摘 要：合理设计了中锰奥氏体基耐磨钢的成分，并选择合适的水韧处理工艺来获得一种介稳的单相奥氏体组织，在此组织基础上进行不同的等温热处理工艺，获得一定量的马氏体，以提高基体的初始硬度，又不恶化其冲击韧度。再通过与高锰钢(Mn13)在同等工况条件下进行耐磨性模拟对比试验，来选择适合中锰钢在中、低冲击磨料磨损条件下使用的热处理工艺和组织。同时对试样进行了金相组织观察及力学性能测试。
关键词：中锰钢；热处理；耐磨性
耐磨奥氏体锰钢最早于1882年由英国冶金学家Hadfield发明，其基本成分为：11%～14%Mn，1.0%～1.4%C。这种高锰钢在水淬后具有高韧性、高冷作硬化能力，在高冲击载荷下使用，耐磨性好。但它同时也存在一些缺点，主要是屈服强度较低和在较小载荷下使用加工硬化能力不足等。为解决这些不足，主要采取两种办法：一是加入某些合金元素，在奥氏体基体上形成细小弥散分布的第二相粒子，来提高钢的屈服强度；二是降低奥氏体的稳定性，在磨粒作用下诱发马氏体相变，提高加工硬化效应，提高耐磨性。
介稳奥氏体中锰钢正是通过降低含C、Mn量来降低奥氏体的稳定性，并通过添加少量的合金元素铬来提高钢的屈服强度。这种介稳的奥氏体无论是温度变化或塑性变形都有可能诱发马氏体相变。
1 试验原理与方法
1.1 化学成分的设计依据
由图1[1]可看出，一定的锰、碳配比可使合金经水韧处理后在室温处于单相奥氏体组织，如Mn含量在8%～10%、C含量在0.5%～0.8%时，合金在室温下处于γ相区，但同时由于它靠近γ＋α相区，这种奥氏体的稳定性低，易于诱发马氏体相变。我们以Ms点在-20～-30℃，Md≥Ms＋(50～100℃)，即在室温附近为出发点，进行碳、锰等成分的设计，同时添加少量的合金元素铬，来提高中锰钢的屈服强度。
图1 Fe-Mn-C相图(20℃)(950～1100℃，水淬)
1.2 化学成分
中锰钢的设计成分如表1所示。表1 中锰钢设计化学成分(质量分数)w(%)
| 钢编号 | C | Si | Mn | Cr | Mo | S、P | | 1 | 0.51～
0.60 | 0.3～
0.6 | 8.6～
9.5 | 1.0～
1.5 | ／ | ＜0.06 | | 2 | 0.61～
0.70 | 0.3～
0.6 | 7.6～
8.5 |
1.0～
1.5 | ／ | ＜0.06 | | 3 | 0.61～
0.70 | 0.3～
0.6 | 7.6～
8.5 | 1.0～
1.5 | 0.15～
0.30 | ＜0.06 |
根据经验公式[2]：
Ms(℃)＝550-361[C]-39[Mn]-35[V]-20[Cr]-17[Ni]-10[Cu]-5[Mo＋W]＋15[Co]＋30[Al]
经对设计钢的Ms、Md估算，1号钢Ms点约为-24℃；2号钢Ms点约为-21℃；3号钢Ms点约为-22℃。Md点均在室温附近，符合设计要求。
1.3 冶炼及锻造
冶炼是在碱性炉衬中频感应炉中进行的。熔炼后钢水浇入预先制好的干砂型中，再经锻造、机加工制成金相试样、冲击试块、拉伸试样及耐磨损试样。
1.4 水韧处理
高锰钢Mn13的固溶处理温度为1050～1100℃。中锰钢在降低含碳、锰量的同时也添加了一定量的合金元素，但由于加入量较少，因此其固溶处理温度基本同于高锰钢，但加钼钢种由于铸态组织中存在大量碳化物，需增加在1150℃保温15～20min。
升温速度在T＜500℃时为100℃／h，为防止奥氏体中析出较多的碳化物和大量分解为共析组织，在500～700℃之间快速升温(200℃／h)，在700℃之后升温速度为100℃／h，到温保温1.5～2h。为了防止再次析出碳化物，出炉时试样入水温度不得低于950℃。
1.5 等温热处理
