RE對其進(jìn)行合金化處理.采用金相顯微鏡、掃描電鏡、力學(xué)性能檢測、沖擊磨料磨損試驗(yàn)等手段，研究不同合金化處理對高錳鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響.研究結(jié)果表明，合金化處理能細(xì)化高錳鋼晶粒1～2級，改善夾雜物的大小、形態(tài)及分布，并且使高錳鋼的硬度、沖擊韌性和耐磨性有較大幅度提高.其中經(jīng) CrVTiRE合金化處理的試樣綜合性能最優(yōu)，其硬度為217 HBS，沖擊韌性為155 J/cm2，與未經(jīng)合金化處理的試樣相比，分別提高了12.4%，32.5%，并且其耐磨性提高了13.9%～45.4%.在中、低沖擊功下，高錳鋼的磨損機(jī)制以鑿坑變形和顯微切削為主;在高沖擊功下，磨損機(jī)制主要為疲勞剝落.

　　關(guān)鍵詞：核心期刊論文發(fā)表,合金化,顯微組織,耐磨性,高錳鋼,沖擊磨料磨損

　　高錳鋼具有優(yōu)良的韌性、加工硬化能力和耐磨性，作為一種良好的耐磨材料被廣泛應(yīng)用于鐵路、礦山、冶金、電力等各個行業(yè).但在非強(qiáng)沖擊載荷下，由于高錳鋼加工硬化不明顯、表面硬度低，因而影響了其耐磨性.為了進(jìn)一步提高高錳鋼的耐磨性，人們在合金化處理[1]、熱處理工藝[2]、表面預(yù)硬化處理 [3]等方面進(jìn)行了大量研究.研究表明，合金化處理是提高高錳鋼耐磨性的有效途徑之一.通常可采取在普通高錳鋼的成分基礎(chǔ)上加入Cr，V，N等合金元素，從而增強(qiáng)其形變強(qiáng)化能力[4-6].近年來，多元合金化處理越來越受到人們的重視，發(fā)現(xiàn)添加一種以上的合金元素，比添加單一元素所得到的性能改善效果更明顯.

　　本文制定了合理的化學(xué)成分和試驗(yàn)工藝，在普通高錳鋼的成分基礎(chǔ)上進(jìn)行多元合金化處理，研究合金化處理對高錳鋼組織和性能的影響，從而為獲得更好的高錳鋼性能提供依據(jù).

　　1試驗(yàn)材料及方法

　　1.1化學(xué)成分

　　為保證高錳鋼同時具有良好的韌性和耐磨性，可適當(dāng)提高錳和碳的含量，高錳鋼的主要化學(xué)成分范圍如表1所示.

　　對高錳鋼進(jìn)行合金化處理，合金化處理方案如表2所示.添加的合金原材料為60Cr，純V，純Ti，純稀土Ce和75Nb，其中60Cr，純V和75Nb采用爐內(nèi)加入法，純Ti和純稀土Ce采用包內(nèi)加入法.

　　1.2試驗(yàn)工藝

　　試驗(yàn)用材料在100 kg中頻感應(yīng)電爐中熔煉，采用不氧化法熔煉工藝，出鋼溫度為1 540～1 560 ℃，澆鑄溫度為1 400～1 420 ℃.試樣澆鑄成標(biāo)準(zhǔn)梅花試塊，鑄型采用呋喃樹脂砂造型.對試樣進(jìn)行光譜分析，試樣的化學(xué)成分如表3所示.

　　將梅花試塊進(jìn)行水韌處理，具體工藝為：將梅花試塊以60～80 ℃/h的加熱速率由室溫升溫至650 ℃并保溫2h，隨后以100～120 ℃/h的加熱速率升溫至1 080 ℃并保溫3 h使其完全奧氏體化，最后迅速放入冷水中.

