張福全 ，邵飛杰， 周惦武

(1．湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

高錳鋼在沖擊作用下，其工件表面能迅速產(chǎn)生加工硬化效果，使其具有良好的抗磨能力，廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、冶金、建材等行業(yè)中.關(guān)于高錳鋼加工硬化的原因一直沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，存在各種不同的觀點(diǎn)，如早期的形變誘發(fā)馬氏體相變硬化說(shuō)、位錯(cuò)硬化說(shuō)等[1-2]，后來(lái)還有動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效硬化說(shuō)[3]，孿晶+Mn-C原子對(duì)造成的強(qiáng)烈不對(duì)稱畸變[4]等多種復(fù)合硬化說(shuō).但并不是所有需要耐磨的場(chǎng)合下都可以選用高錳鋼，如在實(shí)際工況條件下，當(dāng)沖擊載荷不夠高時(shí)，不能在工件表面形成充分的加工硬化效果，從而影響高錳鋼工件的耐磨性能及其使用壽命.為了進(jìn)一步提高高錳鋼的耐磨性，人們?cè)诤辖鸹幚韀5]、熱處理工藝[6]、表面預(yù)硬化處理[7]等方面進(jìn)行了大量研究.本文通過(guò)沖擊磨損試驗(yàn)[8-10]研究實(shí)際工況條件下高錳鋼的加工硬化能力及其磨損機(jī)制，為充分發(fā)揮高錳鋼的加工硬化能力，從而提高材料的耐磨性，并根據(jù)實(shí)際工況條件合理選用高錳鋼提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 工況分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，高錳鋼的應(yīng)用范圍很廣，實(shí)際工況多種多樣，所受到的沖擊功也很難確定，選取高錳鋼應(yīng)用較廣的錘式破碎機(jī)為例，大致推測(cè)在實(shí)際工況條件下，高錳鋼的沖擊功大小，以確定本實(shí)驗(yàn)選取的沖擊功范圍的大小.計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 3種型號(hào)的錘式破碎機(jī)中錘頭受到的沖擊功

從表1可知錘式破碎機(jī)在破碎過(guò)程中所受到的沖擊功大小.因此，本實(shí)驗(yàn)選用0.5 J/mm2，1 J/mm2，2 J/mm2和3 J/mm2的沖擊功，研究沖擊功對(duì)加工硬化能力及其耐磨性的影響.

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用高錳鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為C 1.21，Mn 12.8，Si 0.4，Cr 1.92，S，P≤0.02，F(xiàn)e余量.設(shè)計(jì)了兩套熱處理工藝方案，選取其中的最優(yōu)方案.方案1：將工件加熱到650 ℃保溫2 h，再加熱到1 080 ℃保溫2 h，然后淬火處理.方案2：將工件加熱到550 ℃保溫1.5 h，加熱到650 ℃保溫2 h，再加熱到1 080 ℃保溫2 h，然后淬火處理.

在MLD-10型動(dòng)載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊磨料磨損試驗(yàn).待測(cè)試樣用線切割的方法加工至10 mm×10 mm×30 mm，磨料是粒度為17目的石英砂.進(jìn)行磨損試驗(yàn)時(shí)，待測(cè)樣以200 次/min的頻率進(jìn)行沖擊磨損，選取的沖擊功有0.5 J/mm2，1 J/mm2，2 J/mm2和3 J/mm2，磨料以10 kg/h的流速流入上下試樣之間，試驗(yàn)時(shí)間為60 min.待測(cè)試樣在裝機(jī)前后均用酒精清洗并烘干，在精度為0.1 mg的光學(xué)天平FA2004B上對(duì)磨損前后的待測(cè)試樣的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量.

硬度測(cè)試在HBRV187.5型硬度計(jì)上進(jìn)行，測(cè)定5個(gè)點(diǎn)求平均值.試樣經(jīng)研磨、拋光后用4%硝酸酒精腐蝕，在MM6金相顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察.利用FEI Quanta-200型掃描電鏡對(duì)沖擊磨損表面形貌進(jìn)行觀察.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 熱處理對(duì)高錳鋼顯微組織的影響