试样经水韧处理后，为单相奥氏体组织，其硬度较低(180～220HV)，为此需将试样进行等温热处理，以析出一定量的强化相，来提高试样的初始硬度和耐磨性。本试验采用了两种不同的热处理工艺：①分级等温亚温处理工艺[3]包括两个阶段：第一阶段的中温等温工艺，即将试样加热至550℃，保温2～3h，出炉水冷；第二阶段的亚温等温工艺，将试样继续升温至680～700℃保温2～2.5h后出炉水冷。中锰奥氏体在550℃经保温处理，此时奥氏体将发生珠光体转变，若奥氏体未转变完全，水冷过程将发生部分马氏体转变，因此，中温处理后得到的组织为：珠光体、马氏体和残留奥氏体。然后再升温至680～700℃区间，这时原有的珠光体发生粒化，另一部分珠光体重新转变成奥氏体，其相对量和含碳量取决于加热温度；冷却时，这种奥氏体将转变为屈氏体和马氏体，此外还会残留部分奥氏体组织。这样，便可得到由珠光体、屈氏体、马氏体及残留奥氏体所组成的多相组织；②二次回火处理工艺 将水韧处理后的钢入炉经500℃等温2h，出炉水冷；再重新入炉，经380℃保温2h，出炉水冷。
水韧处理后的中锰钢得到单一的奥氏体组织，经一次回火后，在奥氏体晶界附近，可析出许多碳化物及马氏体组织，此时奥氏体转变还未完成，一部分奥氏体将残留下来。再将其升温至380℃，等温2h，碳化物形态发生改变，所得的组织将是奥氏体基体上均布的粒状碳化物及马氏体。
1.6 力学性能测试
包括拉伸试验和冲击试验，拉伸试样采用10mm的圆棒型长试样，冲击试样尺寸为(10×10×55)mm，无缺口。
1.7 冲击磨料磨损试验
冲击磨料磨损试验是在改装的MM-200型磨损试验机上进行的，经自制上试样夹具，所用试样为(10×10×10)mm小方样。上试样夹具示意图如图2所示。
图2 磨损夹具示意图
在磨损过程中用一固定好的光滑漏斗均匀地往两磨损面之间注入人造石英砂，石英砂大约为8～10目。为保证该磨料的性能稳定，流速平稳，经一定时间磨损后，去掉磨碎的粉尘，再掺入新的石英砂。并采用多冲间歇磨损方式，模拟在冲击载荷作用下间歇磨料磨损行为。
磨损试验开始前，先在万分之一的分析天平上称取上试样质量，开机磨损1h后，取下试样，经水冲洗并用丙酮洗净干燥后再次称重。对其经一定时间磨损后的失重值进行统计，绘制成磨损量与时间曲线，并计算相对耐磨性(与Mn13钢对比)大小，通过此方法来测试所研制的中锰钢在铸态、水韧态及不同热处理条件下耐磨性与高锰钢在同等工况条件下的对比情况。该试验的工作示意图如图3所示。
图3 磨损工作示意图
1.8 技术路线
化学成分设计→冶炼锻造→送机加工→水韧处理→等温热处理→性能测试→耐磨性对比试验
2 试验结果与分析
2.1 化学成分分析及组织观察
经化学分析中心分析，该批试验钢化学成分如表2所示。 表2 试验钢实际化学成分(质量分数)w(%)
| 钢编号 | C | Mn | Cr | Si | Mo | S | P | 1
2
3 | 0.61
0.58
0.65 | 8.31
7.50
8.63 | 1.72
1.25
1.53 | 0.32
0.44
0.45 | ／
0.09
／ | 0.015
0.015
0.014 | 0.032
0.031
0.033 |
因1号与3号化学成分基本相近，本次试验抽取其中的3号与2号作为试验钢种。
图4为中锰钢水韧化处理后的单一奥氏体组织，2、3号钢水韧化处理后再进行分级等温亚温工艺处理后组织为粒状珠光体、马氏体、碳化物及奥氏体组织(如图5、6)。水韧化＋二次回火工艺处理后组织为奥氏体、粒状碳化物及马氏体组织(见图7、8)
图4 中锰钢水韧化处理组织 ×250单一奥氏体
图5 2号钢550℃×2.5h＋700℃×2h，水冷 ×250粒状珠光体、马氏体、碳化物及奥氏体
图6 3号钢550℃×2.5h＋700℃×2h，水冷 ×250
粒状珠光体、马氏体、碳化物及奥氏体
图7 2号钢500℃×2h水冷＋380℃×2h水冷
奥氏体、粒状碳化物及马氏体 ×250
图8 3号钢500℃×2h水冷＋380℃×2h水冷
奥氏体、粒状碳化物及马氏体 ×250
2.2 力学性能测试结果
表3、4为2、3号钢相应的力学性能测试结果，可以看出，2号样经分级处理后aK值(105.8J／cm2)和σb值(548.8MPa)均较高，说明其综合力学性能较3号样好。2号样经分级处理后的显微硬度494HV0.1也较其经水韧处理后的显微硬度213HV0.1要高得多。表3 不同状态下试样的aK值／J.cm-2
