刘恒亮，郑 鑫，张福成，陈 晨

(1.中国铁建重工集团股份有限公司 道岔分公司，湖南 株洲 412005；2.燕山大学 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北 秦皇岛 066004；3.燕山大学 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛 066004)

0 引言

磨料磨损是冶金、矿山、采煤、发电、农机等行业耗费钢材最多的一种失效类型。据统计，每年因为磨料磨损而耗费的钢材高达百万吨，造成的直接和间接经济损失达几十亿元，也是各种磨损形式中造成经济损失最大的[1-2]。为了减少磨料磨损带来的经济损失，各类耐磨材料，如高锰钢、马氏体钢、贝氏体钢、金属基复合材料等，被应用到不同的工况条件下以最大程度上发挥各自的耐磨性优势[1-5]。高锰钢(Fe-13Mn-1.2C)作为最传统的耐磨材料，因其具有高的加工硬化能力和高韧性，目前在重载磨损条件下依然使用最多[6-7]。

伴随着现代工业的发展，高锰钢耐磨材料的服役环境不断朝着高载荷、高冲击、高温升、大应变方向发展[8]。而为了适应这种严苛的服役条件，材料科学工作者开发了多种高锰钢处理方法以提高高锰钢的耐磨性。陈晨等人[9]利用N+Cr复合合金化的手段，在降低高锰钢层错能的同时，提高了高锰钢的初始强度。在高磨损载荷作用下，N+Cr合金化高锰钢较传统高锰钢获得了更高的孪晶密度，因而获得了优异的耐磨性。在宋怀江和张国赏[10]的研究工作中，通过离心铸造的方法获得了一种碳化钨增强高锰钢，当碳化钨以细小弥散的状态存在于高锰钢中时，高锰钢的冲击磨料磨损性能明显增强。赵欣等人[11]则是利用热轧状态的高锰钢替代铸造高锰钢，通过改善高锰钢的初始组织状态来获得较为理想的冲击磨料磨损性能。由此可见，通过一定的工艺手段改善高锰钢的基体属性可以达到提高高锰钢耐磨性的目的。

高载荷、大通量服役条件下，高锰钢耐磨材料常常面临初始磨耗大的问题。因此，各种高锰钢预硬化处理方法，如冷轧变形[12]、高速重击[13]、爆炸硬化[14]等被应用到高锰钢中，以提高其初始强度。其中，冷轧变形和高速重击变形是通过较大程度的塑性变形在高锰钢中产生高密度的位错和孪晶导致硬化[12-13]，而爆炸硬化则是通过爆炸产生的强烈冲击波作用到高锰钢，在宏观塑性变形程度很小的情况下，随冲击波传播在波前位置不断产生位错和孪晶而引起硬化[14]。但是，不同的预硬化程度对于高锰钢的冲击磨料磨损性能的影响却鲜有系统性的研究。本文选用爆炸硬化方式对传统高锰钢进行预硬化处理，通过改变爆炸次数在高锰钢中获得不同的硬化状态，测试高锰钢在不同冲击载荷作用下的磨料磨损性能。结合磨损失重、磨损表面形貌、表面硬度以及微观组织变化分析爆炸预硬化处理对高锰钢冲击磨料磨损性能的影响。

