热处理工艺对高锰钢组织和硬度的影响

2024-01-15罗飞翔段振虎伍伟玉

铜业工程 2023年6期

罗飞翔，段振虎，伍伟玉

（江西铜业技术研究院有限公司，江西南昌 330096）

高锰钢又叫Hadfield钢，较早由英国人R.A.Hadfield 发明，因其在高应力、高冲击载荷的工作环境下仍能够保持良好的耐磨性，同时内部可以保持较好的韧性，被广泛应用在采矿、破碎、挖掘及轨道行业［1-3］。铸态高锰钢组织通常由奥氏体基体、沿奥氏体晶界分布的碳化物以及少量的珠光体组成，这导致铸态高锰钢的韧性和塑性极差，难以得到大规模工程应用［4-6］。为了解决这一问题，通常需要对铸态高锰钢进行水韧处理，即将高锰钢加热到1040 ℃以上，并保温适当时间，使其碳化物固溶于奥氏体中，随后快速冷却得到过冷奥氏体组织。高锰钢水韧后的组织通常为奥氏体和少量的碳化物［7-11］。水韧处理的温度、保温时间、冷却速度等都会影响热处理后的组织和性能。水韧温度低、保温时间短，会导致碳化物固溶不完全，晶界上残留的网状碳化物会导致材料的韧性降低；水韧温度过高和保温时间过长，会导致高锰钢件表面脱碳，并促使晶粒长大；在水韧处理时，高锰钢件入水前的温度低、入水速度慢、冷却水量不足等，都会导致冷却速度慢，以致碳化物再次析出［12-15］。

高锰钢经水韧处理后韧性得到了提高，但是由于碳化物的固溶，导致其表面硬度有所降低，在一些中、低载荷工况下，不能充分发挥其加工硬化性能。因此，有很多学者通过对水韧处理后的高锰钢进行时效处理，促使碳化物重新析出，以沉淀相的形式弥散分布在奥氏体基体中，从而提高水韧处理后高锰钢的硬度，以达到改善其综合性能的目的［16］。

Feng 等［17］研究了时效温度对含V 高锰钢组织和性能的影响，发现随着时效温度的升高，析出物逐渐增多，且析出物的形貌由球状向针状转变，当时效温度为450 ℃、保温时间为1 h时，高锰钢的力学性能最好。

大连理工大学李威［18］研究了时效处理的温度和保温时间对球磨机Mn13类衬板组织和性能的影响。即对水韧处理后的ZGMn13MoCrTiRe，进行温度为150，250，350 和450 ℃，保温时间为2，3，4和5 h的时效处理。研究发现随着时效温度的升高和保温时间的延长，在奥氏体基体上逐渐析出碳化物，晶粒的几何尺寸逐渐增大，但晶粒度逐渐均匀化，且在时效温度为450 ℃时，开始在晶界处析出针状碳化物。

热处理工艺对高锰钢组织和性能有重要影响，针对含有不同成分的高锰钢采用的热处理工艺并不相同，且热处理工艺对组织和性能的影响规律也不尽相同。因此，本文研究了水韧处理时间和时效处理温度、保温时间对高锰钢组织和硬度的影响规律，并在此基础上，为武山铜矿半自磨机衬板工业试制热处理工艺的制定提供指导。

1 实验

1.1 铸件试样的熔炼与浇铸

利用武山铜矿1 t 中频熔炼炉进行高锰钢的熔炼，分别采用手持荧光光谱仪（型号XL2980Plus）和手持测温枪（型号W330）对炉前成分和温度进行测试，严格控制Cr，Mn 元素含量，出炉温度控制在1540 ℃左右，浇铸温度控制在1450 ℃左右。表1是铸件试样化学成分表，图1（a）是铸件试样实物图。用线切割机将试样切成五小块，对中间试样块进行铸态组织观察和成分测试，其余四块作为进行水韧处理和时效处理时的试样原料。取中间试块，利用角磨机对其表面进行打磨，然后用无水乙醇擦拭待测表面，将待测表面划分成30 mm×30 mm小区域，用手持荧光光谱仪测得各位置点Cr，Mn元素含量，如图1（b）所示。由图1（b）可见，不同位置点Cr，Mn 元素含量相差不大，说明铸件成分偏析很小。

图1 铸件试样（a）实物图和（b）成分分布图Fig.1 Physical image and composition distribution diagram of casting samples（a）Physical image；（b）Composition distribution diagram

表1 高锰钢铸件试样化学成分Table 1 Chemical composition of high manganese steel casting samples（%，mass fraction）

1.2 热处理实验

用STM-36-12 型高温马弗炉进行热处理试验。水韧处理试样尺寸取80 mm×90 mm×120 mm，水韧处理工艺编号如表2所示。采用650 ℃保温可有效减少铸件内外温差和防止在加热过程中出现变形或开裂。水韧处理的升温速率控制在4 ℃/min以内，且热处理完成后进行的水冷，要求工件入水温度在950 ℃以上，入水时间控制在1 min 以内，水冷后的水温不超过60 ℃。

表2 水韧处理工艺编号Table 2 Number of water toughening process

选择水韧处理后组织较好且硬度较高的试样（即SR2）进行时效处理，时效处理试样尺寸取10 mm×10 mm×15 mm。时效温度为300，350，400，450 和500 ℃，保温时间为1 h 和3 h，升温速率为10 ℃/min。时效处理工艺编号如表3 所示。保温结束后进行水冷。

