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热处理工艺对高锰钢性能影响

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摘要:以合金化高锰钢Mn13Cr2为研究对象,通过微观组织观察、硬度测试等试验方法,研究固溶处理对合金化高锰钢组织与性能的影响。研究表明:合金化高锰钢铸态组织中弥散分布着大量块状和针片状碳化物,存在于晶界上与晶界内。经550℃保温1.5h后淬火处理,合金化高锰钢基体组织中部分奥氏体分解为珠光体;继续升温处理,珠光体成为奥氏体形核界面,在一定程度上可以细化奥氏体组织。合金化高锰钢的最佳热处理工艺为:100℃/h的加热速度加热到550℃保温1.5h,再650℃保温2h,最后1080℃保温2h,淬火,可使晶粒发生细化,晶粒尺寸达到170μm。此工艺下,合金化高锰钢的硬度为220HBS。

关键词:合金化高锰钢;热处理工艺;组织

高锰钢是一种使用广泛的耐磨材料,为了进一步提高高锰钢的耐磨性能,在传统高锰钢的基础上,通过添加Ti、V、Nb、W等元素可以达到形成高熔点化合物细化晶粒的目的,这样即得到了耐磨性能更佳的合金化高锰钢[1]。合金化高锰钢具有较高的耐磨性主要是由于其加工硬化现象,在较高的应力作用下才可以使其耐磨性能得到充分发挥。但在具体情况中,更多的合金化高锰钢材料的耐磨件在中低应力状态下工作,使合金化高锰耐磨钢的耐磨性能无法有效发挥。因此,通过对合金化高锰钢进行不同的固溶处理,得到具有单一奥氏体且组织细小的合金化高锰钢,可以使其更好的在中低应力状态下提高耐磨性能,延长耐磨制件使用寿命。本文主要研究合金化高锰钢的固溶处理工艺,比较不同热处理工艺条件下合金化高锰钢的组织与性能,确定其最优热处理工艺,为提高合金化高锰钢的使用寿命提供参考。

1试验材料与方法

1.1试验材料

以Mn13Cr2型合金化高锰钢为研究对象[2],Mn13Cr2高锰钢的化学成分如表1所示。

1.2试验方法

(1)热处理工艺固溶处理可以使合金化高锰钢组织中奥氏体的碳化物完全溶解,并使晶粒尽可能保持细小。为了优化热处理工艺,得到具有单一奥氏体且组织细小的合金化高锰钢,研究中设计了3种热处理方案,均按照100℃/h的加热速度对工件加热。具体方案如下:①方案1:650℃保温2h,再1050℃保温2h,淬火;②方案2:650℃保温2h,再1080℃保温2h,淬火;③方案3:550℃保温1.5h,再650℃保温2h,最后1080℃保温2h,淬火。通过SKT-4-12型管式电阻炉对尺寸为10mm×20mm×35mm的工件加热。为防止热处理过程中工件发生脱碳现象,试验中采用气氛保护法[3],以氮气为保护气氛防止工件氧化脱碳。(2)显微组织观察采用线切割将试样切割成10mm×10mm×10mm的金相试样,通过预磨机进行80#、400#、1200#、2000#金相砂纸打磨后,使用三氧化二铬抛光液抛光,再通过4%硝酸酒精溶液腐蚀30s,采用LeitzMM-6金相显微镜观察金相组织。(3)硬度测试将硬度测试试样上下表面磨平,并保持上下表面平行,使用HBR-187.5布洛维硬度计进行硬度测试[4]。同类试样进行3组测试,取均值作为测试结果。

2热处理工艺对组织的影响

2.1铸态显微组织

合金化高锰钢铸态组织如图1所示。由图1可见,合金化高锰钢铸态组织的奥氏体基体上分布着碳化物,碳化物比较均匀,弥散分布,大量存在于晶界上与晶界内,碳化物为块状和针片状。