1 试验材料与方法

本文选用传统铸造高锰钢作为研究对象，其化学成分(质量分数)为C 1.12%，Mn 11.9%，Si 0.35%，P 0.030%，S 0.008%，余量为Fe。铸造高锰钢的尺寸为150 mm(长)×50 mm(宽)×40 mm(高)，之后利用常规厢式电阻炉对铸造高锰钢进行热处理。高锰钢试块随炉升温至1 050 ℃，保温1 h后水冷以获得均匀的单相奥氏体组织。利用塑性片状炸药对高锰钢试块的长×宽面进行爆炸硬化处理，其主要化学成分为黑索金RDX，粘结剂为环氧树脂，乙二胺为固化剂及邻苯二甲酸二丁酯为增塑剂，爆速为7 200 m/s，炸药厚度为～3 mm。爆炸硬化工艺为爆炸0次、1次、2次和3次，爆炸硬化过程示意图见图1(a)所示。在爆炸硬化处理后的高锰钢试块上切取冲击磨料磨损用试样，试样的冲击面接近高锰钢试块的爆炸硬化表面，试样尺寸示意图见图1(b)所示。冲击磨料磨损试验在MLD-10型动载磨料磨损试验机上进行，其中上试样为高锰钢，下试样为45号钢，经淬火处理后，下试样硬度不低于54HRC。冲锤质量选取10 kg，冲锤抬高高度分别为20 mm和40 mm，分别对应于2 J和4 J的冲击功。试验过程中，上试样的冲击频次为200次/min，下试样的转速为200 r/min。磨料采用粒径在1～3 mm的石英砂，流量控制为350 mL/min。各个试验条件下测试5个样品，冲击时间均为2 h。

利用显微维氏硬度计测试不同硬化状态高锰钢在冲击磨料磨损试验前的截面硬度分布和试验后的表面硬度。高锰钢试样经冲击磨料磨损后的表面形貌通过SU-5000型扫描电子显微镜进行观察，观察前高锰钢试样需要利用超声波震荡清洗器进行充分清洗。利用Axiover 200MAT型光学显微镜对高锰钢冲击磨料磨损试验前的组织状态进行观察，试样经机械研磨和抛光处理后利用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀。高锰钢试样冲击表面的精细微观组织利用JEM-2010型透射电子显微镜进行观察，首先利用砂纸将试样磨至30 μm，然后利用精密离子减薄系统(Gatan)减薄制备薄区。

2 试验结果与讨论

2.1 初始组织状态

图2给出了不同状态高锰钢在冲击磨料磨损试验前位于冲击表面的金相组织照片。从图中可以看出，高锰钢经水韧处理后获得了较为均匀的奥氏体组织状态，其平均晶粒尺寸为179±20 μm，如图2(a)所示。经爆炸硬化处理后，高锰钢的奥氏体晶粒并没有发生明显的变形，但奥氏体晶粒内部出现了大量的变形带结构(图2(b)～2(d))，这是由于在爆炸硬化过程中，瞬间产生的冲击波诱发高锰钢晶粒内部产生了大量的位错和孪晶结构而导致的。随着爆炸硬化次数不断增加，奥氏体晶粒内部变形带的数量不断增多。

图3给出了不同状态高锰钢试样在冲击磨料磨损试验前的截面硬度分布情况。从图中可以看出，高锰钢经水韧处理后，其基体硬度约为225 HV。经过爆炸硬化处理后，高锰钢试样的硬度升高，并且随着爆炸硬化次数的增加，高锰钢的硬化程度越高。经1次爆炸硬化处理后，高锰钢冲击试样的表面硬度为321 HV，在深度为5 mm的范围内，硬度下降较快，当深度超过5 mm后，硬度降低逐渐趋于平缓。在距离冲击表面20 mm的位置，爆炸硬化1次试样的硬度接近基体硬度。爆炸硬化2次处理后，高锰钢冲击试样的表面硬度增大到409 HV，其硬度变化趋势与爆炸硬化1次试样相近，在距离冲击表面20 mm的深度处，硬度值为260 HV。当爆炸硬化次数增加到3次时，高锰钢冲击试样的表面硬度值进一步增大至432 HV，虽然表面硬度较爆炸硬化2次的试样升高不多，但其硬度降低趋势更为平缓，并且，在距离冲击表面20 mm的深度处，其硬度高达314 HV。在爆炸硬化过程中，爆炸产生的冲击波作用在高锰钢基体上，并诱发产生大量位错和孪晶，从而引起硬化效应[15-16]。因此，随着爆炸次数的增多，高锰钢的表面硬度不断升高，这与图2高锰钢中变形带数量随爆炸次数增加而增多的趋势是一致的。值得注意的是，3种爆炸硬化试样的硬度测试起点为冲击表面，即图1中的圆弧最低点，而非爆炸硬化表面，因此，截面硬度分布较直接爆炸硬化处理后的高锰钢更加缓和[15]。

