肖平安，李晨坤，軒翠華，張 霞，宋建勇

(湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

水韌處理對TiC基高錳鋼結(jié)合金組織與性能的影響*

肖平安?，李晨坤，軒翠華，張 霞，宋建勇

(湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

研究了水韌處理對TiC基高錳鋼結(jié)合金力學(xué)性能的影響，并通過分析合金在處理前后顯微組織結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分的變化,闡述了其中的內(nèi)在關(guān)系.經(jīng)過1 050 ℃×6 h水韌處理后，真空燒結(jié)試樣的抗彎強度和沖擊韌性分別提高了154.6%和125.3%；低壓燒結(jié)試樣則分別提高了61.81%和45.38%；真空燒結(jié)+低壓燒結(jié)試樣也分別提高了65.59%和32.90%.研究結(jié)果表明，水韌處理能夠顯著提高燒結(jié)態(tài)TiC基高錳鋼結(jié)合金的抗彎強度和沖擊韌性.

鋼結(jié)硬質(zhì)合金；水韌處理；力學(xué)性能；顯微組織

TiC基高錳鋼結(jié)合金是以TiC為硬質(zhì)相，高錳鋼為粘結(jié)相的一種優(yōu)質(zhì)抗沖擊耐磨材料，已在水泥、采礦、冶金、建筑、機(jī)械制造和鍋爐制造等行業(yè)有越來越廣泛的應(yīng)用[1].據(jù)估算，我國在水泥行業(yè)破碎用鑲鑄錘頭所需要的TiC基高錳鋼結(jié)合金鑲塊的產(chǎn)量已近1 000 t.因此，積極開展相應(yīng)的基礎(chǔ)研究，進(jìn)一步提高合金的強韌度具有重要意義.

TiC基高錳鋼結(jié)合金中基體高錳鋼的性能很大程度上決定了合金的韌性和耐沖擊性能，而提高普通鑄造高錳鋼性能的標(biāo)準(zhǔn)工藝方法是進(jìn)行水韌處理[2].即首先將高錳鋼加熱至奧氏體區(qū)溫度并保溫一段時間，使鑄態(tài)組織中的碳化物基本上都固溶到奧氏體中，然后淬入水中快速冷卻，從而得到單一的過冷奧氏體組織[3-4].這種高錳奧氏體在強沖擊磨料磨損的條件下能夠有效地自主強硬化，表現(xiàn)出很好的耐磨性能[5-9].然而對TiC基高錳鋼結(jié)合金進(jìn)行水韌處理的研究工作尚未見報道，因此，作者決定對TiC基高錳鋼結(jié)合金開展水韌處理基礎(chǔ)研究，探索水韌處理對此類硬質(zhì)合金組織和性能的影響.

1 實驗方案和方法

實驗用高錳鋼結(jié)合TiC基合金耐磨塊由國內(nèi)某廠生產(chǎn)，牌號為TM52，主要基本成分見表1.耐磨塊的尺寸為：55 mm×47 mm×60 mm，在高度方向上帶有3°的錐度.耐磨塊分別采用4種工藝方法生產(chǎn)：1) 常規(guī)壓制+真空燒結(jié)(標(biāo)記為A類)；2) 常規(guī)壓制+低壓燒結(jié)[10](標(biāo)記為B類)；3) 常規(guī)壓制+真空燒結(jié)+低壓燒結(jié)(標(biāo)記為C類)；4) 常規(guī)壓制+真空燒結(jié)+熱等靜壓[11](標(biāo)記為D類).

TiC基高錳鋼結(jié)合金耐磨塊的加熱在SXX-4-13型電阻爐中進(jìn)行，水韌處理溫度選為1 050 ℃；耐磨塊在1 050 ℃保溫6 h后進(jìn)行水淬處理，冷水溫度在30 ℃以下.具體的水韌處理工藝如圖1所示.

表1 TiC基高錳鋼結(jié)合金的主要成分Tab．1 The main composition of high manganese steel bonded titanium carbide %

t/min

對水韌處理前后的耐磨塊分別進(jìn)行抗彎強度和沖擊韌性測試.抗彎強度和沖擊韌性檢測標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸均為5 mm×5 mm×50 mm，首先通過線切割+表面磨削進(jìn)行加工，然后分別在WDW-100型電子萬能力學(xué)試驗機(jī)和JB-5型沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行測量，每個實驗數(shù)據(jù)都是3次測試結(jié)果的平均值.采用HBRVU-187.5型布洛維光學(xué)硬度計進(jìn)行硬度測量，每個實驗數(shù)據(jù)都是5次測試結(jié)果的平均值.

