提高高錳鋼綜合力學(xué)性能的熱處理工藝

研磨設(shè)備中的高錳鋼襯板是主要的易損部件。當(dāng)沖擊載荷較小時(shí)，高錳鋼的加工硬化不足，使高錳鋼襯板的使用壽命降低。北方重工集團(tuán)熱處理分公司研發(fā)了一種低溫時(shí)效工藝，明顯提高了高錳鋼襯板的耐磨性和抗沖擊強(qiáng)度。他們選用ZGMn13MoCrTiRE作為試驗(yàn)材料，采用了以下熱處理工藝：

1、水韌處理：180℃/3小時(shí)，水冷。

2、時(shí)效處理：150℃~450℃/2小時(shí)，空冷。

水韌處理后，組織觀察表明，晶界處的碳化物完全回溶到基體中，形成過(guò)飽和固溶體，而基體組織為完全奧氏體。時(shí)效處理后，晶內(nèi)逐漸有碳化物析出。隨著時(shí)效溫度的升高，晶粒尺寸略有長(zhǎng)大，但是晶粒大小逐漸均勻。由于時(shí)效溫度較低，晶粒長(zhǎng)大的程度并不高;由于Mo元素的存在，促進(jìn)了第二相M7C3的析出，在150℃時(shí)效時(shí)，在原有的奧氏體基體的晶粒中析出了M7C3型的第二相，但第二相的數(shù)量比較少，其晶粒度基本沒(méi)有變化；250℃時(shí)效時(shí)，第二相的數(shù)量明顯增多，晶粒略有長(zhǎng)大；當(dāng)時(shí)效溫度提高到350℃時(shí)，材料中的第二相細(xì)小而彌散的分布在晶粒內(nèi)，此時(shí)的晶粒尺寸與250℃時(shí)效的晶粒尺寸相比沒(méi)有太大的變化，但是晶粒大小比較均勻。時(shí)效溫度繼續(xù)提高到450℃時(shí)，晶粒明顯長(zhǎng)大，并在晶界處出現(xiàn)針狀的碳化物。

與組織變化相對(duì)應(yīng)，在時(shí)效溫度為350℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度從固溶態(tài)時(shí)的944.3MPa提高到1004.1MPa；屈服強(qiáng)度從固溶態(tài)時(shí)的592.8MPa提高到647.3MPa。同時(shí)，基體硬度有所增加；在受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，加工硬化效果明顯，使得材料表面的硬度急劇升高。與此相關(guān)，磨損試驗(yàn)表明，材料的磨損性能在熱處理后明顯提高，并在時(shí)效溫度達(dá)到350℃時(shí)，磨損性能達(dá)到最佳，比時(shí)效前提高了45.5%。如把時(shí)效溫度繼續(xù)提高到450℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都由增變降，分別變?yōu)?83.2MPa和636.9MPa。

值得注意的是，該鋼材的沖擊韌性在熱處理后有明顯提高。在時(shí)效溫度達(dá)到350℃時(shí)，其沖擊韌性與抗拉強(qiáng)度同步達(dá)到最大值，為170.5J/cm2。這是因?yàn)?，一方面由于第二相的析出阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，并維持高錳鋼的組織細(xì)化，對(duì)高錳鋼起到了明顯的沉淀強(qiáng)化效果；同時(shí)，由于沉淀相為球狀，并呈細(xì)小彌散的分布狀態(tài)，故既保證強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化效果，又能提高材料的沖擊韌性。當(dāng)時(shí)效溫度升高到450℃時(shí)，高錳鋼中的第二相轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧?，并且有一部分在晶界上析出，此時(shí)當(dāng)材料受到?jīng)_擊載荷時(shí)，在第二相的尖角處引起應(yīng)力集中，裂紋容易在此處萌生，并沿尖角處擴(kuò)展，故導(dǎo)致沖擊韌性值的降低。

上述組織與性能的變化，與材料成分設(shè)計(jì)上的微合金化作用以及稀土元素的變質(zhì)處理作用有關(guān)，使得晶粒內(nèi)部更容易析出碳化物沉淀相，同時(shí)晶粒較為細(xì)小。

綜上所述，對(duì)高錳鋼采取水韌處理+適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理可以明顯提高材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、耐磨性和沖擊韌性。對(duì)于ZGMn13MoCrTiRE鋼種，時(shí)效溫度為350℃時(shí)，可獲得較好的綜合力學(xué)性能。