表3 时效处理工艺编号Table 3 Number of aging process

1.3 组织分析和硬度测试

金相试样尺寸取10 mm×10 mm×15 mm，用不同型号的金相砂纸进行打磨，然后用粒度W2.5 和W1 抛光剂进行抛光，再用4%HNO3+CH3CH2OH 溶液腐蚀至表面变暗，随后用清水冲洗吹干，最后用OLS5000 型激光共聚焦显微镜对铸态和热处理后的高锰钢试样进行金相组织观察。

用Bruker D8 Advance 型X 射线衍射仪（XRD）对水韧处理后的高锰钢试样进行物相分析，扫描角度35 °～90 °。

用DM2D 型显微硬度计对铸态和热处理后的高锰钢试样进行维氏硬度测量。试验力为500 g，持续时间为15 s，测量点选在奥氏体基体上。每个试样采样5 个点，求平均值得到试样的维氏硬度值。

2 结果与讨论

2.1 铸态高锰钢组织和硬度

图2 是铸态高锰钢的金相照片。由图2（a）可以看出晶粒较为粗大，晶粒尺寸约为 600 μm，在奥氏体晶界处析出大量网状碳化物，且在晶粒内部分布着大量黑色块状物。对块状物进行放大观察，如图2（b）所示，可以看出块状物内部存在片层状组织。含碳量为1.0%～1.1%的高锰钢，采用砂型铸造，在较慢的冷却速度下，首先会在奥氏体晶界上析出二次碳化物，当温度降至727 ℃时，发生共析转变形成珠光体，珠光体组织为片层状。因此，铸态高锰钢的组织为奥氏体、碳化物和珠光体，晶界处大量网状碳化物和片层状珠光体，导致铸态高锰钢的韧性和塑性明显恶化［19］。铸态高锰钢的平均显微硬度为HV 461.6，这与奥氏体基体上析出大量高硬度碳化物和珠光体有关。

图2 铸态高锰钢显微组织Fig.2 Microstructures of high manganese steel as cast

2.2 水韧处理对高锰钢组织和硬度的影响

图3 是不同水韧处理工艺下的高锰钢金相照片。经水韧处理后，奥氏体晶界处网状碳化物和晶内片层状珠光体基本固溶完全，水韧后的组织为奥氏体和少量的点状碳化物，且奥氏体晶粒尺寸明显减小，这对高锰钢塑韧性的提高具有积极作用。图4是SR2试样XRD图谱，图中只存在γ-Fe衍射峰，说明水韧处理后高锰钢的组织主要为奥氏体。对比图3（a，c）和图3（b，d）发现，采用650 ℃保温主要是为了防止厚件高锰钢在加热过程中由于内外温差大而导致开裂；采用1100 ℃保温是为了固溶铸态高锰钢中的碳化物和珠光体。当保温时间较短时，在奥氏体晶界上有少量的网状碳化物没有固溶完全，如图3（a，c）所示；随着保温时间的延长，碳化物固溶完全，且奥氏体晶粒发生长大。

图3 不同水韧处理工艺下高锰钢显微组织Fig.3 Microstructures of high manganese steel under different water toughening processes（a）SR1；（b）SR2；（c）SR3；（d）SR4

图4 SR2试样XRD图谱Fig.4 XRD pattern of SR2 sample

表4 是不同水韧处理工艺下高锰钢的显微硬度值，可以看出，不同热处理工艺下试样的显微硬度值差别不大。其中SR2试样显微硬度值最高，其值为HV 229.9；SR4 试样由于保温时间最长，晶粒发生明显长大，导致其显微硬度值最低（HV 211.8）。对比铸态高锰钢的显微硬度值，水韧处理后的显微硬度值发生大幅度降低，这与奥氏体基体上碳化物和珠光体的溶解有关。

表4 不同水韧处理工艺下高锰钢的显微硬度Table 4 Microhardness of high manganese steel under different water toughening processes

2.3 时效处理对高锰钢组织和硬度的影响

图5 为不同时效温度和保温时间的金相组织。SX300/1 和SX300/3 试样金相组织为奥氏体和少量点状碳化物；SX350/1 试样晶界处开始析出针状碳化物；SX350/3 试样晶界处碳化物逐渐增多，且呈断网状分布；SX400/1 试样晶界处针状碳化物有向晶内生长的迹象；SX400/3、SX450/1、SX450/3 和SX500/1 试样晶内晶界处都析出大量针状碳化物，且开始在晶界处析出点状碳化物；SX500/3 试样晶内析出大量针状碳化物，由于时效温度的升高和保温时间的延长，晶界处的针状碳化物被点状碳化物所取代，并且这些点状碳化物沿着晶界呈网状分布，这将大大降低试样的塑韧性。纵向对比不同时效温度下的金相组织发现，随着时效温度的升高，首先会在晶界处析出针状碳化物，然后这些碳化物会向晶粒内部长大，导致整个基体都分布着针状碳化物，同时会在晶界处析出一些点状碳化物，并且随着保温时间的延长，晶界处的点状碳化物逐步增多，且沿着晶界呈网状分布。

图5 不同时效处理工艺下高锰钢显微组织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

不同时效工艺下试样显微硬度值如表5 所示，根据表5 绘制折线图（图6）。由图6 看出，随着时效温度的升高，显微硬度值逐渐增大，且在显微组织发生明显改变时（晶内出现大量针状碳化物），试样的显微硬度发生突增。当保温时间由1 h增加至3 h时，试样的显微硬度值大都有所增加，但是时效温度为300 ℃和350 ℃时的显微硬度值相差不大，且与水韧处理后的组织硬度相近。与SX400/1相比，SX400/3 显微硬度值明显更高，这与基体内出现大量针状碳化物有关。