采用401MVA型顯微維氏硬度計測量鋼結(jié)合金的顯微硬度，每個實驗數(shù)據(jù)都是3次測試結(jié)果的平均值；采用JXA-8230型電子探針顯微分析儀分析合金中具體元素的分布情況，采用FEI QUANTA 200型環(huán)境掃描電鏡(SEM)對水韌處理前后的鋼結(jié)合金顯微組織觀察分析，并利用該電鏡自帶能譜分析儀對燒結(jié)樣品的成分及元素分布變化開展分析；用D8-advance型X射線衍射儀(XRD，Cu靶，λ=0.154 1 nm)分析水韌處理前后基體高錳鋼的物相變化.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 水韌處理對TiC基高錳鋼結(jié)合金力學(xué)性能的影響

表2和表3分別為采用不同制備工藝燒結(jié)的耐磨塊在水韌處理前后的抗彎強度和沖擊韌性檢測結(jié)果.由表2可知，在水韌處理之前B類耐磨塊的抗彎強度最高，而C類和D類耐磨塊的抗彎強度與之相近，都在2 000 MPa以上.但是A類耐磨塊的抗彎強度明顯低于其他方法制備的耐磨塊，也低于TM52的標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)[12].直接通過低壓燒結(jié)制備耐磨塊，由于在5 MPa的氬氣壓力下燒結(jié)，能夠充分致密化，而且燒結(jié)時間相對比較短，因此強度最高.A類耐磨塊強度低于標(biāo)準(zhǔn)說明生產(chǎn)的耐磨塊可能存在殘留孔隙偏高、集中性大孔隙、環(huán)狀顯微結(jié)構(gòu)、相界面結(jié)合較弱和成分分布不均勻等缺陷.在C類和D類耐磨塊的生產(chǎn)中雖然采用了低壓燒結(jié)和熱等靜壓工藝，但是，由于顯微組織受到前期真空燒結(jié)的影響，強度指標(biāo)的改善程度受到限制.

表2 TiC基高錳鋼結(jié)合金的力學(xué)性能

Tab．2 The mechanical properties of high manganese steel bonded titanium carbide

合金生產(chǎn)方法抗彎強度水韌處理前/MPa水韌處理后/MPa變化率/%A13253373154.6B2325376261.8C2177360565.6D2095Fragilit-

表3 TiC基高錳鋼結(jié)合金的沖擊韌性

Tab．3 The impelling strength of high manganese steel bonded titanium carbide

合金生產(chǎn)方法沖擊韌性水韌處理前/(J·cm-2)水韌處理后/(J·cm-2)變化率/%A0.751.69125.3B1.31.8945.4C1.552.0632.9D0.77Fragilit-

經(jīng)過水韌處理之后，各類耐磨塊的抗彎強度均有很大程度的提高，相互之間的強度差距明顯縮小.其中A類耐磨塊的抗彎強度提高了154.6%，B類耐磨塊的抗彎強度提高了61.8%，C類耐磨塊的抗彎強度提高了65.6%.水韌處理對鋼結(jié)合金強度的提升產(chǎn)生了顯著的作用，應(yīng)該是高溫保溫改善了合金中的元素分布均勻性，并促進(jìn)了TiC硬質(zhì)相與高錳鋼基體的界面結(jié)合.此外，經(jīng)過綜合對比水韌處理強化的強度指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，對于TiC基鋼結(jié)合金影響其強度的主要因素是硬質(zhì)相與粘接相的界面結(jié)合強弱和合金元素分布的均勻性.TiC硬質(zhì)相與基體粘接相的潤濕性差，在真空條件下二者的潤濕角為10°～30°[12]，因此，界面結(jié)合比較差.水韌處理時耐磨塊在1 050 ℃保溫6 h，可以改善界面外的元素分布，促進(jìn)TiC顆粒與基體的界面相互溶解、擴(kuò)散，增強了TiC硬質(zhì)相與高錳鋼基體的界面結(jié)合，使得強度顯著提高.

