高錳鋼熱變形行為研究

王 珣 董治中 陳席國 劉晨曦(.中國一重天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457；.中國一重能源裝備材料科學(xué)研究所，天津300457)

ZGMn13高錳鋼具有加工硬化的重要特征，作為一種傳統(tǒng)的耐磨材料，以其優(yōu)異的耐磨損性能廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、建材、鐵路、電力、煤炭等機(jī)械裝備中[1]。然而，高錳鋼鑄件凝固收縮大，散熱性差，鑄造過程中極易出現(xiàn)裂紋缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。承受高沖擊載荷的高錳鋼鑄件往往因裂紋造成非正常失效，導(dǎo)致產(chǎn)品壽命降低。因此，研究高錳鋼鑄件裂紋產(chǎn)生的原因，采取有效的預(yù)防措施以提高成品率，一直是鑄造行業(yè)和材料工作者的重要課題[2、3]。研究發(fā)現(xiàn)，磷在奧氏體中的溶解度很小，且易在晶界和枝晶間偏析形成磷共晶，降低奧氏體晶界強(qiáng)度和結(jié)合力，從而使高錳鋼在室溫下塑性和強(qiáng)度明顯降低。磷是高錳鋼中的有害元素，也是導(dǎo)致熱裂紋的原因之一，應(yīng)嚴(yán)格加以控制[4～6]。

研究表明鍛造高錳鋼具有更優(yōu)良的性能[5、7]， 但高錳鋼機(jī)械加工困難，鍛造性能差，長期以來基本上是以鑄件形式被使用。國內(nèi)可以機(jī)加工的可鍛高錳鋼發(fā)展緩慢，且缺乏相應(yīng)的研究。為此，本文研究了高錳鋼的熱變形行為，觀察了變形過程中的組織變化，同時探索了磷元素偏析對高錳鋼熱變形性能的影響，以期為高錳鋼的實(shí)際生產(chǎn)制提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)用ZGMn13高錳鋼來自鑄造成品件，未經(jīng)過任何熱處理，為澆鑄后原始鑄態(tài)組織，化學(xué)成分如表1所示。

表1 ZGMn13高錳鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of ZGMn13 high manganese steel (mass fraction, %)

將試樣加工成尺寸為?8 mm×12 mm的圓棒，觀察組織后在不同溫度下使用Gleeble-3500進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為：以加熱速度50℃/s先加熱到1 200℃，保溫5 min，再分別降溫至1 050℃、1 000℃、950℃、900℃、850℃、800℃等6個溫度條件下，保溫5 min，然后進(jìn)行壓縮，壓縮速率為0.01 mm/s，壓縮量為50%。壓縮后的試樣立即放入水中，再進(jìn)行組織觀察。

按照GB/T13298制備金相試樣，采用4%硝酸酒精溶液浸蝕，再用5%鹽酸酒精溶液擦洗。采用Zeiss 200 MAT光學(xué)顯微鏡和FEI Quanta 400掃描電鏡(SEM)配備EDAX Genesis XM2 能譜儀(EDS)對試樣進(jìn)行微觀組織觀察和成分分析。

圖1 ZGMn13的鑄態(tài)金相組織Figure 1 As-cast metallographic structure of ZGMn13 steel

CPMoVCrMnFeA區(qū)域B區(qū)域3.811.620.597.8674.934.302.03-2.000.729.3425.187.3060.33

2 高錳鋼鑄態(tài)組織

鑄態(tài)高錳鋼的金相組織如圖1所示，組織粗大、不均勻，由奧氏體+類珠光體(γ+(Fe,Mn)3C)+細(xì)珠光體+塊狀碳化物組成。在局部發(fā)現(xiàn)了Mo含量很高的塊狀碳化物，其旁邊發(fā)現(xiàn)了磷共晶組織(見圖1和表2)，說明高錳鋼鑄態(tài)組織中Mo、P等元素偏析嚴(yán)重。并且，在塊狀碳化物和磷共晶組織周圍發(fā)現(xiàn)了微裂紋和缺陷，有可能成為裂紋源，如圖1(b)所示。

