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摘要：以合金化高錳鋼Mn13Cr2為研究對象，通過微觀組織觀察、硬度測試等試驗方法，研究固溶處理對合金化高錳鋼組織與性能的影響。研究表明：合金化高錳鋼鑄態組織中彌散分布著大量塊狀和針片狀碳化物，存在于晶界上與晶界內。經550℃保溫1.5h后淬火處理，合金化高錳鋼基體組織中部分奧氏體分解為珠光體；繼續升溫處理，珠光體成為奧氏體形核界面，在一定程度上可以細化奧氏體組織。合金化高錳鋼的最佳熱處理工藝為：100℃/h的加熱速度加熱到550℃保溫1.5h，再650℃保溫2h，最后1080℃保溫2h，淬火，可使晶粒發生細化，晶粒尺寸達到170μm。此工藝下，合金化高錳鋼的硬度為220HBS。

關鍵詞：合金化高錳鋼；熱處理工藝；組織

高錳鋼是一種使用廣泛的耐磨材料，為了進一步提高高錳鋼的耐磨性能，在傳統高錳鋼的基礎上，通過添加Ti、V、Nb、W等元素可以達到形成高熔點化合物細化晶粒的目的，這樣即得到了耐磨性能更佳的合金化高錳鋼[1]。合金化高錳鋼具有較高的耐磨性主要是由于其加工硬化現象，在較高的應力作用下才可以使其耐磨性能得到充分發揮。但在具體情況中，更多的合金化高錳鋼材料的耐磨件在中低應力狀態下工作，使合金化高錳耐磨鋼的耐磨性能無法有效發揮。因此，通過對合金化高錳鋼進行不同的固溶處理，得到具有單一奧氏體且組織細小的合金化高錳鋼，可以使其更好的在中低應力狀態下提高耐磨性能，延長耐磨制件使用壽命。本文主要研究合金化高錳鋼的固溶處理工藝，比較不同熱處理工藝條件下合金化高錳鋼的組織與性能，確定其最優熱處理工藝，為提高合金化高錳鋼的使用壽命提供參考。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

以Mn13Cr2型合金化高錳鋼為研究對象[2]，Mn13Cr2高錳鋼的化學成分如表1所示。

1.2試驗方法

（1）熱處理工藝固溶處理可以使合金化高錳鋼組織中奧氏體的碳化物完全溶解，并使晶粒盡可能保持細小。為了優化熱處理工藝，得到具有單一奧氏體且組織細小的合金化高錳鋼，研究中設計了3種熱處理方案，均按照100℃/h的加熱速度對工件加熱。具體方案如下：①方案1：650℃保溫2h，再1050℃保溫2h，淬火；②方案2：650℃保溫2h，再1080℃保溫2h，淬火；③方案3：550℃保溫1.5h，再650℃保溫2h，最后1080℃保溫2h，淬火。通過SKT-4-12型管式電阻爐對尺寸為10mm×20mm×35mm的工件加熱。為防止熱處理過程中工件發生脫碳現象，試驗中采用氣氛保護法[3]，以氮氣為保護氣氛防止工件氧化脫碳。（2）顯微組織觀察采用線切割將試樣切割成10mm×10mm×10mm的金相試樣，通過預磨機進行80#、400#、1200#、2000#金相砂紙打磨后，使用三氧化二鉻拋光液拋光，再通過4%硝酸酒精溶液腐蝕30s，采用LeitzMM-6金相顯微鏡觀察金相組織。（3）硬度測試將硬度測試試樣上下表面磨平，并保持上下表面平行，使用HBR-187.5布洛維硬度計進行硬度測試[4]。同類試樣進行3組測試，取均值作為測試結果。

2熱處理工藝對組織的影響

2.1鑄態顯微組織

合金化高錳鋼鑄態組織如圖1所示。由圖1可見，合金化高錳鋼鑄態組織的奧氏體基體上分布著碳化物，碳化物比較均勻，彌散分布，大量存在于晶界上與晶界內，碳化物為塊狀和針片狀。

