爆炸硬化處理對(duì)高錳鋼沖擊磨料磨損行為的影響

劉恒亮，鄭 鑫，張福成，陳 晨

(1.中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 道岔分公司，湖南 株洲 412005；2.燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；3.燕山大學(xué) 國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066004)

0 引言

磨料磨損是冶金、礦山、采煤、發(fā)電、農(nóng)機(jī)等行業(yè)耗費(fèi)鋼材最多的一種失效類型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因?yàn)槟チ夏p而耗費(fèi)的鋼材高達(dá)百萬(wàn)噸，造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾十億元，也是各種磨損形式中造成經(jīng)濟(jì)損失最大的[1-2]。為了減少磨料磨損帶來的經(jīng)濟(jì)損失，各類耐磨材料，如高錳鋼、馬氏體鋼、貝氏體鋼、金屬基復(fù)合材料等，被應(yīng)用到不同的工況條件下以最大程度上發(fā)揮各自的耐磨性優(yōu)勢(shì)[1-5]。高錳鋼(Fe-13Mn-1.2C)作為最傳統(tǒng)的耐磨材料，因其具有高的加工硬化能力和高韌性，目前在重載磨損條件下依然使用最多[6-7]。

伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，高錳鋼耐磨材料的服役環(huán)境不斷朝著高載荷、高沖擊、高溫升、大應(yīng)變方向發(fā)展[8]。而為了適應(yīng)這種嚴(yán)苛的服役條件，材料科學(xué)工作者開發(fā)了多種高錳鋼處理方法以提高高錳鋼的耐磨性。陳晨等人[9]利用N+Cr復(fù)合合金化的手段，在降低高錳鋼層錯(cuò)能的同時(shí)，提高了高錳鋼的初始強(qiáng)度。在高磨損載荷作用下，N+Cr合金化高錳鋼較傳統(tǒng)高錳鋼獲得了更高的孿晶密度，因而獲得了優(yōu)異的耐磨性。在宋懷江和張國(guó)賞[10]的研究工作中，通過離心鑄造的方法獲得了一種碳化鎢增強(qiáng)高錳鋼，當(dāng)碳化鎢以細(xì)小彌散的狀態(tài)存在于高錳鋼中時(shí)，高錳鋼的沖擊磨料磨損性能明顯增強(qiáng)。趙欣等人[11]則是利用熱軋狀態(tài)的高錳鋼替代鑄造高錳鋼，通過改善高錳鋼的初始組織狀態(tài)來獲得較為理想的沖擊磨料磨損性能。由此可見，通過一定的工藝手段改善高錳鋼的基體屬性可以達(dá)到提高高錳鋼耐磨性的目的。