圖1中A為奧氏體，B為碳化物，C為珠光體.圖1(a)是高錳鋼經(jīng)過(guò)方案1熱處理實(shí)驗(yàn)后的單一奧氏體組織，其晶粒度大小為350 μm.圖1(b)是經(jīng)過(guò)方案2熱處理實(shí)驗(yàn)后的單一奧氏體組織，晶粒度大小為170 μm.圖1(c)是高錳鋼加熱到550 ℃保溫后直接淬火處理的組織．從圖中可以看出高錳鋼在550 ℃時(shí)碳化物析出長(zhǎng)大，同時(shí)奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)榱酥楣怏w相.高錳鋼在加熱過(guò)程中隨著碳化物析出、溶解的同時(shí)，金屬基體組織也在發(fā)生變化，在550 ℃發(fā)生共析分解，形成珠光體.當(dāng)溫度超過(guò)共析轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，珠光體晶團(tuán)發(fā)生奧氏體重結(jié)晶.高錳鋼和其他鋼種一樣，在相界面上奧氏體形核長(zhǎng)大，形成奧氏體組織.由于奧氏體重結(jié)晶可在多個(gè)相界面上形核，形成多個(gè)奧氏體晶粒.所以這個(gè)過(guò)程可使奧氏體在一定程度上得到細(xì)化[11].

3.2 磨損規(guī)律

從圖2中可以得知，隨著沖擊功的增大，高錳鋼沖擊磨損后的硬度逐漸增大.當(dāng)沖擊功達(dá)到2 J/mm2時(shí)高錳鋼的硬度與3 J/mm2時(shí)相差不大，由此可知當(dāng)沖擊功為2 J/mm2時(shí)，高錳鋼已經(jīng)達(dá)到了最佳的加工硬化效果.沖擊功2 J/mm2為高錳鋼的臨界沖擊功.

(a)經(jīng)過(guò)方案1熱處理后的組織

(b)經(jīng)過(guò)方案2熱處理后的組織

(c)550 ℃保溫1.5 h后的淬火組織

沖擊功/(J·mm-2)

由圖3可見(jiàn)，隨著沖擊功的增大，磨損率出現(xiàn)了先減小后增大的規(guī)律.當(dāng)沖擊功為0.5 J/mm2時(shí)，高錳鋼的磨損率最大.隨著沖擊功的增加，當(dāng)沖擊功為2 J/mm2時(shí)，高錳鋼的磨損率最小.當(dāng)沖擊功超過(guò)2 J/mm2后，磨損率隨著沖擊功的增大而增大.由此可知，當(dāng)沖擊功在0.5～2 J/mm2范圍內(nèi)，隨著沖擊功的增大高錳鋼的加工硬化效果愈加明顯.當(dāng)沖擊功達(dá)到2 J/mm2時(shí)，高錳鋼的加工硬化效果達(dá)到最佳效果，不會(huì)因?yàn)闆_擊功的增大而進(jìn)一步加工硬化.當(dāng)沖擊功為2 J/mm2和3 J/mm2時(shí)，高錳鋼的加工硬化程度相同，都是充分發(fā)揮了高錳鋼的加工硬化能力.在加工硬化效果相同的情況下，由于3 J/mm2的沖擊功較大，所以磨損率較高.但是比較1 J/mm2與3 J/mm2的磨損率，沖擊功為3 J/mm2的磨損率較小.由此可見(jiàn)，高錳鋼的加工硬化能力是影響其耐磨性的重要因素.高錳鋼在其臨界沖擊功之上使用才能發(fā)揮其耐磨能力.因此，高錳鋼在沖擊功2 J/mm2以上時(shí)使用才能充分發(fā)揮高錳鋼的加工硬化效果.

沖擊功/(J·mm-2)

3.3 磨損表面形貌分析

切削磨損是在切應(yīng)力作用下，磨粒從表面切過(guò)，材料表面產(chǎn)生一定深度的犁溝.鑿削磨損是當(dāng)磨料以較高速度沖擊材料表面時(shí)，材料表面受到較大的沖擊功，材料亞表面形成裂紋，并在45°方向擴(kuò)展，形成錐形沖擊坑.圖4中A為犁溝狀變形痕跡，B為鑿削坑.由圖4可知，在0.5 J/mm2的沖擊功下，磨料切入基體后，材料被擠出許多犁溝狀痕跡(圖4(a))．犁溝變形屬于塑性變形，磨損表面只表現(xiàn)出塑性變形的痕跡，可見(jiàn)在此沖擊功下高錳鋼的磨料磨損機(jī)理為切削磨損機(jī)理．1 J/mm2的沖擊功下，高錳鋼試樣磨損面上出現(xiàn)較多的犁溝(圖4(b))，這種犁溝作用的重復(fù)進(jìn)行促使被擠出部分發(fā)生多次擠壓變形，產(chǎn)生了明顯的加工硬化效果，磨料磨損機(jī)理同樣是切削磨損機(jī)理．在2 J/mm2的沖擊功下，高錳鋼表面具有一定量的犁溝的同時(shí)出現(xiàn)了一些較淺的凹坑(圖4(c))，高錳鋼的磨料磨損機(jī)理為切削磨損機(jī)理和鑿削磨損機(jī)理兩者的共同作用．在3 J/mm2的沖擊功下，高錳鋼表面出現(xiàn)了大量的沖擊坑以及少量的具有較大深度的犁溝(圖4(d))，高錳鋼的磨粒磨損機(jī)理以鑿削磨損機(jī)理為主，同時(shí)伴有切削磨損機(jī)理.