2.2熱處理后顯微組織

經方案1和方案2處理后的合金化高錳鋼組織如圖2所示。從圖2（a）可看出，經過方案1處理后，組織中碳化物并未完全溶解于奧氏體，由此說明在1050℃時合金化高錳鋼中碳化物已經溶解，但溶解并不完全。從圖2（b）可見，經過方案2處理后，合金化高錳鋼組織中的碳化物已經完全溶解，組織為單一的奧氏體組織，由此說明在1080℃時碳化物已經完全溶解如奧氏體中。因此，本研究中的合金化高錳鋼的最佳固溶溫度為1080℃。傳統高錳鋼固溶溫度一般不超過1050℃。因為超過1050℃時，奧氏體晶粒開始長大，將影響高錳鋼的綜合性能。而合金化高錳鋼中由于含有Cr，會形成（Fe，Cr）3C型合金滲碳體。比傳統高錳鋼中（Fe，Mn）3C更穩定，需要在更高溫度下分解。因此，合金化高錳鋼需要更高的固溶溫度。經方案2和方案3處理后的合金化高錳鋼低倍與高倍金相組織如圖3所示。從圖3（b）、（d）可見，經過方案2和方案3處理后，碳化物均完全溶于奧氏體基體內，形成了單一奧氏體組織，但晶粒度有所差別。從圖3（a）、（c）可見，方案2處理后晶粒大小為350μm左右；而方案3處理后，晶粒大小為170μm左右。二者對比，經過方案3處理后合金化高錳鋼組織明顯更為細小。因此，確定方案3為較佳熱處理工藝。對比方案2與方案3，方案3比方案2多進行了一步550℃保溫1.5h的處理。研究中對550℃保溫1.5h后的顯微組織進行了觀察，經此工藝后直接淬火的金相組織如圖4所示。圖4中黑色塊狀物為析出長大的碳化物，淺色部分為層片狀珠光體。從圖4所示金相組織可知，合金化高錳鋼在550℃時碳化物析出長大，同時奧氏體轉變為珠光體相。因此在方案3的整個熱處理過程中，合金化高錳鋼組織中的碳化物析出、溶解的同時，基體組織也發生變化。550℃發生共析分解，形成珠光體。繼續進行其他熱處理工藝，加熱溫度超過了共析轉變溫度后，珠光體將發生奧氏體重結晶。重新結晶可在多個相界上形核，形成多個奧氏體晶粒，導致一定程度的奧氏體組織細化。

3熱處理工藝對硬度的影響

硬度代表了材料表面抵抗變形或破壞的能力，可以在一定程度上體現熱處理工藝方面的差異。在不改變材料基體組織的條件下，提高材料硬度方法主要有兩種，分別是細化晶粒組織和加入第二相質點[5-6]。鑄態和不同固溶處理后的合金化高錳鋼布氏硬度測試結果如表2所示。從表2數據可知，方案1處理后合金化高錳鋼布氏硬度高于方案2處理。這是因為方案1處理后，合金化高錳鋼組織中的碳化物并未完全溶解，呈彌散的細小分布狀態，形成了第二相質點強化。熱處理中奧氏體晶粒也發生長大，所以鑄態合金化高錳鋼硬度高于方案1處理。經過方案2熱處理后，碳化物已完全溶于奧氏體，無第二相強化作用，所以方案2處理后硬度降低。方案3熱處理后，雖然碳化物完全溶解，無第二相強化作用，但奧氏體晶粒明顯細化，細化晶粒組織強化作用強于第二相強化，使方案3處理后硬度高于方案1處理后硬度。

4結論

（1）合金化高錳鋼鑄態組織中彌散分布著大量塊狀和針片狀碳化物，存在于晶界上與晶界內。對合金化高錳鋼加熱到550℃保溫1.5h后淬火處理，合金化高錳鋼基體組織中部分奧氏體分解為珠光體；后續加溫處理后，珠光體成為奧氏體形核界面，在一定程度上細化了奧氏體組織。（2）對比不同熱處理后的組織與硬度，確定合金化高錳鋼的最佳熱處理工藝為：按照100℃/h的加熱速度加熱到550℃保溫1.5h，再650℃保溫2h，最后1080℃保溫2h，淬火，可使晶粒發生細化，晶粒大小達到170μm。（3）經熱處理后的合金化高錳鋼，硬度低于鑄態。合金化高錳鋼經過最佳熱處理后硬度為220HBS。

參考文獻:

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[2]沈孝芹，李歡歡，于復生，等．工程機械用高強鋼及其焊接研究現狀[J]．熱加工工藝，2017，46(1)：18-22．

[3]張懿，唐建新．硅含量和熱處理工藝對低合金耐磨鋼力學性能的影響[J]．材料熱處理技術，2011，40(12)：160-162．

[4]王珊，劉敬平，張冬梅．低合金耐磨鋼ZG34Mn2SiV的研制[J]．金屬熱處理，2016，41(2)：32-34．

[5]宋量．鋼鐵耐磨鑄件的生產和標準[J]．鑄造技術，2010，31(6)：776-778．

[6]徐立華，殷銘．貝氏體機械用鋼的回火工藝研究[J]．熱加工工藝，2016，45(2)：183-185．

作者：龐曉琛 單位：江陰職業技術學院