万文锋，刘汉代，庄文玮，张 飘，智海旭，彭 伟

（东华理工大学机械与电子工程学院，南昌 330013）

0 引言

高锰钢因其固有的韧性及其耐磨性，被用于生活中各个领域，尤其是铁路、矿山等行业[1－3]。ZGMn13 高锰钢在应用方面更具代表性。合金化处理高锰钢的研究也是比较盛行，但是高锰钢也存在一些问题，比如高锰钢必须在加工硬化后才能表现出良好的耐磨性，因而在强冲击载荷下耐磨效果更好。随着对高锰钢的使用要求愈发严格，需要提高其使用性能，学者们深入地探究其机理，发现合金化处理能充分提高高锰钢的力学性能。合金化是在高锰钢中添加一些稀有的金属元素，从而增强其形变强化能力[4－6]。通过固溶强化和沉淀强化作用于基体，提高其性能。本文通过合理分析，制定了一套完整的实验工艺和方案。在ZGMn13高锰钢中用钒、钛、稀土进行合金化处理。设置了不同的含量成分梯度，探讨合金化处理的研究对高锰钢各力学性能的影响，分别对各机械性能的最佳含量成分进行研究，得出了一个合理的结果，从而为实际生产提供依据。

1 实验内容

本次研究所用的材料为传统的高锰钢和经过合金化处理的高锰钢。表1所示为实验所用的传统高锰钢ZGMn13的化学成分，高锰钢材料经熔炼、浇铸和锻造后加工成圆棒，经粗加工、精加工后，切割加工成直径为φ16.0 mm、轴向高度为8 mm 的金相试样，以及直径为φ16 mm、轴向高度为12 mm硬度试样。

表1 未合金化高锰钢的化学成分Table.1 Chemical composition of unalloyed high manganese steel

传统的高锰钢的化学成分范围如表2 所示，本试验材料经熔炼、锻造、浇铸，切割成小试环对顶件磨损试样和销磨损试样。

表2 合金化高锰钢的化学成分Table.2 Chemical composition of alloyed high manganese steel

高锰钢的固溶所用的温度范围一般为1 050～1 080 ℃。经过合金化处理的高锰钢会产生合金的渗碳体。相对于未合金化的高锰钢性能更加稳固，因此固溶温度需要提高，一般为30～50 ℃；保温一段时间后水冷，就能获得单一奥氏体组织，从而使其冲击韧性大大提高。合金化高锰钢组织中的碳化物析出、溶解的同时，基体组织也会随着变化；设置的550 ℃主要是形成珠光体；然后加热到650 ℃珠光体将重结晶在相界上形核。此实验中热处理的铸件都是小型铸件（壁厚小于40 mm）。依据样品尺寸等实验内容设计了水韧处理工艺，如图1所示。

图1 水韧处理方案Fig.1 Water toughness treatment scheme

利用4XD－2 双目倒置金相显微镜对未进行合金化的高锰钢和合金化的高锰钢进行观察，并测量多次数据尺寸，计算其平均晶粒尺寸。

利用CMT5605 电子万能试验机对两类试样进行拉伸实验，用HR－150A洛氏硬度试验机进行硬度的测试，其中实验所用的拉伸加载速率设为1 mm/min。随后将拉伸试样的断口置于FEI Nova Nano SEM 450 的场发射电子扫描显微镜下进行观察。

利用MMW－1立式万能摩擦磨损试验机对高锰钢、合金高锰钢进行磨损试验，本次摩擦磨损试验设定转速为300 r/min，每次试验最多可装夹3件试样销。试验前，将试样做标准化处理，用酒精清洗后，吹风机吹干，再用0.1‰光电天平称取每组2～3件试样的总质量记录为实验前质量。实验结束后使用无水乙醇清洗试样，去除磨屑，清洗完毕后吹干，再次使用天平进行称重，记录为试验后质量。最终计算出实验前后各组试样销的质量差即为磨损的质量。以试样磨损质量与试验前的质量之比作为磨损率来衡量材料的耐磨性。