高載荷、大通量服役條件下，高錳鋼耐磨材料常常面臨初始磨耗大的問題。因此，各種高錳鋼預(yù)硬化處理方法，如冷軋變形[12]、高速重?fù)鬧13]、爆炸硬化[14]等被應(yīng)用到高錳鋼中，以提高其初始強(qiáng)度。其中，冷軋變形和高速重?fù)糇冃问峭ㄟ^較大程度的塑性變形在高錳鋼中產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)和孿晶導(dǎo)致硬化[12-13]，而爆炸硬化則是通過爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波作用到高錳鋼，在宏觀塑性變形程度很小的情況下，隨沖擊波傳播在波前位置不斷產(chǎn)生位錯(cuò)和孿晶而引起硬化[14]。但是，不同的預(yù)硬化程度對(duì)于高錳鋼的沖擊磨料磨損性能的影響卻鮮有系統(tǒng)性的研究。本文選用爆炸硬化方式對(duì)傳統(tǒng)高錳鋼進(jìn)行預(yù)硬化處理，通過改變爆炸次數(shù)在高錳鋼中獲得不同的硬化狀態(tài)，測(cè)試高錳鋼在不同沖擊載荷作用下的磨料磨損性能。結(jié)合磨損失重、磨損表面形貌、表面硬度以及微觀組織變化分析爆炸預(yù)硬化處理對(duì)高錳鋼沖擊磨料磨損性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文選用傳統(tǒng)鑄造高錳鋼作為研究對(duì)象，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為C 1.12%，Mn 11.9%，Si 0.35%，P 0.030%，S 0.008%，余量為Fe。鑄造高錳鋼的尺寸為150 mm(長(zhǎng))×50 mm(寬)×40 mm(高)，之后利用常規(guī)廂式電阻爐對(duì)鑄造高錳鋼進(jìn)行熱處理。高錳鋼試塊隨爐升溫至1 050 ℃，保溫1 h后水冷以獲得均勻的單相奧氏體組織。利用塑性片狀炸藥對(duì)高錳鋼試塊的長(zhǎng)×寬面進(jìn)行爆炸硬化處理，其主要化學(xué)成分為黑索金RDX，粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂，乙二胺為固化劑及鄰苯二甲酸二丁酯為增塑劑，爆速為7 200 m/s，炸藥厚度為～3 mm。爆炸硬化工藝為爆炸0次、1次、2次和3次，爆炸硬化過程示意圖見圖1(a)所示。在爆炸硬化處理后的高錳鋼試塊上切取沖擊磨料磨損用試樣，試樣的沖擊面接近高錳鋼試塊的爆炸硬化表面，試樣尺寸示意圖見圖1(b)所示。沖擊磨料磨損試驗(yàn)在MLD-10型動(dòng)載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其中上試樣為高錳鋼，下試樣為45號(hào)鋼，經(jīng)淬火處理后，下試樣硬度不低于54HRC。沖錘質(zhì)量選取10 kg，沖錘抬高高度分別為20 mm和40 mm，分別對(duì)應(yīng)于2 J和4 J的沖擊功。試驗(yàn)過程中，上試樣的沖擊頻次為200次/min，下試樣的轉(zhuǎn)速為200 r/min。磨料采用粒徑在1～3 mm的石英砂，流量控制為350 mL/min。各個(gè)試驗(yàn)條件下測(cè)試5個(gè)樣品，沖擊時(shí)間均為2 h。

利用顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試不同硬化狀態(tài)高錳鋼在沖擊磨料磨損試驗(yàn)前的截面硬度分布和試驗(yàn)后的表面硬度。高錳鋼試樣經(jīng)沖擊磨料磨損后的表面形貌通過SU-5000型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，觀察前高錳鋼試樣需要利用超聲波震蕩清洗器進(jìn)行充分清洗。利用Axiover 200MAT型光學(xué)顯微鏡對(duì)高錳鋼沖擊磨料磨損試驗(yàn)前的組織狀態(tài)進(jìn)行觀察，試樣經(jīng)機(jī)械研磨和拋光處理后利用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕。高錳鋼試樣沖擊表面的精細(xì)微觀組織利用JEM-2010型透射電子顯微鏡進(jìn)行觀察，首先利用砂紙將試樣磨至30 μm，然后利用精密離子減薄系統(tǒng)(Gatan)減薄制備薄區(qū)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 初始組織狀態(tài)

圖2給出了不同狀態(tài)高錳鋼在沖擊磨料磨損試驗(yàn)前位于沖擊表面的金相組織照片。從圖中可以看出，高錳鋼經(jīng)水韌處理后獲得了較為均勻的奧氏體組織狀態(tài)，其平均晶粒尺寸為179±20 μm，如圖2(a)所示。經(jīng)爆炸硬化處理后，高錳鋼的奧氏體晶粒并沒有發(fā)生明顯的變形，但奧氏體晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了大量的變形帶結(jié)構(gòu)(圖2(b)～2(d))，這是由于在爆炸硬化過程中，瞬間產(chǎn)生的沖擊波誘發(fā)高錳鋼晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了大量的位錯(cuò)和孿晶結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的。隨著爆炸硬化次數(shù)不斷增加，奧氏體晶粒內(nèi)部變形帶的數(shù)量不斷增多。