由表3可知，雖然經(jīng)過水韌處理之后各類耐磨塊的沖擊韌性獲得了比較明顯的提高，但是總體的沖擊韌性指標(biāo)都比較低.沖擊韌性反映了材料在動載荷作用下內(nèi)部裂紋形成的難易和擴(kuò)展的快慢.它與材料的顯微組織結(jié)構(gòu)、硬質(zhì)相分布的均勻性、殘留孔隙數(shù)量與分布、界面結(jié)合強度和元素分布等因素都存在關(guān)聯(lián)[13].經(jīng)過水韌處理后界面結(jié)合強度和元素分布得到了改善，而低壓燒結(jié)和熱等靜壓能夠有效地減少和消除殘留孔隙.所以，常規(guī)真空燒結(jié)法生產(chǎn)的耐磨塊沖擊韌性低的原因應(yīng)歸結(jié)于顯微組織結(jié)構(gòu)和硬質(zhì)相分布均勻性不理想.因此，水韌處理是能夠顯著改善TiC基高錳鋼結(jié)合金力學(xué)性能的熱處理方法，特別是對采用普通真空燒結(jié)方法生產(chǎn)的這類鋼結(jié)合金的價值更高，可以大幅改善合金的抗彎強度和沖擊韌性.

2.2 水韌處理對TiC鋼結(jié)合金物相組成的影響

為了分析水韌處理使TiC基高錳鋼結(jié)合金強韌化的原因，作者分析了水韌處理前后鋼結(jié)合金物相組成的變化.圖2和圖3分別為采用真空燒結(jié)和低壓燒結(jié)生產(chǎn)的耐磨塊的XRD檢測圖譜.由圖可知，TiC基高錳鋼結(jié)合金主要由硬質(zhì)相TiC和粘結(jié)相奧氏體組成，基體中既沒有出現(xiàn)其他碳化物，也沒有生成鐵素體.通過對比水韌處理前后的XDR分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過水韌處理后，TiC的衍射峰基本上沒有發(fā)生變化，但是基體奧氏體的衍射峰產(chǎn)生了明顯的矮化和寬化現(xiàn)象.

2θ/(°)

水韌處理的機(jī)理是首先通過高溫固溶使得高錳鋼基體中的Mn，C，Ni和Mo合金元素盡量溶入高溫奧氏體中，然后借助水淬快冷將高溫奧氏體保留到常溫，防止冷卻過程中析出碳化物和鐵素體，從而得到過飽和固溶的亞穩(wěn)定奧氏體組織.過飽和固溶使得奧氏體的衍射峰發(fā)生了寬化和矮化.

2θ/(°)

由上述實驗結(jié)果和分析可以發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)態(tài)TiC基高錳鋼結(jié)合金的粘接相基體為奧氏體，而經(jīng)過水韌處理后能夠使基體的過飽和度增加，并且合金元素分布更加均勻.

2.3 水韌處理對TiC鋼結(jié)合金顯微硬度的影響

為了探究水韌處理改善TiC基高錳鋼結(jié)合金強度的原因，選擇真空燒結(jié)耐磨塊為對象，對其水韌處理前后的顯微硬度進(jìn)行了分析檢測，檢測結(jié)果見表4.由表中數(shù)據(jù)可以看出，在水韌處理之前，在TiC基鋼結(jié)合金的顯微組織中，按照TiC大顆粒→TiC中小顆粒聚集區(qū)→TiC顆粒邊緣的基體→高錳鋼基體的順序，顯微硬度依次降低；其中，基體的顯微硬度明顯低于硬質(zhì)相，而硬質(zhì)相邊緣的基體的硬度又明顯高于遠(yuǎn)離TiC顆粒的中心部位的基體．這說明在燒結(jié)過程中硬質(zhì)相與粘接相在界面周圍發(fā)生了比較強的相互作用，進(jìn)行了相互溶解擴(kuò)散，使得二者界面周圍的硬質(zhì)相和粘接相都發(fā)生了成分改變.水韌處理之后TiC大顆粒及其邊緣的顯微硬度基本不變，而TiC中小顆粒聚集區(qū)的顯微硬度提高幅度高達(dá)64%.此外，高錳鋼基體的顯微硬度提高了15%，說明在水韌處理的高溫加熱保溫過程中基體的成分均勻性獲得了改善.

