钨合金化处理对高锰钢组织和性能的影响

2021-10-25万文锋庄文玮

机电工程技术 2021年9期

万文锋，庄文玮，张飘，彭伟

（东华理工大学机械与电子工程学院，南昌330013）

0 引言

高锰钢由于其良好机械性能被广泛应用矿山、铁路、冶金等机械装备中。高锰钢是目前耐磨材料使用最广泛的，相比较其他的合金钢，其冲击韧性和价格方面及其具有优势。随着工业的发展，高锰钢的使用工况也有更高的要求。为了提高耐磨性，人们在合金化处理[1]上面做了大量的研究。随着现代工业对高锰钢的要求越来越高，原始所用的高锰钢已经不能满足生产的要求。对其力学性能需要做进一步提高，ZGMn13是传统的应用的耐磨材料，其在强冲击条件下表现出良好的机械性能。但ZGMn13在强烈冲击载荷下的使用结果却不尽人意。ZGMn13的硬度过低，引起的磨耗剧烈增大，这样对高锰钢的寿命有很大的影响。高锰钢由于其本身的性能特点，在凝固的过程中会使得晶粒变得粗大，降低了铸件的强度[2]。近年来，再合金化处理是提升高锰钢性能的和寿命的最有效途径。为此学者们进行了大量的研究。研究表明，合金化处理能提高高锰钢的各方面的机械性能。从有关文献的研究报道中发现，夹杂物的大小对晶粒的细化程度也有影响，同时会影响第二相的强化作用[3-5]。合金化处理是在传统的高锰钢基础上，再添加其他的合金元素，使其形变强化能力提高。通过沉淀强化、细晶强化及固溶强化等作用强化基体。本文试验设定了合理的化学成分，正确的试验思路，在传统高锰钢的成分基础上加入不同梯度的钨元素，进行合金化处理，同时设置了对照组，研究钨含量对高锰钢组织和性能的影响，得出了钨元素对高锰钢的组织和对高锰钢力学性能的影响。

1 试验内容

1.1 材料成分

在实验过程中，可以适当地调节碳和锰的成分比值，从而使得高锰钢获得更好的综合性能。原始高锰钢的化学成分如表1所示。

表1 原始的高锰钢的化学成分Table.1 Chemical composition of original high manganese steel

表2 本文试验用高锰钢的化学成分Table.2 Chemical composition of traditional high-manganese steel used in the test

此次试验的合金化处理方案如表3所示，添加的合金钨的质量分数位75%，设为5个梯度，分别为未添加钨元素的高锰钢、质量分数为0.3%W、0.6%W、0.9%W、1.2%W五个数据组。其中合金原料采用包内加入法。

表3 合金化处理方案Table.3 alloying treatment scheme

1.2 试验过程

试验熔炼的过程在500 kg的中频感应电炉中进行，出箱的温度为1 540～1 560℃。浇铸的温度为1 400～1 420℃[6-10]。浇铸的试样形状为标准的圆棒试样。试样出来后进行化学成分检测，化学成分如表4所示。

表4 试样的化学成分（质量分数%）Table.4 Chemical composition of samples（Wt%）

将浇铸好的标准圆棒试样经车床加工成标准的金相试样、硬度试样和拉伸试样。利用4XD-2双目倒置金相显微镜对两种高锰钢的组织进行观察，并且采用截线法对金相组织的尺寸进行测量，金相试样的样品尺寸为φ16 mm×8 mm的圆柱。金相试样观察前，经砂纸过粗磨细磨处理，最终经抛光机抛光[11]，待观察一面光滑后烘干，随后静置一段时间，放入含5%硝酸和5%酒精的容器内腐蚀，一段时间后取出，再进行烘干处理，随后进行金相显微观察。

利用CMT5605电子万能试验机对试样进行了拉伸试验，利用HR-150A洛氏硬度试验机对试样进行硬度测试，拉伸速率设为1 mm/min。其中硬度试样尺寸为φ16 mm×12 mm。图1所示为本次实验的拉伸试样。其中拉伸的每个含量组分别都设有两组数据，便于实验误差的考虑然后取平均值。其中硬度测试在硬度试验机进行，测定6个点求平均值。