2.2 冲击磨料磨损特性

磨损率是表征材料耐磨性能的重要指标，磨损率越小则表示耐磨性越优异。在冲击磨料磨损试样中，磨损率=磨损失重/上下试样接触时间。依据试验结果绘制了不同状态高锰钢在冲击功为2 J和4 J作用下的磨损率变化情况，如图4所示。对于同一状态下的高锰钢而言，冲击功为2 J条件下的磨损率要远小于冲击功为4 J下的磨损率。在不同的冲击功条件下，高锰钢试样的磨损率随爆炸硬化次数的变化也不尽相同。当冲击功为2 J时，水韧处理状态高锰钢试样的磨损率最大，随着爆炸硬化次数的增多，高锰钢试样的磨损率逐渐减少，即高锰钢的初始硬度越高，其耐磨性越好，这一结果与常规材料的耐磨性规律一致[9]。当冲击功进一步增大到4 J时，高锰钢试样整体的磨损率较冲击功2 J条件下大幅提高。在该冲击功条件下，爆炸硬化1次高锰钢试样的磨损率最小，获得了最佳的耐磨性能，而水韧处理状态高锰钢试样的磨损率最大，爆炸硬化2次和3次的高锰钢试样的磨损率基本相同。以上试验结果说明，在不同的冲击功条件下，高锰钢均存在一种较为理想的硬化状态可以获得最佳的耐磨性能。

对不同状态高锰钢试样在冲击磨料磨损试验过程中的表面硬度演变进行了测试，结果如图5所示。从图中可以看出，在冲击功为2 J条件下，高锰钢冲击试样表面的饱和硬度约为495 HV(图5(a))，而在冲击功4 J条件下，其饱和硬度约为535 HV(图5(b))。从高锰钢冲击试样表面的硬化速率来看，在相同的冲击时间里，水韧处理状态高锰钢的硬化速率最大。这是因为，水韧处理高锰钢在冲击试验前基体上仅存在少量自由位错[17]，在变形初期，其基体上会产生大量的位错和形变孪晶，而预硬化高锰钢在冲击试验前基体上已经存在了高密度的位错和形变孪晶结构，在一定程度上抑制了高锰钢的进一步硬化[17]。但是，由于水韧处理高锰钢试样的初始硬度较低，每个冲击功条件下，试样表面达到饱和硬度值所需的时间最长。

当冲击功为2 J时，高锰钢冲击试样表面的初始硬度越高，其达到饱和硬度值所需要的时间越短，水韧处理高锰钢为30 min，而爆炸硬化3次高锰钢为10 min。在这种硬度级别和硬化速率的条件下，高锰钢表现出的耐磨性能与爆炸硬化次数成正比，即爆炸硬化3次高锰钢试样的耐磨性能最佳，而水韧处理高锰钢试样的耐磨性能最差(图4)。当冲击功为4 J时，在冲击载荷作用15 min后，所有状态的冲击试样表面均达到了饱和硬度值。在高冲击功作用下，由于高锰钢试样表面受到的应力应变急速增大，其优异的加工硬化特性被充分表现出来[8-9]，因此，即使是水韧处理高锰钢试样表面也在短时间内达到了饱和硬度值(图5(b))。然而，从最终表现出的耐磨性能来看，爆炸硬化1次处理的高锰钢试样表现出了最佳的耐磨性能(图4)。在冲击磨料磨损试验后期，由于不同状态的高锰钢试样表面均达到饱和硬度值，其磨损性能不会出现明显的差异，因此，本研究重点对冲击磨料磨损试验10 min后的样品状态进行了对比观察，以解释爆炸硬化1次高锰钢试样获得最佳耐磨性能的原因。