圖3給出了不同狀態(tài)高錳鋼試樣在沖擊磨料磨損試驗(yàn)前的截面硬度分布情況。從圖中可以看出，高錳鋼經(jīng)水韌處理后，其基體硬度約為225 HV。經(jīng)過爆炸硬化處理后，高錳鋼試樣的硬度升高，并且隨著爆炸硬化次數(shù)的增加，高錳鋼的硬化程度越高。經(jīng)1次爆炸硬化處理后，高錳鋼沖擊試樣的表面硬度為321 HV，在深度為5 mm的范圍內(nèi)，硬度下降較快，當(dāng)深度超過5 mm后，硬度降低逐漸趨于平緩。在距離沖擊表面20 mm的位置，爆炸硬化1次試樣的硬度接近基體硬度。爆炸硬化2次處理后，高錳鋼沖擊試樣的表面硬度增大到409 HV，其硬度變化趨勢(shì)與爆炸硬化1次試樣相近，在距離沖擊表面20 mm的深度處，硬度值為260 HV。當(dāng)爆炸硬化次數(shù)增加到3次時(shí)，高錳鋼沖擊試樣的表面硬度值進(jìn)一步增大至432 HV，雖然表面硬度較爆炸硬化2次的試樣升高不多，但其硬度降低趨勢(shì)更為平緩，并且，在距離沖擊表面20 mm的深度處，其硬度高達(dá)314 HV。在爆炸硬化過程中，爆炸產(chǎn)生的沖擊波作用在高錳鋼基體上，并誘發(fā)產(chǎn)生大量位錯(cuò)和孿晶，從而引起硬化效應(yīng)[15-16]。因此，隨著爆炸次數(shù)的增多，高錳鋼的表面硬度不斷升高，這與圖2高錳鋼中變形帶數(shù)量隨爆炸次數(shù)增加而增多的趨勢(shì)是一致的。值得注意的是，3種爆炸硬化試樣的硬度測(cè)試起點(diǎn)為沖擊表面，即圖1中的圓弧最低點(diǎn)，而非爆炸硬化表面，因此，截面硬度分布較直接爆炸硬化處理后的高錳鋼更加緩和[15]。

2.2 沖擊磨料磨損特性

磨損率是表征材料耐磨性能的重要指標(biāo)，磨損率越小則表示耐磨性越優(yōu)異。在沖擊磨料磨損試樣中，磨損率=磨損失重/上下試樣接觸時(shí)間。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了不同狀態(tài)高錳鋼在沖擊功為2 J和4 J作用下的磨損率變化情況，如圖4所示。對(duì)于同一狀態(tài)下的高錳鋼而言，沖擊功為2 J條件下的磨損率要遠(yuǎn)小于沖擊功為4 J下的磨損率。在不同的沖擊功條件下，高錳鋼試樣的磨損率隨爆炸硬化次數(shù)的變化也不盡相同。當(dāng)沖擊功為2 J時(shí)，水韌處理狀態(tài)高錳鋼試樣的磨損率最大，隨著爆炸硬化次數(shù)的增多，高錳鋼試樣的磨損率逐漸減少，即高錳鋼的初始硬度越高，其耐磨性越好，這一結(jié)果與常規(guī)材料的耐磨性規(guī)律一致[9]。當(dāng)沖擊功進(jìn)一步增大到4 J時(shí)，高錳鋼試樣整體的磨損率較沖擊功2 J條件下大幅提高。在該沖擊功條件下，爆炸硬化1次高錳鋼試樣的磨損率最小，獲得了最佳的耐磨性能，而水韌處理狀態(tài)高錳鋼試樣的磨損率最大，爆炸硬化2次和3次的高錳鋼試樣的磨損率基本相同。以上試驗(yàn)結(jié)果說明，在不同的沖擊功條件下，高錳鋼均存在一種較為理想的硬化狀態(tài)可以獲得最佳的耐磨性能。

