脈沖電流對(duì)高錳鋼凝固組織的影響

李麗紅，張發(fā)海

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇徐州221011）

脈沖電流對(duì)高錳鋼凝固組織的影響

李麗紅，張發(fā)海

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇徐州221011）

采用高頻脈沖電流發(fā)生裝置及高溫熔化設(shè)備對(duì)高熔點(diǎn)高錳鋼施以脈沖電流處理，并系統(tǒng)分析了脈沖電流密度、脈沖頻率及脈沖電流處理溫度對(duì)ZGMnl3-2鋼凝固組織的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在處理溫度為試樣凝固點(diǎn)數(shù)值左右時(shí)，凝固組織隨著脈沖電流密度的增加和脈沖頻率的增大而產(chǎn)生細(xì)化效果。

高錳鋼；脈沖電流；晶粒細(xì)化

高錳鋼由于其很好的耐磨效果，而被廣泛的應(yīng)用于耐磨零件的設(shè)計(jì)與制造中，比如挖掘機(jī)的鏟齒、破碎機(jī)的軋面壁和破碎壁等。但是，高錳鋼在低沖擊力下不能充分的被加工硬化，會(huì)導(dǎo)致耐磨性達(dá)不到理想的效果，因而在一定程度上制約了它的應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，滿足不了市場(chǎng)對(duì)其的高需求。故而，如果能夠有效的細(xì)化高錳鋼的晶粒組織，提高其綜合性能尤其是耐磨性對(duì)于生產(chǎn)制造業(yè)具有非常廣泛的實(shí)用性及重大意義[1]。

本研究采用ZGMnl3-2鋼為實(shí)驗(yàn)研究試樣，因其具有較寬的固相和液相溫度范圍（一般從1 250℃~1 400℃）所以能夠?qū)崿F(xiàn)在其液固兩相區(qū)內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的脈沖電流處理。通過研究不同的處理溫度、不同的電流密度、不同的電流頻率等條件下進(jìn)行大量的試驗(yàn)，將試樣凝固后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及組織觀察，找出利于晶粒細(xì)化的有效條件，使其成為一種有效可行的處理技術(shù)[2]。實(shí)驗(yàn)中將對(duì)ZGMnl3-2鋼凝固時(shí)施以高密度脈沖電流，在不同的脈沖電流及溫度下對(duì)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，以期獲得細(xì)小晶粒甚至超細(xì)晶奧氏體高錳鋼。

1實(shí)驗(yàn)條件及方法

本實(shí)驗(yàn)采用ZGMnl3-2鋼為研究對(duì)象，其具體成分為（wt．%）：C1.3，Mn12.8，Si0.6，S0.04，P0.09.實(shí)驗(yàn)設(shè)備由3臺(tái)MWF50-4電容器組成，每臺(tái)電容器儲(chǔ)能為9.6 kJ；充電電壓最高為50 kV，并可實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)；充電時(shí)間為5～15 s；脈沖電流的最大峰值為80 KA：脈沖電流半周期時(shí)間分別為10μs、20μs、50μs和100μs四檔。ZGMnl3-2鋼在普通鑄造時(shí)，其金相組織由奧氏體，以及沿奧氏體晶界析出的少量碳化物組成，且其奧氏體晶粒的長(zhǎng)軸與短軸的平均值約為230μm.

實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用了示差掃描量熱法測(cè)試了試樣的凝固溫度范圍，為1 382.2～1 298.7℃.試樣的熔點(diǎn)為1 391.6℃.這組數(shù)據(jù)有利于在試驗(yàn)過程中對(duì)脈沖電流對(duì)金屬試樣的處理溫度、電流密度、電流頻率等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究，確保發(fā)現(xiàn)有效的影響金屬凝固組織晶粒細(xì)化的條件。

2試樣制備

實(shí)驗(yàn)所用的試樣采用如下條件制備：

在氬氣保護(hù)下，將放有該合金的1 400℃剛玉坩堝置于爐內(nèi)，升溫至1 550℃，隨即保溫30min.然后在降溫過程中，溫度達(dá)到1 382℃時(shí)，將試樣借助電極通入脈沖電流進(jìn)行放電處理。在溫度降到1 290℃，停止對(duì)試樣的電流處理。最后，采用水冷的方式將坩堝連同試樣快速冷卻，得到試樣，尺寸為Φ10×50 mm[2]。

3脈沖電流密度對(duì)ZGMnl3-2鋼凝固組織的影響

在大量的實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的凝固組織進(jìn)行同等頻率下的不同電流密度進(jìn)行處理時(shí)，得出來(lái)的晶粒也不同。分別對(duì)四組試件進(jìn)行TEM顯微分析，沒有經(jīng)過電流處理時(shí)的試樣，晶粒粗大，方向無(wú)序。所采用的實(shí)驗(yàn)脈沖電流密度越大，則試樣的金屬凝固組織晶粒越細(xì)小，排布越整齊有序。