对不同状态高锰钢在冲击功4 J条件下作用10 min后试样表面的精细组织进行观察，结果如图6所示。从图中可以看出，水韧处理高锰钢经冲击作用10 min后，其表面产生了高密度的位错结构和平行分布的形变孪晶结构(图6(a))，而经过爆炸预硬化处理后的高锰钢试样在冲击作用10 min后，其基体上除了高密度的位错外，还存在大量相互交叉的形变孪晶，并且，爆炸次数越多，交叉形变孪晶出现的频率越高(图6(b)～6(d))。在高锰钢的塑性变形过程中，滑移系统启动的应力/应变临界值要远小于孪生系统，因此在塑性变形初期，高锰钢的变形机理主要以位错滑移为主[18]。随着塑性应变的不断积累，局部应力不断增大并达到孪晶形成的临界应力后，处于最优取向的孪生系统开动，形成一次形变孪晶。当局部应力进一步增大时，处于次优取向的孪生系统也开始启动，产生2次孪晶甚至3次孪晶[19]。爆炸硬化处理会在高锰钢基体上引入大量的位错和形变孪晶[15-16]，因此，相比于水韧处理高锰钢，在相同的后续受力条件下，爆炸硬化高锰钢的应变/应力状态更容易满足激活2个或多个孪生系统的条件(图6(b)～6(d))。在这种组织状态下，4 J冲击功作用10 min后，冲击试样的表面硬度会随着爆炸硬化次数的增多而提高(图5(b))。

图7给出了冲击功为4 J时不同状态高锰钢试样冲击作用10 min后的表面形貌。对于水韧处理高锰钢而言，其磨料磨损试验后的表面主要表现为显微切痕、凿坑和剥落(图7(a))，较深的显微切痕和凿坑会引起较大的磨损失重并导致耐磨性较低[20]，因此水韧处理高锰钢试样在4 J冲击功条件下的磨损率最大，耐磨性最差(图4)。经过一次爆炸硬化处理后，高锰钢试样的初始表面硬度较水韧处理状态试样大幅提高，其磨损表面的切痕也变浅(图7(b))，耐磨性有所提高(图4)。当进一步增加爆炸硬化次数后，高锰钢试样的表面硬度提高，磨损表面的显微切痕显著减少，但是由硬化带来的脆化效应，使得爆炸硬化2次和3次的高锰钢试样的磨损表现主要以较大尺寸的疲劳剥落为主(图7(c)和7(d))，这种磨损形貌也会造成磨损性能的降低[20]。因此，在冲击功为4 J时，爆炸硬化1次高锰钢试样的耐磨性最佳，爆炸硬化2次和3次的高锰钢试样次之，水韧处理高锰钢试样最差(图4)。

4 结论

1) 在冲击磨料磨损试验中，当冲击功为2 J时，高锰钢的耐磨性随着表面初始硬度的增大而提高，爆炸硬化3次的高锰钢耐磨性最佳，而水韧处理高锰钢的耐磨性最差。

2) 当冲击功为4 J时，爆炸硬化1次高锰钢的耐磨性最佳，爆炸硬化2次和3次的高锰钢次之，水韧处理高锰钢最差。

3) 在2个冲击功条件下，水韧处理高锰钢试样表面的硬化速率最大。冲击功为2 J时，初始硬度越高，试样表面达到饱和硬度值所需时间越短；冲击功为4 J时，由于高应力和大应变的作用，不同状态高锰钢试样表面达到饱和硬度值所需时间基本相同。

4) 在高冲击功作用下，过高的初始硬度会带来高锰钢试样表面脆化，恶化其冲击磨料磨损性能，因此，适当的初始硬度是保证高锰钢获得优异耐磨性的关键。