化从而出现严重的疲劳磨损。但高锰钢只有在高冲击载荷条件下，才能展现其优良的耐磨性和强度。

大型球磨机衬板选用的耐磨材料也是高锰钢，其工况条件更恶劣，磨损失效更严重。有资料显示[2]：80%机械零部件的失效是因为磨损造成使用寿命降低，而每年由于摩擦磨损造成的经济损失约占国内生产总值(GDP)的5%。装备制造业需要高性能的耐磨材料，而开发具有高性能的耐磨材料对社会效益和经济效益均会产生影响，提高国家制造业整体竞争力的重要任务之一就是改善耐磨材料使用寿命。目前国内变质处理手段还比较薄弱，如何进一步改善高锰钢性能是变质处理当前研究的热点。本文从高锰钢磨损机理、失效形式及改善高锰钢性能方法的研究进展进行相关阐述。根据失效形式和改善高锰钢性能各种强化机理，提出相应的措施。

1 高锰钢的发展现状

高锰钢最早由Hadfield研发，也被称为Hadfield钢。高锰钢投入工业应用的标志是应用于电车轨道的道岔。由于高锰钢应用于恶劣的高冲击载荷工况条件下，其表现出良好的加工硬化能力[3]，同时奥氏体基体使铸件内部有一定的韧性。高锰钢作为常用的耐磨材料也有缺点：晶粒容易粗大，无法在中低冲载荷下发挥优良的加工硬化性能导致耐磨性差；低温条件可能出现脆断；高温潮湿条件可能会腐蚀[4]等还未得到根本的解决。很多耐磨金属材料的出现慢慢取代了球磨机上所用的高锰钢衬板，但是一些恶劣工况条件下，其他的耐磨材料无法发挥出高锰钢那样好的性能，这样的条件最理想合适的材料还是高锰钢[5]。研究改善高锰钢的耐磨性可以在一定程度上提高经济效益，让高锰钢的加工特性得到充分发挥，延长其使用寿命。

传统高锰钢主要成分为C、Mn、Si、S、P 等，高锰钢中不同的化学成分起到的作用是不一样的，如锰能稳定奥氏体区还可以扩大该区域，合适的碳和锰含量都能使高锰钢的性能优异，磷含量过高极易使铸件出现热裂纹而报废。碳化物、γ、p还有少量的磷共晶是组成高锰钢铸态主要组织。结合图1 所示可知[6]，铸造结晶过程的冷却速度低，组织的转换是随着温度变化的。奥氏体晶界处的碳化物析出温度是650～1 200 ℃；而γ相分解为α相和碳化物(Fe,Mn)3C的温度是低于650 ℃。设计水韧处理工艺与高锰钢是否得到单一的奥氏体组织密切相关，不同的固溶温度和保温时间需考虑此时组织中的碳化物此时是否充分溶解，得到理想奥氏体晶粒大小。

图1 含锰13%的铁、锰、碳截面组织三元图

2 高锰钢的失效

磨损、折断及腐蚀会使材料失效，主要失效类型是磨损。磨损类型可以分为4 种：磨粒、表面疲劳、腐蚀和黏着。冲击、磨粒及腐蚀共同作用使高锰钢失效。下面将介绍几种磨损。

（1）冲击磨损

在冲击载荷下工件表面材料出现脱落即为冲击磨损。以破碎机的锤头为例，主要原料是高锰钢，生产满足需求的锤头需要通过不同的热处理工艺。图2所示为高锰钢锤头磨损示意图，锤头和物料的工作区是主要的接触面，物料对锤头的冲击并且破碎物料同时进行，锤头会产生磨损[7]。在该工况下工作区会变形缩小，形成两个方向的分力，加快锤头磨损速度。工作区一旦完全被磨损，那么锤头就不能实现破碎物料，即锤头失效[8]。

图2 锤头磨损

（2）磨粒磨损

磨粒磨损是摩擦副间或者硬质颗粒在工件表面产生相对运动或者相互运动，最后使材料损失。上述的锤头也有磨粒磨损，锤头破碎物料产生的磨粒，冲击载荷下物料对高锰钢锤头磨损较为严重。犁沟、切削、疲劳和启裂是磨粒磨损的4种微观机制[9]，如图3所示。

图3 磨粒磨损的4种微观机制

磨粒磨损分为微观机制的原因是磨损量均较小但反复作用，而磨损量的大小是取决于材料表面硬度，因此分为微观磨粒磨损机制。磨料的进给运动会在材料表面产生切削形成犁沟；切削磨损材料表面接触磨料产生相对运动，形成两个方向的力，反复作用产生的切屑与磨屑均从磨损面脱落而造成材料损失。疲劳磨损是受循环接触应力引起材料表面出现一定程度的裂纹，当裂纹扩展到一定程度就会出现连接，使材料表面出现大块剥落形成凹坑。

（3）腐蚀磨损

在潮湿或者带有腐蚀性的介质环境中，工件表面产生摩擦，在摩擦副之间就可能发生化学反应，材料表面就会因化学反应而不断发生磨损。这种腐蚀生成的产物会脱落，材料表面反复在腐蚀和磨损下交替，最终材料失效。

3 改善高锰钢耐磨性的方法

研究学者为了在低冲载荷或者低应力条件下，能使高锰钢充分发挥加工硬化能力且耐磨性好，探究了不同的方法来解决该问题。

3.1 沉淀强化

高锰钢进行热处理，使脱溶和析出的碳化物即第二相质点弥散分布在奥氏体基体上即沉淀强化，高锰钢会因该组织的出现来抵抗磨料的冲击[10]。不同的热处理可得到该组织，先对铸态组织进行固溶处理，接着让碳化物在过冷状态下从奥氏体中脱溶，升温重结晶析出和共析组织中的碳化物均被细化，最终奥氏体基体上弥散分布碳化物第二相质点。