由上述顯微硬度檢測結(jié)果和分析可以看出，水韌處理使得高錳鋼基體進(jìn)一步得到強化，這是TiC基高錳鋼合金在水韌處理后強度提高的重要原因之一.

表4 真空燒結(jié)TiC基高錳鋼結(jié)合金的顯微硬度值

Tab．4 The microhardness of high manganese steel bonded titanium carbide of vacuum sintering

檢測部位水韌處理前/HV0.05水韌處理后/HV0.05變化率/%鋼基體677780+15TiC小顆粒12111980+64TiC大顆粒16931656-2TiC顆粒周圍的基體10951171+7

2.4 水韌處理前后TiC基高錳鋼結(jié)合金的EDS分析

為從顯微結(jié)構(gòu)上探究水韌處理改善TiC基鋼結(jié)合金強度和沖擊韌性的原因，對其水韌處理前后真空燒結(jié)耐磨塊的微區(qū)成分變化進(jìn)行了EDS分析.選取的分析位置為：遠(yuǎn)離TiC顆粒的基體內(nèi)部、硬質(zhì)相-粘接相界面和TiC顆粒中心.EDS檢測位置和所獲得的結(jié)果見圖4、表5和圖5、表6.

由圖4中檢測位置的分析結(jié)果可知，在水韌處理前，雖然經(jīng)過了較長時間的高溫?zé)Y(jié)，但是TiC硬質(zhì)相的中心部位除Ti和C外沒有其他元素存在，說明基體元素在硬質(zhì)相中的擴(kuò)散十分緩慢.而在高錳鋼基體中心檢測出2.12%Ti，說明TiC在高錳鋼中的溶解和擴(kuò)散速度相對而言要快得多；不過，在相界面附近的基體中檢測出的Ti高達(dá)13.67%，是基體中心Ti含量的6.42倍.說明高錳鋼基體中存在明顯的Ti的濃度分布梯度，燒結(jié)過程不能使合金成分實現(xiàn)均勻分布.這不僅說明在燒結(jié)過程中硬質(zhì)相和粘接相在界面上發(fā)生了強烈的相互擴(kuò)散，印證了在顯微硬度檢測中得到的TiC顆粒在相界面上與高錳鋼基體發(fā)生相互作用的推論，而且也解釋了界面附近基體的顯微硬度比中心部位更高的原因.另外一個值得注意的現(xiàn)象是在基體中沒有檢測出Mo元素.按照文獻(xiàn)[1]報道，在TiC基鋼結(jié)合金中加入Mo的主要作用之一是在硬質(zhì)相表面形成“包覆相”Mo2C，從而起到在燒結(jié)過程中改善TiC與粘接相鋼基體的潤濕性的作用.Mo元素在真空燒結(jié)過程中發(fā)生了重新分布，偏聚在硬質(zhì)相表面，形成了包覆相.

a：基體中心；b：相界面處的基體；c： 硬質(zhì)相中心

表5 真空燒結(jié)耐磨塊的EDS分析結(jié)果Tab.5 The EDS analysis results of vacuum sintered wear-resisting block %

與水韌處理之前相比，圖5中TiC基高錳鋼結(jié)合金顯微組織檢測位置的EDS分析結(jié)果主要有兩個方面的變化.一方面在TiC顆粒的中心檢測到了Fe，Mn和Mo元素，說明水韌處理過程中的保溫進(jìn)一步促進(jìn)了TiC顆粒與基體的界面相互溶解、擴(kuò)散作用，并使得這種作用的影響范圍擴(kuò)展到整個硬質(zhì)相；另一方面，遠(yuǎn)離硬質(zhì)相的基體中心和臨近硬質(zhì)相邊緣的基體相比，除了后者的Ti含量比前者高約41%之外，其他元素的含量幾乎相同.說明經(jīng)過水韌處理中的長時間高溫保溫后基體成分獲得了比較充分的均勻化，這也解釋了水韌處理后基體的顯微硬度提高15%的原因.