图1 试验用拉伸试样Fig.1 Tensile specimens for testing

2 试验结果

2.1 合金化处理对组织的影响

图2 所示为不同的合金化方案观察到的金相组织。表5所示为测得的不同方案的晶粒尺寸。未经合金化处理的1号试样的平均晶粒尺寸为200.6 μm，晶粒尺寸比较粗大，其它合金化处理后的高锰钢的尺寸明显变小，晶粒细化了25%～50%。由金相组织得出，合金化处理后，相对于未添加钨元素的试样组织，合金化处理后，夹杂物的数量变小。而且尺寸变得细小均匀。并且在基体中弥散分布。

图2 不同合金化处理的的金相显微组织Fig.2 Metallographic microstructure of different alloying treatments

表5 不同合金化处理的高锰钢平均晶粒尺寸Table.5 average grain size of high manganese steels with different alloying treatments

由以往的试验也知道，高锰钢经过合金化处理，晶粒的可以明显的细化，晶粒的分布和形状也变得条理性，W是强烈的氮化物、碳化物形成元素[12-13]，可以与钢中的C，N形成碳、氮化合物，这些化合物具备高熔点的性质。在一定的条件下这些高熔点碳、氮化合物可作为钢液的异质形核核心。查阅文献可知，作为形核剂的两个条件之一是有超过液相熔点的相；二是这些相在低指数面中的情况下与液相金属具有低的错配度。当两者之间的错配度小于12%时，这些高熔点相可以作为形核的核心。经查阅可知，W2C和γ－Fe的错配度小于12%，因此W2C可以作为异质形核核心，细化高锰钢的组织。W元素少部分固溶于基体，大部分与C、N等结合生成化合物微粒并析出，这些析出相具有高熔点、高硬度的特点，并与γ相的错配度较低[14]，能作为结晶核心，提高形核率，从而使高锰钢晶粒细化；合金析出相分布在晶界附近，可以防止原子扩散，阻止晶界移动，以抑制晶粒和夹杂物长大。

试验过程中采用W进行微合金化，W和C的结合力强于Mn和C，且W2C的熔点为2 785℃。试验过程的温度超过1 300℃的时候，C和W会发生反应产生W2C，所以在合金化后高锰钢液凝固相的时候，W2C会优先提前结晶，与钢液润湿的W2C同时作为异质形核核心，促使高锰钢非均匀形核，从而使铸件晶粒尺寸变小，达到细化的目的[15]。

2.2 合金化处理对高锰钢硬度的影响

本试验采用的是HR-150A洛氏硬度试验机测试各组试样的硬度，对每一个试样都进行3次试验，将所得数据进行平均化取值，结果如图3所示。由以上数据可见，钨合金化后试样硬度明显提高，其中#5试样的硬度值最高，达到了25.2HRC。与对照组相比，合金化处理的试样平均硬度提高了18.1%~47.4%，这是细晶强化、固溶强化和弥散强化综合作用的结果[11]。表明合金化处理能显著提高高锰钢的硬度。正如前面的论述中，高锰钢经钨合金化处理后，晶粒的尺寸明显变小形状变得匀称，所以细晶强化提高了高锰钢的硬度。同时，钨和一部分的合金元素在铸态过程中会溶于基体中，由于固溶强化的作用也会增加高锰钢的硬度；另一部分与C、N形成弥散分布于基体中的高硬度的、稳定的碳化物和氮化物，进一步增加了高锰钢的硬度。

图3 硬度试验值Fig.3 Hardness test value

2.3 合金化处理对高锰钢抗拉强度的影响

如图4所示，添加了钨元素后，高锰钢的抗拉强度得到提升，其中合金元素含量最高的#5试样的抗拉强度最高，为491 MPa，相比对照组未合金化处理的普通试样#1，其强度大幅度提升；其他对照组的抗拉强度均高于普通高锰钢。本试验设定的合金组合和含量对高锰钢抗拉强度的提升效果不明显。但是可以发现，随着合金含量的增加，高锰钢的抗拉强度也在提升，因此说明试验的合金含量并没有达到能显著提升高锰钢强度的层次，不能充分发挥出钨的强化作用。试验结果表明合金化处理也能提升抗拉强度。