2 合金化处理实验

本次研究内容为探究合金化处理对高锰钢的影响，是在普通高锰钢的成分基础上添加钒、钛、稀土等合金元素，根据添加的合金元素的差异，试样被分为4 组，#1 试样为未添加钒、钛、稀土的对照组。试样的成分检测结果如表3所示。

表3 试样的化学成分Table.3 Chemical composition of sample

3 试验结果与分析

3.1 金相组织与断口形貌

图2 所示为在光学显微镜观察到的合金化高锰钢的金相组织，从金相组织中可以看到，本次试验的高锰钢试样经水韧处理后的组织并非呈单相奥氏体，图2（a）的传统高锰钢试样组织中珠光体较多；图2（b）中存在奥氏体转化的珠光体；图2（c）中珠光体较少，主要为奥氏体；图2（d）中基本为单一奥氏体。另外，图2（b）～（d）中分布着的微小颗粒为组织转变过程中析出的共晶碳化物，图2（a）中的碳化物微粒明显少于前3 组。图2（a）中未经合金化的1#试样晶粒较其他试样偏大，并且黑色夹杂物数量较多，在图3（a）的SEM图像中也能够清楚看到其为亮白色，呈不规则团絮状大量分布；经合金化处理的#2、#3、#4 试样晶粒明显更加细小。

图2 水韧处理后的金相组织Fig.2 Metallographic structure after water toughening

图3 所示为扫描电子显微镜拍摄的高锰钢试样表面形貌。由扫描电镜观察到的高锰钢试样表面形貌可见，加入了钒、钛、稀土的试样夹杂物数量显著减少，其尺寸明显减小，多呈链状、小型团块状均匀分散在基体内。稀土是表面活性元素，可以降低晶核的形核功，提高形核率；其与O、S具有非常强的亲和力，高锰钢中添加的大部分稀土会和O、S结合生成高熔点化合物，此类化合物质量较轻，熔炼时会上浮到钢液表面随炉渣一同被清除，起到净化钢液的效果，从而使组织中夹杂物减少；同时，遗留的高熔点稀土化合物能够成为异质结晶核心，促进钢液形核，从而抑制夹杂物的进一步长大，并使其分布更加弥散；此外，也会有少部分稀土元素固溶于基体，而其具有较大的偏析系数，对枝晶的熔断、游离和增殖具有促进作用，从而提高形核率，使晶粒尺寸减小。因此稀土的加入有助于细化晶粒，减少夹杂物数量，改善夹杂物尺寸及分布情况。总结其作用机理：V、Ti元素少部分固溶于基体，大部分与C、N等结合生成化合物微粒并析出，这些析出相具有高熔点、高硬度的特点，并与γ相的错配度较低，能作为结晶核心，提高形核率，从而使高锰钢晶粒细化；合金析出相分布在晶界附近，可以防止原子扩散，阻止晶界移动，以抑制晶粒和夹杂物长大。

图3 高锰钢表面形貌（SEM）Fig.3 Surface morphology of high manganese steel（SEM）

3.2 硬度

本试验采用的是HR－150A 洛氏硬度试验机测试各组4 个试样的硬度，对每个试样都进行3次试验，将所得数据进行平均化取值，结果如图4所示。

图4 硬度试验值Fig.4 Hardness test value

由以上数据可见，未经钒、钛、稀土合金化处理的对照组#1 试样的硬度值最低，经过合金化处理后试样硬度明显提高，其中#2试样的硬度值最高，达到了30.6 HRC。与对照组相比，合金化处理的试样平均硬度提高了21.7%～50.7%，这是细晶强化、固溶强化和弥散强化综合作用的结果[11]。表明合金化处理能显著提高高锰钢的硬度。一部分的钒、钛、稀土溶入奥氏体基体中，起固溶强化作用；另一部分元素与C、N形成稳定的化合物，又一定程度地提高了其硬度[12]。