當(dāng)沖擊功較小時(shí)，加工硬化效果不明顯，材料主要發(fā)生塑性變形，表現(xiàn)出來(lái)的是切削磨損和塑變磨損；隨著沖擊功的提高，磨料切入基體后可能在同一道犁溝發(fā)生多次擠壓變形，從而提高加工硬化效果.根據(jù)力學(xué)理論可知，加工硬化區(qū)抗拉強(qiáng)度極限非常低，約為抗壓強(qiáng)度的1/4～1/5，所以盡管在表面接觸圓邊緣處的最大拉應(yīng)力為0.133q0(q0為接觸表面的法向最大壓應(yīng)力)，當(dāng)沖擊功較大時(shí)，所產(chǎn)生的沖擊力P相當(dāng)大，這時(shí)可能所產(chǎn)生的拉應(yīng)力仍將大于材料的抗拉強(qiáng)度極限而導(dǎo)致圓域邊界產(chǎn)生垂直于表面的裂紋，促使鑿削坑形成，表現(xiàn)出切削磨損和鑿削磨損，隨著沖擊功的逐步增大鑿削磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕哪p機(jī)制；只有當(dāng)沖擊功達(dá)到臨界沖擊功時(shí)，高錳鋼的加工硬化效果最佳且受到的相對(duì)沖擊功最小.材料表面既產(chǎn)生了較好的加工硬化效果，沖擊力又不足以在材料表面鑿削下大顆粒金屬，因此，所發(fā)生的磨損很小.

(a)0.5 J/mm2

(b)1 J/mm2

(c)2 J/mm2

(d)3 J/mm2

3.4 磨損后顯微組織分析

由圖5(a)到圖5(d)可以看出，試樣經(jīng)過(guò)沖擊磨損試驗(yàn)之后，在沖擊功的作用下，材料內(nèi)部出現(xiàn)了大量的滑移帶.滑移帶的密度和沖擊功的大小成正比.在0.5 J/cm2的沖擊功下，滑移帶密度較小，隨著沖擊功的增大，產(chǎn)生滑移帶的密度逐漸增大.當(dāng)沖擊功到達(dá)2 J/mm2及以上時(shí)，由于沖擊功較高，可開(kāi)動(dòng)的滑移帶數(shù)目增多，在很多晶粒內(nèi)出現(xiàn)交滑移現(xiàn)象(圖5(c)和(d)).

在沖擊作用下，沖擊面局部受力較大，不但能導(dǎo)致多個(gè)滑移開(kāi)動(dòng)，而且能使變形帶很快產(chǎn)生，高密度變形帶相互交叉、阻滯或截割，能使奧氏體組織強(qiáng)烈細(xì)化，有可能形成微晶甚至納米晶[12]，從而產(chǎn)生加工硬化效果.

4 結(jié) 論

1)高錳鋼在550 ℃發(fā)生了珠光體轉(zhuǎn)變，這些珠光體能為奧氏體提供大量的形核界面，因此，采用方案2進(jìn)行熱處理能細(xì)化高錳鋼的晶粒組織.

2)在沖擊功為2 J/mm2時(shí)，高錳鋼的沖擊耐磨性最好，加工硬化能力最佳.沖擊功2 J/mm2為高錳鋼的臨界沖擊功.高錳鋼在大于2 J/mm2的沖擊功工況下使用，能充分發(fā)揮其加工硬化能力.

(a)0.5 J/mm2

(b)1 J/mm2

(c)2 J/mm2

(d)3 J/mm2

3)高錳鋼沖擊磨損過(guò)程中主要存在著兩種磨損機(jī)制：切削磨損機(jī)制和鑿削磨損機(jī)制.當(dāng)沖擊功為0.5～1.0 J/mm2時(shí)，磨損過(guò)程為切削磨損機(jī)制；在沖擊功為2 J/mm2時(shí)，磨損過(guò)程中出現(xiàn)了鑿削機(jī)制，但以切削磨損機(jī)制為主體.當(dāng)沖擊功大于2 J/mm2時(shí)，鑿削磨損機(jī)制為沖擊磨損過(guò)程中的主要作用機(jī)制.

4)在0.5 J/mm2時(shí)，滑移帶的密度較小，隨著相對(duì)沖擊功的提高，高錳鋼中滑移帶的密度顯著增大，在2 J/mm2時(shí)，甚至出現(xiàn)了交滑移現(xiàn)象.

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