從所獲得的水韌處理前后樣品的EDS結(jié)果和上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在TiC基高錳鋼結(jié)合金的燒結(jié)過程中硬質(zhì)相和基體在相界面處發(fā)生了強烈的相互作用，即溶解和互擴(kuò)散.相互作用的結(jié)果是，一方面TiC顆粒的邊緣能夠部分溶解到基體中，由于在燒結(jié)溫度下這種溶解比較強烈，所以在基體內(nèi)形成高的Ti元素濃度分布梯度，因而，可以使得其周圍的基體組織脆化，二者的相界面結(jié)合強度不理想，最終表現(xiàn)為燒結(jié)態(tài)TiC基高錳鋼結(jié)合金強度和韌性都不理想，在此過程中，Mo元素能夠完成偏聚，在硬質(zhì)相表面形成包覆相.另一方面基體合金元素也能夠在硬質(zhì)相中發(fā)生溶解和擴(kuò)散，但是影響范圍十分有限，因為燒結(jié)時間相對比較短，而且Fe，Mn等合金元素在TiC中的擴(kuò)散溶解比較困難.在水韌處理中高溫保溫不能起到進(jìn)一步強化硬質(zhì)相和基體界面相互溶解和擴(kuò)散的作用，但是使得合金中的元素分布得到了比較充分的均勻化，從而改善了相界面的結(jié)合和提高了基體高錳鋼的力學(xué)性能.所以，經(jīng)過水韌處理之后TiC基高錳鋼結(jié)合金的力學(xué)性能獲得了明顯提高.

a： 基體中心；b： 相界面處的基體；c： 硬質(zhì)相中心

表6 經(jīng)水韌處理之后真空燒結(jié)耐磨塊的EDS分析結(jié)果Tab.6 The EDS analysis results of vacuum sintered wear-resisting block after water toughening treatment %

3 結(jié) 論

1)對燒結(jié)TiC基高錳鋼結(jié)合金進(jìn)行水韌處理可以有效提高其抗彎強度和沖擊韌性，其中對真空燒結(jié)產(chǎn)品的效果最為顯著.

2)在TiC基高錳鋼結(jié)合金的燒結(jié)過程中硬質(zhì)相-基體界面發(fā)生了強烈的相互溶解和擴(kuò)散，使得基體中形成了高的Ti濃度分布梯度，不利于相界面的有效結(jié)合.

3)水韌處理提高TiC基高錳鋼結(jié)合金的力學(xué)性能不是通過進(jìn)一步強化硬質(zhì)相-基體的界面相互作用，而是因為改善它們中元素分布均勻性，達(dá)到了優(yōu)化相界面結(jié)合的作用.

4)對燒結(jié)態(tài)TiC基鋼結(jié)合金應(yīng)進(jìn)行類似于水韌處理的熱處理，可以進(jìn)一步改善力學(xué)性能，充分發(fā)揮其作為優(yōu)質(zhì)耐磨材料的潛能.

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Effect of Water Toughening Treatment on Microstructure and Properties of High Manganese Steel Bonded TiC

XIAO Ping-an?, LI Chen-kun, XUAN Cui-hua, ZHANG Xia, SONG Jian-yong

(College of Materials Science and Engineering, Hunan Univ, Changsha,Hunan 4110082,China)

The effect of water toughening treatment on mechanical properties of high manganese steel bonded TiC hard alloy was systemically investigated, and the microstructure and element distribution of the alloy before and after the treatment were also evaluated by SEM and EDS in order to understand the internal relationship of its properties. The bending strength and impact toughness of high manganese steel bonded TiC hard alloy by normal vacuum sintering were raised by 154.6% and 125.3%. They were 61.81%, 45.38% and 65.59%, 32.90% for low pressure sintering and vacuum sintering plus low pressure sintering specimen, respectively. The results revealed that water toughening treatment could effectively improve the alloy's bending strength and impact toughness.

steel bond hard alloy; water toughening treatment; mechanical property; microstructure

2015-04-17

國家自然科學(xué)基金資助項目(51574119,51074070)，National Natural Science Foundation of China(51574119,51074070) ；湖南省自然科學(xué)基金資助項目(13JJ3043)；新金屬材料國家重點實驗室開放基金資助項目(2012-Z06)

肖平安(1962-)，男，湖南長沙人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

?通訊聯(lián)系人，E-mail:changcluj@163.com

1674-2974(2015)12-0001-06

TG148

A