3 Gleeble實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高錳鋼分別在800℃、850℃、900℃、950℃、1 000℃、1 050℃下的Gleeble壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可以看出，隨著壓縮溫度的升高，峰值應(yīng)力顯著下降。在800℃進(jìn)行壓縮時，峰值應(yīng)力約為240 MPa。當(dāng)溫度升高到1 050℃壓縮時，峰值應(yīng)力下降到了69 MPa左右。表明隨著壓縮溫度的升高，高錳鋼材料抵抗形變的能力下降。此外，溫度升高使材料的硬化減弱，在1 050℃進(jìn)行壓縮時，試樣一旦屈服，幾乎沒有硬化的現(xiàn)象。

對熱變形后的ZGMn13高錳鋼金相組織進(jìn)行觀察。圖3為800℃壓縮熱變形后的金相組織。由圖3(a)可以看出，經(jīng)過熱壓縮，組織晶粒變形明顯，粗大組織消失，主要為奧氏體組織，晶界處析出細(xì)粒狀及粗大塊狀碳化物。經(jīng)過SEM和DS分析顯示，細(xì)粒狀碳化物主要為含Mo的碳化物，構(gòu)成了晶界，而大塊狀碳化物中Mo和P的含量均很高，存在磷共晶組織，見圖3和表3。對比圖1可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過1 200℃保溫、800℃下的壓縮熱變形，鑄態(tài)組織中粗大的類珠光體組織和細(xì)珠光體組織已經(jīng)固溶后消失，鑄態(tài)下大塊狀的Mo含量很高的碳化物和磷共晶組織仍然存在。

圖2 ZGMn13在不同溫度條件下Gleeble壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 2 The Gleeble compressive stress-strain curves of ZGMn13 steel under different temperatures

圖4所示為950℃時壓縮后的金相組織。由圖4(a)可見，當(dāng)壓縮溫度進(jìn)一步升高時，組織中的析出物很少，晶界上的細(xì)粒狀碳化物也基本消失，晶界顯示不出。而在原來聚集大塊碳化物的區(qū)域，組織發(fā)生了細(xì)化，并發(fā)生了明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象，見圖4(b)。此外，局部區(qū)域仍存在Mo含量很高的碳化物和磷共晶組織，且在磷共晶組織處發(fā)現(xiàn)了開裂現(xiàn)象，如圖4(c)所示。

圖5所示為1 050℃壓縮后金相組織。圖5(b)中A區(qū)域能譜結(jié)果見表4。從圖5(a)可以看到，當(dāng)壓縮溫度升到1 050℃時，存在明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象。

表3 圖3(b)中A、B區(qū)域能譜結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 EDS analysis results of A and B zones illustrated in Figure 3(b) (mass fraction,%)

圖3 ZGMn13高錳鋼在800℃壓縮后的金相組織Figure 3 Metallographic structure of ZGMn13 high manganese steel after compression at 800℃

圖4 ZGMn13高錳鋼在950℃壓縮后的金相組織Figure 4 Metallographic structure of ZGMn13 high manganese steel after compression at 950℃

圖5 ZGMn13在1 050℃壓縮后的金相組織Figure 5 Metallographic structure of ZGMn13 steel after compression at 1 050℃.

CSiPMoCrMnFeA區(qū)域1.950.485.866.710.4322.7461.82

圖6 Fe-P二元相圖Figure 6 Fe-P binary phase diagram

同時析出相更少，碳化物形態(tài)更潤滑，且沿著再結(jié)晶的晶界析出。SEM和EDS分析表明，析出物為含Mo型碳化物與磷共晶組織。在此溫度下壓縮，沿磷共晶組織晶界發(fā)生了更為明顯的開裂現(xiàn)象，如圖5(b)和5(c)所示。

4 討論

磷在奧氏體中的溶解度很小，易于在晶界和枝晶處偏析。當(dāng)磷在奧氏體晶界偏聚濃度很低時，以固溶形態(tài)偏聚于晶界。而當(dāng)磷偏聚濃度高時，在晶界處形成類似Fe3P的結(jié)構(gòu)[5]。而且，磷含量只有達(dá)到1%時，在1 005℃才能形成γ+Fe3P的二元磷共晶組織。本研究中高錳鋼中的平均磷含量雖然僅為0.046%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1%，但如前所述，磷在奧氏體中的溶解度很低，在奧氏體高錳鋼凝固過程中，磷會富集于未凝固的剩余液相中，使得在剩余液相中磷的濃度不斷增加，達(dá)到所需濃度。γ+Fe3P的二元磷共晶組織凝固于奧氏體晶界，尤其是三叉奧氏體晶界處，因此在鑄態(tài)高錳鋼組織中沿晶界處會存在磷共晶組織。