如图4所示，不同热处理工艺方法最终都是为了得到碳化物第二相质点，都遵循第一阶段消除铸态组织原则。根据不同的条件选择上述4种不同的沉淀强化方法，具体适用条件如表1所示。

图4 4种沉淀强化的热处理工艺方案

表1 不同沉淀热处理应用的条件

3.2 改性强化

高锰钢铸件为了保证壁厚较大、结构复杂的中心部位的稳定性且组织仍为单相奥氏体。需要对高锰钢进行改性，即对钢中碳和锰含量进行调整，从而改变其性能。超高锰钢是将传统高锰钢中的锰含量从12%～13%调到15%～23%，在0.9%～1.5%选择碳含量。超高锰钢在塑性和强度方面都有明显改善，在低温下发生脆断裂的可能性也降低了[11]。超高锰钢的性能研究表明：耐磨性比普通高锰钢要好，但是锰含量不是越高越好，锰含量越多晶粒也更加容易变得粗大。加拿大一制造公司研发出的中锰钢是降低传统高锰钢锰、碳含量，但奥氏体会变得不稳定而向马氏体转变，来提高形变硬化的能力。中锰钢的加工硬化能力还有它的延展性和奥氏体体积分数、形变温度均有关系[12]。

3.3 变质强化

变质强化是在传统高锰钢中加入其他稀土合金元素，合金化处理是改善高锰钢性能的主要研究板块。以常用的稀土变质剂为例，稀土元素表面活性和本身的化合物是关键核心。奥氏体和夹杂物错配度低，能作为结晶时的异质晶核。如图5所示，在一定范围内钢液中晶粒长大程度随着稀土元素含量的增加而变小[13]。

图5 稀土元素对高锰钢晶粒生长的影响

由于稀土本身活泼的化学性质，与钢液形成形碳化物且均匀分布在晶内，可以降低高锰钢在铸造中产生的热裂纹，同时所需的铸造应力会降低。变质处理不单单只有稀土，还可以扩展加入其他的合金元素。高锰钢的韧性会因加入的合金元素在晶界处析出的碳化物而降低，但是耐磨性得到了提升。合金化处理形成高熔点的化合物，细化晶粒，碳化物的析出提高加工硬化能力。研究表明加入多种合金元素比只加一种合金元素处理的高锰钢效果要好[14]。

4 结束语

高锰钢作为常用的耐磨材料，根据铁碳锰三元图在不同温度范围内钢的组织转变，会生成熔点高、稳定性好的碳化物和渗碳体。γ相是铁碳相图重要的部分，加入合金元素引起γ相变化从而使得S 点（共析温度点）和E 点（碳钢、铸铁分界点）向左或右偏移，最终钢中可能形成铁素体或者单一的奥氏体组织。由此可得加入其他合金元素也会对铁碳三原图产生影响，γ相所在的温度区间内会由于合金元素溶于γ－Fe而发生该变。

探讨高锰钢的失效类型及机理，多方面的综合因素使其材料失效。高冲击载荷下才发挥优良特性，恶劣的工况条件会加剧磨损，而更换零部件必然在工作效率和经济方面受到影响。针对材料失效可从以下几个方面进行预防。

（1）控制高锰钢中重要化学成分。锰能稳定且扩展奥氏体区，根据铸件的结构还有适用的工况条件来选取合适的锰含量。使用低磷可以有效的降低裂纹的产生，也可以采用脱磷的手段降低磷的含量；除了锰、磷，冲击韧性和硅含量有关，硅含量高生成碳化物也多，所以控制硅含量低于0.65%。

（2）高载荷的反复冲击才能表现高耐磨性，可以从其表面加工硬化能力预防。适当地通过一些强化方法改善其硬化能力如预先硬化处理，能在一定程度上抵抗冲击磨损，耐磨件寿命也会提高。

（3）延长铸件浇注保温时间，让铸件尽可能在型腔内缓慢冷却，箱内温度低于200 ℃开箱。对于合金化处理的高锰钢进行热处理其温度要适当提升30～50 ℃，严格控制好热处理时间。

不同强化方法虽然有一定的效果，但是也有一定的局限性，要考虑其综合性能和在制造生产中的推广。如水韧处理和沉淀强化方法所需的工艺简单、成本低，冲击韧性及抗拉强度都有提高，但会出现特殊的碳化物、溶解难度大，所以需要高温度；改性处理MnO含量低可提高其冲击韧度，热裂纹倾向减小，但含量过低不能形成单一的奥氏体组织；变质强化在选用合金元素上要考虑多方面的问题：如加入铌元素能使奥氏体固溶时稳定性得到增加，但是钢液温度要求很高，需要达到2 000 ℃，但是在工厂铸造高锰钢时钢液温度在1 600 ℃左右，工艺要求难以实现。

通过全文对高锰钢分析，在提高高锰钢耐磨性方面已有不少研究，但是都还未从根本上解决存在的问题。耐磨相可评判耐磨性的好坏，其相必须形态良好、硬度高且能在基体中均匀分布才能使材料具有较高耐磨性。沉淀强化中热处理改善高锰钢的基体组织，在一定程度上碳化物形成的第二相质点可以使表面加工硬化能力增强。在未来的研究过程中可以考虑以碳化物强化基体为方向来提高高锰钢的耐磨性。