再通過對(duì)晶粒尺寸與脈沖電流的密度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究，得出在頻率不變的情況下，奧氏體晶粒棒狀尺寸的長(zhǎng)軸和短軸的平均值是隨著電流密度的增大而減小的。

所以，高密度脈沖電流對(duì)金屬凝固組織的細(xì)化效果起有益作用。

4脈沖電流頻率對(duì)ZGMnl3-2鋼凝固組織的影響

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究證明：脈沖頻率的大小關(guān)乎材料的晶粒細(xì)化效果，分別對(duì)四組試件進(jìn)行TEM顯微分析，在保證電流同等的情況之下，當(dāng)脈沖頻率很小時(shí)，對(duì)該組織的晶粒細(xì)化產(chǎn)生的現(xiàn)象并不明顯，隨著電流脈沖頻率的增大，被試驗(yàn)的材料其晶粒細(xì)化的現(xiàn)象就越來(lái)越明顯。所以，由此得出結(jié)論：要想獲得理想的細(xì)小晶粒組織，則脈沖電流頻率需采用高頻率，此為必要條件。

5開始放電溫度對(duì)ZGMnl3-2鋼凝固組織的影響

隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的大量增加，發(fā)現(xiàn)脈沖電流一開始的施加溫度非常重要，若溫度過高則會(huì)使得液體飛濺，甚至爆炸。這一點(diǎn)在圖1（a）上有明顯顯示：在初始放電溫度為1 400℃時(shí)，金屬的凝固組織照片顯示出大量的孔洞。盡管晶粒比較細(xì)小，但這些大量孔洞的存在依然影響材質(zhì)的性能。而形成這些孔洞的罪魁禍?zhǔn)讋t是溫度，正是溫度的不合理使得金屬在凝固時(shí)產(chǎn)生了液體飛濺甚至是極小區(qū)域的爆炸。而這一現(xiàn)象則隨著溫度的提高而更加明顯，不利于等到更為理想的凝固組織[3]。

而圖1（c）和（d）則顯示：脈沖電流初始施加的溫度過低，會(huì)造成出現(xiàn)不均勻凝固的組織結(jié)構(gòu)。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)表明，在開始放電溫度為1 382℃的脈沖電流處理下，ZGMnl3-2的凝固組織能夠得到圖1所示的效果，此時(shí)的金屬晶粒細(xì)小而均勻，性能最佳，最為理想。所以，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究得出如下結(jié)論：在對(duì)金屬凝固組織進(jìn)行脈沖電流處理時(shí)，要將施加溫度考慮進(jìn)去，盡量控制其溫度接近金屬的凝固點(diǎn)最為適宜。

圖1 ZGMnl3-2鋼在不同開始脈沖放電處理溫度時(shí)的凝固組織

6結(jié)束語(yǔ)

要想使高錳鋼的晶粒細(xì)化、凝固組織得到改善并將力學(xué)性能提高，可以采用在金屬凝固過程中運(yùn)用脈沖電流進(jìn)行控制，這不失為一種新型的凝固控制技術(shù)。在將來(lái)的大量研究中，這種技術(shù)一定能得到深入而廣泛的研究與應(yīng)用，前景遠(yuǎn)大。

[1]范金輝，華勤，侯旭，等．脈沖電流對(duì)奧式體不銹鋼凝固組織的影響[J]．鋼鐵，2003，38（5）：44-46.

[2]張明，任向飛，李建輝，等．脈沖電流對(duì)鐵基合金凝固組織的影響[J]．鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2006，18（2）：50-54.

[3]肖蘊(yùn)華，楊菲，原正興，等．脈沖電流處理對(duì)ZAl2合金凝固組織和力學(xué)性能的影響[J]．熱加工工藝，2002（6）：32-33.

Effectof Pulse Currenton Solidification Microstructure of High Manganese Steel

LILi-hong，ZHANG Fa-hai
（Jiangsu Safety Technology，Career Academy，Xuzhou Jiangsu 221011，China）

This study uses high frequency pulse current generator and high temperature melting equipment with pulse current of high melting point and high manganese steel，and analyzed the effect of pulse current density，pulse frequency and pulse current treatment temperature on the microstructure of ZGMnl3-2 steel.The results found that the processing temperature is about numerical solidification，solidification structure increases with the increase of the current density，pulse and pulse frequency and generate the refinementeffect.

highmanganese steel；pulse current；grain refinement

TH 142.2

A

1672-545X（2016）12-0219-02

2016-09-23

李麗紅（1982-），女，河北唐山人，本科，講師，研究方向：數(shù)控機(jī)床及自動(dòng)化裝備等。