| 状态 | 2号 | 3号 | 铸态
水韧态
一次回火态
二次回火态
分级处理态 | ／
114.6
55.9
67.2
105.8 | 142.1
143.1
34.3
59.7
62.8 |
表4 试验钢不同状态下σb值／MPa
| 试样号 | 铸态 | 水韧态 | 二次回火态 | 分级处理态 | 2
3 | ／
391.0 | 463.2
402.1 | 493.5
471.3 | 548.8
462.6 |
2.3 耐磨性试验结果
二次回火态的相对耐磨性：2号样为135%，3号样为118%，Mn13为100%，可见2号样经二次回火后相对耐磨性比Mn13钢提高了35%，而3号样则提高18%。
分级处理态的相对耐磨性：2号样为153%，3号样为120%，Mn13为100%，可见2号样经分级处理后相对耐磨性比Mn13钢提高了53%，而3号样则提高了20%。
经分级处理后的钢得到的组织是由珠光体、屈氏体、马氏体及奥氏体所组成的多相组织，这种组织既有好的韧性，又有较高的屈服强度，其初始硬度也较高(465～494HV)。二次回火态由于弥散的碳化物及马氏体提高了初始硬度，耐磨性较Mn13钢也有所提高。
中锰钢试样经磨损后，磨损断面组织可出现大量孪晶、滑移线，并且滑移线交叉出现。经对中锰钢样进行较小力的锤击试验，观察其变形面组织，可发现有形变马氏体α′出现。分别见图9、10、11。而Mn13钢在相同工况条件下出现加工硬化现象不明显，磨损后组织仍为奥氏体，有部分滑移线，无孪晶和形变马氏体出现，因此其耐磨性较中锰钢差。
图9 中锰钢2h磨损试验后磨损面上的交叉滑移线 ×400
图10 中锰钢4h磨损试验后磨损面上的孪晶组织 ×250
图11 中锰钢经小锤锤击50次后磨损面出现
的形变马氏体组织 ×250
2.4 中锰钢中的等温马氏体
中锰钢水韧处理后经450～625℃等温保温一段时间，冷却后将出现等温马氏体。等温过程是成分扩散和固溶体成分发生改变的过程。保温时间的长短对随后冷却时马氏体相的多少有影响。在一定时间范围内，随保温时间延长，马氏体量将增加。图12、13分别是500℃保温5h和500℃保温10h后得到的组织。
图12 2号钢500℃×5h水冷后组织 ×250
奥氏体、针状马氏体及屈氏体
图13 2号钢500℃×10h水冷后组织 ×250
奥氏体、针状马氏体及屈氏体
3 结论
(1) 经试验得出中锰钢合适的成分范围w(%)为：0.60～0.65C，7.5～8.5Mn，1.0～1.5Cr，0.1～0.3Mo，0.3～0.6Si，＜0.06S、P；
(2) 为保证中锰钢水韧化后得到单一奥氏体组织，固溶温度宜选择1050～1100℃，保温时间1.5～2h，含钼钢另加15～20min的1150℃保温过程，钢出炉入水温度不低于950℃；水韧化后采用分级等温亚温处理(550℃，保温2～3h；700℃，保温2.5h)，可得到较高耐磨性(与Mn13钢在同等中低载荷冲击条件下比较)和较好力学性能的多相弥散组织。
(3) 中锰钢水韧后经分级等温亚温处理，得到由珠光体、屈氏体、马氏体和奥氏体所组成的多相组织，其力学性能指标为：含钼钢硬度为494HV0.1，aK值为105.8J／cm2，σb值为548.8MPa；不含钼钢硬度为465HV0.1，aK值为62.8J／cm2，σb值为：462.6MPa。相对耐磨性含钼钢为1.53；不含钼钢为1.20；Mn13钢为1.00。
(4) 中锰钢经磨损后，磨损表面可出现大量孪晶、滑移线，经小锤锤击试验，有形变马氏体形成。
参考文献：
[1]肖纪美．不锈钢的金属学问题[M]．北京：冶金工业出版社，1983：70．
[2]戚正凤．金属热处理原理[M]．北京：机械工业出版社，1987：89．
[3]伍怡，李绪业．中锰铸钢的分级等温亚温处理[J]．金属热处理，1990(6)：18～22．(end)
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