3.3 抗拉强度

图5所示为试验所用的拉伸试样。图6所示为钒、钛、稀土合金化处理高锰钢试样强度，由图中数据发现，添加了V、Ti 和Re 元素后，高锰钢的抗拉强度并未得到显著提升，相反还有所降低。其中合金元素含量最高的#4试样的抗拉强度最高，为509.8 MPa，相比对照组未合金化处理的普通试样#1，其强度有小幅度提升；而#2、#3 合金化试样的抗拉强度均低于普通高锰钢。本试验设定的合金组合和含量对高锰钢抗拉强度的提升效果不明显。分析其原因：虽然试验组的合金化试样强度并未明显提高，但是可以发现，随着合金含量的增加，高锰钢的抗拉强度也在提升，因此说明试验的合金含量并没有达到能显著提升高锰钢强度的层次，不能充分发挥出V、Ti的强化作用。试验结果表明合金化处理也能提升抗拉强度。

图5 抗拉试样Fig.5 Tensile specimen

图6 钒、钛、稀土合金化处理高锰钢试样强度Fig.6 Strength of high manganese steel in vanadium titanium rare earth alloying treatment

3.4 耐磨性

图7 所示为钒、钛、稀土含量不同的高锰钢进行耐磨试验得出的数据。由图可看出，经钒钛稀土合金化处理的高锰钢的磨损率低于未添加钒钛稀土的磨损率，其中#2 试样的磨损质量最小，磨损率也只有0.24%，耐磨性是最好的，由此可见添加钒、钛、稀土元素能够显著提高高锰钢的耐磨性。

图7 磨损数据Fig.7 Wear data

高锰钢进行合金化处理后能提高耐磨性，一方面是因为合金元素部分固溶于高锰钢基体，对基体起到强化作用[13]。晶界和弥散质点对位错有阻碍作用，导致密度提高，形成位错缠结和胞状亚结构[14]。此外，合金化处理减少了高锰钢中夹杂物的数量，改善了夹杂物形态和分布[15]，防止夹杂物在形变过程中产生应力集中。

高锰钢经V、Ti、Re 合金化后耐磨性提高，原因有以下几点：（1）因为合金元素部分固溶于高锰钢基体，导致晶格畸变，出现“柯氏气团”，影响位错在外力下的移动，对基体起到强化作用；（2）因为V、Ti 能与C、N 形成硬质化合物，在基体中析出为坚硬微粒，而稀土极易与O、S结合生成化合物并吸附在夹杂物中，区别于普通高锰钢中的MnS、Al2O3和铁锰硅酸盐等夹杂，溶入稀土的夹杂物硬度更高，这些硬质相在磨损过程中起到保护基体的效果；（3）磨损试验加载的应力使材料产生微变形，摩擦过程中钢内的合金硬质点会阻碍位错运动，产生位错缠结、堆积，并相互交截，使位错密度提高，增强了高锰钢的形变硬化能力，从而提高磨面硬度。此外，合金元素的加入，尤其是稀土变质剂减少了高锰钢中夹杂物的数量，改善了夹杂物形态和分布情况，防止夹杂物在形变过程中产生应力集中，提高了韧性，从而有利于抑制裂纹的产生和扩展，减小夹杂物对基体造成疲劳剥落磨损的危害。

4 结束语

（1）本试验中，在普通高锰钢中出现了较多的珠光体，而在合金化高锰钢中较少，基本呈单一奥氏体组织，这是因为合金元素扩大了γ相区，提高了奥氏体稳定性。高锰钢在V、Ti、Re合金化处理后，合金析出物数量相比普通高锰钢有所增加，晶粒尺寸有所减小，且夹杂物的形状和分布状态得到改善。而在加入稀土元素后，高锰钢中夹杂物的数量减少。

（2）钒、钛、稀土合金化处理显著提高了高锰钢的硬度，最大能够提高到30.6 HRC，但是高锰钢的抗拉强度变化不明显，合金化处理能提高高锰钢的抗拉强度。

（3）由于合金化处理的强化作用增强了高锰钢的加工硬化能力，提高了磨面硬度，并且减少了夹杂物数量，改善了夹杂物的形态和分布，减小了夹杂物的危害，提高了高锰钢的耐磨性。