圖6所示為Fe-P二元相圖。從圖6可以看出，在1 050℃和1 166℃存在Fe-Fe2P和Fe-Fe3P共晶組織，因此在P偏聚最嚴(yán)重的晶界區(qū)域勢必存在Fe-Fe2P-Fe3P共晶組織，將存在L→Fe+Fe2P+Fe3P的液-固相反應(yīng)，即在1 050～1 200℃區(qū)間存在液相與固相共存的狀態(tài)。在本研究的Gleeble壓縮實(shí)驗(yàn)中，試樣先加熱到1 200℃，使得珠光體和(Fe,Mn)3C型碳化物溶解充分，再降到不同溫度下進(jìn)行壓縮。在較低溫度進(jìn)行壓縮，如800℃時，滲碳體還未析出，而磷共晶組織在晶界已經(jīng)析出，壓縮水冷后，組織較鑄態(tài)均勻，晶粒變形明顯，但再結(jié)晶細(xì)化效果不明顯，晶界尤其是三叉晶界處存在變形的粗大塊狀碳化物(磷共晶碳化物析出后變形)。在高溫狀態(tài)進(jìn)行壓縮時，再結(jié)晶明顯，當(dāng)溫度達(dá)到1 050℃時，由于磷共晶的存在，會有部分保持液相，在一定的外力作用下，可能生成液相通道，使得磷共晶沿再結(jié)晶的晶界處析出擴(kuò)展，成為可能的裂紋源，導(dǎo)致高溫壓縮時裂紋的產(chǎn)生，如圖5所示。同時，由于液相和裂紋的存在，導(dǎo)致試樣基本不發(fā)生硬化現(xiàn)象?？梢灶A(yù)見由于磷共晶的存在，鑄件在進(jìn)一步的冷凝應(yīng)力作用下，裂紋源進(jìn)一步擴(kuò)展成為宏觀可見裂紋。

綜上所述，高錳鋼鑄件如果存在明顯的磷偏析，存在磷共晶組織，是裂紋產(chǎn)生的原因，并嚴(yán)重影響其可鍛性能。

5 結(jié)論

(1)Mo偏析和磷共晶組織是高錳鋼微裂紋產(chǎn)生的重要原因之一。

(2)高溫壓縮條件下，鑄態(tài)組織趨于均勻并細(xì)化，且發(fā)生了明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象。同時磷共晶組織沿再結(jié)晶晶界析出，導(dǎo)致高錳鋼產(chǎn)生裂紋，性能惡化。

(3)如果要實(shí)現(xiàn)高錳鋼可鍛性能，需嚴(yán)格控制Mo元素的偏析，并進(jìn)一步降低P的含量。

[1] 趙培峰, 國秀花, 宋克興. 高錳鋼的研究與應(yīng)用發(fā)展.材料開發(fā)與應(yīng)用.2008(23), 85-88.

[2] 傅排先, 張文寧, 康秀紅，等. 厚大高錳鋼鑄件微裂紋形成機(jī)理研究.鑄造, 2007(56), 409-411.

[3] 薛福連. 高錳鋼鑄件裂紋的產(chǎn)生機(jī)理探討.大型鑄鍛件, 2006(1), 29-30.

[4] 茅洪祥, 李桂芳, 程常桂. 磷對高錳鋼的有害影響及預(yù)防措施.特殊鋼, 1997(5), 30-34.

[5] 張福成, 厚汝軍, 呂博, 等. 磷對高錳鋼熱塑性的影響.機(jī)械工程學(xué)報, 2009(45), 248-252.

[6] 王仲玨. 化學(xué)成分對高錳鋼鑄件熱裂缺陷的影響.大型鑄鍛件, 2004(3), 10-12.

[7] 馬戈, 李志謙, 宋君亮, 等. 可鍛高錳鋼的研發(fā).熱加工工藝, 2003(5), 55-56.