2.2热处理后显微组织

经方案1和方案2处理后的合金化高锰钢组织如图2所示。从图2(a)可看出,经过方案1处理后,组织中碳化物并未完全溶解于奥氏体,由此说明在1050℃时合金化高锰钢中碳化物已经溶解,但溶解并不完全。从图2(b)可见,经过方案2处理后,合金化高锰钢组织中的碳化物已经完全溶解,组织为单一的奥氏体组织,由此说明在1080℃时碳化物已经完全溶解如奥氏体中。因此,本研究中的合金化高锰钢的最佳固溶温度为1080℃。传统高锰钢固溶温度一般不超过1050℃。因为超过1050℃时,奥氏体晶粒开始长大,将影响高锰钢的综合性能。而合金化高锰钢中由于含有Cr,会形成(Fe,Cr)3C型合金渗碳体。比传统高锰钢中(Fe,Mn)3C更稳定,需要在更高温度下分解。因此,合金化高锰钢需要更高的固溶温度。经方案2和方案3处理后的合金化高锰钢低倍与高倍金相组织如图3所示。从图3(b)、(d)可见,经过方案2和方案3处理后,碳化物均完全溶于奥氏体基体内,形成了单一奥氏体组织,但晶粒度有所差别。从图3(a)、(c)可见,方案2处理后晶粒大小为350μm左右;而方案3处理后,晶粒大小为170μm左右。二者对比,经过方案3处理后合金化高锰钢组织明显更为细小。因此,确定方案3为较佳热处理工艺。对比方案2与方案3,方案3比方案2多进行了一步550℃保温1.5h的处理。研究中对550℃保温1.5h后的显微组织进行了观察,经此工艺后直接淬火的金相组织如图4所示。图4中黑色块状物为析出长大的碳化物,浅色部分为层片状珠光体。从图4所示金相组织可知,合金化高锰钢在550℃时碳化物析出长大,同时奥氏体转变为珠光体相。因此在方案3的整个热处理过程中,合金化高锰钢组织中的碳化物析出、溶解的同时,基体组织也发生变化。550℃发生共析分解,形成珠光体。继续进行其他热处理工艺,加热温度超过了共析转变温度后,珠光体将发生奥氏体重结晶。重新结晶可在多个相界上形核,形成多个奥氏体晶粒,导致一定程度的奥氏体组织细化。

3热处理工艺对硬度的影响

硬度代表了材料表面抵抗变形或破坏的能力,可以在一定程度上体现热处理工艺方面的差异。在不改变材料基体组织的条件下,提高材料硬度方法主要有两种,分别是细化晶粒组织和加入第二相质点[5-6]。铸态和不同固溶处理后的合金化高锰钢布氏硬度测试结果如表2所示。从表2数据可知,方案1处理后合金化高锰钢布氏硬度高于方案2处理。这是因为方案1处理后,合金化高锰钢组织中的碳化物并未完全溶解,呈弥散的细小分布状态,形成了第二相质点强化。热处理中奥氏体晶粒也发生长大,所以铸态合金化高锰钢硬度高于方案1处理。经过方案2热处理后,碳化物已完全溶于奥氏体,无第二相强化作用,所以方案2处理后硬度降低。方案3热处理后,虽然碳化物完全溶解,无第二相强化作用,但奥氏体晶粒明显细化,细化晶粒组织强化作用强于第二相强化,使方案3处理后硬度高于方案1处理后硬度。

4结论

(1)合金化高锰钢铸态组织中弥散分布着大量块状和针片状碳化物,存在于晶界上与晶界内。对合金化高锰钢加热到550℃保温1.5h后淬火处理,合金化高锰钢基体组织中部分奥氏体分解为珠光体;后续加温处理后,珠光体成为奥氏体形核界面,在一定程度上细化了奥氏体组织。(2)对比不同热处理后的组织与硬度,确定合金化高锰钢的最佳热处理工艺为:按照100℃/h的加热速度加热到550℃保温1.5h,再650℃保温2h,最后1080℃保温2h,淬火,可使晶粒发生细化,晶粒大小达到170μm。(3)经热处理后的合金化高锰钢,硬度低于铸态。合金化高锰钢经过最佳热处理后硬度为220HBS。

参考文献:

[1]李茂林.我国金属耐磨材料的发展和应用[J].铸造,2002,51(9):525-529.

[2]沈孝芹,李欢欢,于复生,等.工程机械用高强钢及其焊接研究现状[J].热加工工艺,2017,46(1):18-22.

[3]张懿,唐建新.硅含量和热处理工艺对低合金耐磨钢力学性能的影响[J].材料热处理技术,2011,40(12):160-162.

[4]王珊,刘敬平,张冬梅.低合金耐磨钢ZG34Mn2SiV的研制[J].金属热处理,2016,41(2):32-34.

[5]宋量.钢铁耐磨铸件的生产和标准[J].铸造技术,2010,31(6):776-778.

[6]徐立华,殷铭.贝氏体机械用钢的回火工艺研究[J].热加工工艺,2016,45(2):183-185.

作者:庞晓琛 单位:江阴职业技术学院

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