　　在MLD10型動載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行耐磨性試驗(yàn).上試樣為待測試樣，用線切割的方法加工至10 mm×10 mm×30 mm，下試樣為圓環(huán)形的40Cr鋼(HRC50～55)，磨料是粒度為1～2 mm的石英砂.進(jìn)行試驗(yàn)時，下試樣以200 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，上試樣以200 次/min的頻率沖擊下試樣，選取的沖擊功有1 J，2 J，3 J，4 J，磨料以15 kg/h的流量流入上下試樣之間，試驗(yàn)時間為90 min.待測試樣在裝機(jī)前后均用丙酮超聲波清洗并烘干，在精度為0.1 mg的光學(xué)天平上測量待測試樣在磨損前后的質(zhì)量，以其磨損失重的倒數(shù)表示耐磨性ε.

　　沖擊試樣為標(biāo)準(zhǔn)U型缺口，測定三個試樣的沖擊值求平均值.硬度測試在HB3000型硬度計(jì)上進(jìn)行，測定5個點(diǎn)求平均值.試樣經(jīng)研磨、拋光后用4%硝酸酒精腐蝕，在OLYMPUS GX71金相顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察.利用FEI Quanta200型掃描電鏡對沖擊斷口形貌和磨損表面形貌進(jìn)行觀察.

　　2試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　2.1合金化處理對高錳鋼顯微組織的影響

　　圖1為不同合金化處理高錳鋼的熱處理金相組織，表4為不同合金化處理高錳鋼熱處理后的平均晶粒尺寸.可見，高錳鋼經(jīng)水韌處理后碳化物基本已完全固溶于奧氏體中，為單一奧氏體組織.未經(jīng)合金化處理的1號試樣的平均晶粒尺寸為180.6 μm，晶粒尺寸粗大.而經(jīng)CrVTiRE，CrVTi，CrRE和VTiNbRE合金化處理的2號、3號、4號和5號試樣的平均晶粒尺寸分別為117.1 μm，130.2 μm，162.7 μm和100.2 μm，晶粒細(xì)化了1～2級.同時還可看出，未經(jīng)合金化處理的1號試樣中夾雜物數(shù)量多、尺寸大，并且大多數(shù)呈尖角狀或長條狀分布于晶界處.而經(jīng)合金化處理后，夾雜物數(shù)量減少、尺寸變小、形狀變圓，并且彌散分布于基體中.

　　合金化處理可以顯著細(xì)化晶粒，是由于稀土是表面活性元素，它可以與鋼液中的O，S相互作用，形成高熔點(diǎn)的稀土氧化物、稀土硫化物.另外， V，Ti，Nb都是強(qiáng)烈的碳化物、氮化物形成元素，它們可以與鋼中的C，N形成高熔點(diǎn)的碳、氮化合物.在一定的條件下這些高熔點(diǎn)的稀土氧化物、稀土硫化物以及碳、氮化合物可作為鋼液的異質(zhì)形核核心.根據(jù)Tumbell和Vonnegut[7]提出的異質(zhì)形核理論，作為形核劑需要具備以下兩個條件：一是具有高于液相熔點(diǎn)的高熔點(diǎn)相;二是高熔點(diǎn)相與液相金屬在某些低指數(shù)面中具有低的錯配度.一般可認(rèn)為，當(dāng)兩相錯配度小于12%時，高熔點(diǎn)相可以作為異質(zhì)形核核心，從而促進(jìn)液態(tài)金屬形核，細(xì)化鑄態(tài)組織.并且錯配度越小，高熔點(diǎn)相越易成為異質(zhì)形核核心，細(xì)化效果越好.李玉清[8]研究了VC對GH36合金的變質(zhì)作用，認(rèn)為VC和γFe的錯配度為8.38%.蘭杰等[9]對CH13鋼進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)γFe的(001)面在Ce2O3的(0001)面上形核的錯配度為5.92%.陳祥等[10] 研究了稀土、釩、鈦?zhàn)冑|(zhì)處理對高硅鑄鋼晶粒細(xì)化的影響，得出TiC，TiN與γFe的錯配度分別為12.53%和10.61%.謝敬佩等[11]研究了鈮、氮在中錳奧氏體鋼中的作用，發(fā)現(xiàn)NbN，Nb2C與γFe的錯配度分別為7.69%和6.79%.可見，這些高熔點(diǎn)相與γFe的錯配度都較低，因此它們可以作為奧氏體結(jié)晶時的異質(zhì)形核核心，細(xì)化高錳鋼鑄態(tài)組織.