回火温度对高锰钢耐磨性能的影响 - 文章

回火温度对高锰钢耐磨性能的影响

作者：熊玉竹杜建平伍玉娇

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摘要：为进一步研究动态应变时效(DSA)强化在高锰钢的加工硬化过程中对其耐磨性能的影响，将合金高锰钢和普通高锰钢进行不同温度的回火处理，并对其组织、结构、电阻及耐磨性能进行分析。结果发现合金高锰钢中的强碳化物形成元素Cr有效地扩大了C-Mn有序原子对团簇微区，且这些有序的原子对团簇微区对提高高锰钢的耐磨性能有重要作用。

关键词：合金高锰钢；C-Mn原子对；有序团簇区；动态应变时效；耐磨性能；铬

前言

近年来不断有文献报道关于提高奥氏体高锰钢性能方面所取得的进展［1］-［5］。高锰钢的合金化主要是通过在传统成份的高锰钢中加入Cr、Mo、V、Ti、稀土等元素使其性能得到提高，其中Cr的运用尤为广泛。有关文献［1］、［5］认为：高锰钢加工硬化过程中，会产生动态应变时效，即形成C-Mn原子对，产生短程有序，使高锰钢产生强烈的加工硬化效应，且Cr元素的加入具有扩大高锰钢中C-Mn有序原子对的团簇效果。本文通过对不同回火温度的合金高锰钢及普通高锰钢的组织、结构、电阻和耐磨性能的变化情况进行研究，结果发现：合金高锰钢在含碳量相对较低的条件下，其耐磨性能优于普通高锰钢。而且合金高锰钢在不同回火温度时的不同的组织结构表现出了不同的耐磨性。

1 实验及结果

将合金高锰钢和普通高锰钢制成Φ10×20 mm的试样，经1100℃水韧处理后，分别在250℃、350℃、500℃进行4h的回火处理，试样成分见表1.

表1 实验用普通高锰钢及合金高锰钢化学成分（W%）

用D=Max-3A衍射仪进行物相分析。用DL-10型磨损机进行磨损实验，磨损载荷1500 g，实验结果见图1.

图1 合金高锰钢与普通高锰钢在不同回火温度下的磨损量图2 合金高锰钢在不同回火温度下的电阻值

用透射电镜对250℃回火处理的合金高锰钢进行电镜分析，结果见图3.对500℃回火处理的合金高锰钢进行电镜分析，结果见图4.

图3 合金高锰钢中条幅结构的电子衍射花样图4 合金高锰钢和普通钢在不同温度条件下的衍射图谱

2 讨论

由图1可知，合金高锰钢经水韧处理后，随着回火温度逐渐升高至250℃，合金高锰钢的磨损量降低，耐磨性能上升，在250℃时为最大值。当温度从250℃升到350℃时，其磨损量略有增加，耐磨性能有所下降，但仍优于合金高锰钢在常规水韧处理后的耐磨性能。当温度继续升高到500℃时，磨损量继续增加，耐磨性能下降，低于水韧态时的耐磨性。

当室温 < T < 250℃时，合金高锰钢中的碳原子随着温度的升高活度逐渐加大，原子在一定范围内迁移。由于合金高锰钢中Cr原子的存在，一方面降低了整个奥氏体基体中碳原子的活度系数；另一方面，靠近富Cr区的C原子由于和Cr原子的亲和力极强，其局部向Cr迁移的活度系数反而增加，并且与该区的锰原子形成有序的C-Mn原子对。由于Cr对C-Mn原子对的“铰链作用”［2］、［5］，C-Mn原子对有序微区不断团聚、长大。由图2可知，正是这些有序微区的形成降低了合金高锰钢的电阻值。这些微区随机均匀地分布在奥氏体基体中。由于微区的间隔尺度较小，在很大程度上阻碍了位错的长程滑移，增强了对位错的钉扎作用，大大提高了位错强化的效果。由图1可知，合金高锰钢经水韧处理后在250℃回火的耐磨性能较之水韧态的耐磨性提高了13%.在忽略掉其它因素差异影响的前提下，我们可以粗略地认为，13%耐磨性的提高反映了磨损前回火预处理时在合金高锰钢中形成的有序原子对团簇对耐磨性的贡献。由图3可知，经250℃回火处理的合金高锰钢试样中，存在着明显的条幅结构。

这更进一步证明了合金高锰钢中有序微区的存在。对于普通高锰钢而言，随着温度的升高，奥氏体基体中的碳原子也发生了迁移，并与Mn形成C-Mn原子对，但是由于锰、碳原子间的结合相对较弱，其短程有序微区的尺寸相对很少，250℃回火后其晶格畸变有一定程度的恢复，所以在250℃回火后所表现出的耐磨性较之水韧态的耐磨性几乎没有提高。由于固溶强化作用的减弱，其耐磨性能反而略有下降（见图1）.当回火温度继续从250℃升到350℃时，合金高锰钢中碳原子的活度继续随温度的升高而增加，由图4可知，此温度回火处理后仍无碳化物析出，但此时奥氏体的晶格畸变程度进一步降低，固溶强化作用减弱，但是由于碳化物尚未析出，仍有大量微区存在，其耐磨性能相对于250℃回火时虽有下降，但仍比水韧态的耐磨性高（如图1所示）。对于普通高锰钢，当温度升高到400℃时，从衍射谱线上看出（如图2所示）某些富碳微区的碳化物开始析出，此时，新析出的碳化物尚未长大，弥散强化作用比较理想。另外一些微区仍处于碳化物析出前的亚结构状态，因为这些亚结构状态的微区为富碳区，故C-Mn有序原子对较丰富。这些弥散均匀分布的微区以及弥散分布的碳化物对位错的钉扎作用在一定程度上弥补了固溶强化减弱的影响，所以宏观力学性能表现为耐磨性能下降不明显。当温度继续升高到500℃时，由图4可知，合金高锰钢开始析出碳化物，此时奥氏体的基本晶格常数已基本趋于正常，而且由于合金碳化物的析出，基体含碳量明显下降，大大影响了有序微区的形成，从而影响了加工硬化的效果，所以宏观耐磨性能呈下降趋势。由上述分析不难看出，C-Mn有序原子对的微区团簇对高锰钢的耐磨性能有着重要的影响。

3 结论

（1）水韧处理的合金高锰钢，再经250℃回火处理后，由于Cr对C-Mn原子对的“铰链作用”，其表现出的耐磨性能高于含碳量较高的普通高锰钢。

（2）合金高锰钢的回火温度升高至500℃后，由于受碳化物析出的影响，有序团簇强化作用减弱，再加上固溶强化作用的减弱，其耐磨性能明显下降。

参考文献：
［1］张敬澈. 提高奥氏体锰钢耐磨性的探讨［J］.铸造,1991,(6):19.
［2］ Dastur Y N, W C Leslie. Mechanism of work hardening in Hoodfield manganese steel［J］.Metall Trans A,1981,12A,749.
［3］何力. 锰系奥氏体钢的发展前景［J］.现代机械，1999.(2):12-17.
［4］朱瑞福.高锰钢的价电子结构及其本质特性［J］.科学通报，1996,41(14):1336.
［5］何力.Cr对高锰钢微观结构的影响［J］.钢铁，2000,35(5):48-50.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/31/2005)


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