對(duì)不同狀態(tài)高錳鋼試樣在沖擊磨料磨損試驗(yàn)過程中的表面硬度演變進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，在沖擊功為2 J條件下，高錳鋼沖擊試樣表面的飽和硬度約為495 HV(圖5(a))，而在沖擊功4 J條件下，其飽和硬度約為535 HV(圖5(b))。從高錳鋼沖擊試樣表面的硬化速率來看，在相同的沖擊時(shí)間里，水韌處理狀態(tài)高錳鋼的硬化速率最大。這是因?yàn)?，水韌處理高錳鋼在沖擊試驗(yàn)前基體上僅存在少量自由位錯(cuò)[17]，在變形初期，其基體上會(huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和形變孿晶，而預(yù)硬化高錳鋼在沖擊試驗(yàn)前基體上已經(jīng)存在了高密度的位錯(cuò)和形變孿晶結(jié)構(gòu)，在一定程度上抑制了高錳鋼的進(jìn)一步硬化[17]。但是，由于水韌處理高錳鋼試樣的初始硬度較低，每個(gè)沖擊功條件下，試樣表面達(dá)到飽和硬度值所需的時(shí)間最長(zhǎng)。

當(dāng)沖擊功為2 J時(shí)，高錳鋼沖擊試樣表面的初始硬度越高，其達(dá)到飽和硬度值所需要的時(shí)間越短，水韌處理高錳鋼為30 min，而爆炸硬化3次高錳鋼為10 min。在這種硬度級(jí)別和硬化速率的條件下，高錳鋼表現(xiàn)出的耐磨性能與爆炸硬化次數(shù)成正比，即爆炸硬化3次高錳鋼試樣的耐磨性能最佳，而水韌處理高錳鋼試樣的耐磨性能最差(圖4)。當(dāng)沖擊功為4 J時(shí)，在沖擊載荷作用15 min后，所有狀態(tài)的沖擊試樣表面均達(dá)到了飽和硬度值。在高沖擊功作用下，由于高錳鋼試樣表面受到的應(yīng)力應(yīng)變急速增大，其優(yōu)異的加工硬化特性被充分表現(xiàn)出來[8-9]，因此，即使是水韌處理高錳鋼試樣表面也在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到了飽和硬度值(圖5(b))。然而，從最終表現(xiàn)出的耐磨性能來看，爆炸硬化1次處理的高錳鋼試樣表現(xiàn)出了最佳的耐磨性能(圖4)。在沖擊磨料磨損試驗(yàn)后期，由于不同狀態(tài)的高錳鋼試樣表面均達(dá)到飽和硬度值，其磨損性能不會(huì)出現(xiàn)明顯的差異，因此，本研究重點(diǎn)對(duì)沖擊磨料磨損試驗(yàn)10 min后的樣品狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比觀察，以解釋爆炸硬化1次高錳鋼試樣獲得最佳耐磨性能的原因。

對(duì)不同狀態(tài)高錳鋼在沖擊功4 J條件下作用10 min后試樣表面的精細(xì)組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，水韌處理高錳鋼經(jīng)沖擊作用10 min后，其表面產(chǎn)生了高密度的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和平行分布的形變孿晶結(jié)構(gòu)(圖6(a))，而經(jīng)過爆炸預(yù)硬化處理后的高錳鋼試樣在沖擊作用10 min后，其基體上除了高密度的位錯(cuò)外，還存在大量相互交叉的形變孿晶，并且，爆炸次數(shù)越多，交叉形變孿晶出現(xiàn)的頻率越高(圖6(b)～6(d))。在高錳鋼的塑性變形過程中，滑移系統(tǒng)啟動(dòng)的應(yīng)力/應(yīng)變臨界值要遠(yuǎn)小于孿生系統(tǒng)，因此在塑性變形初期，高錳鋼的變形機(jī)理主要以位錯(cuò)滑移為主[18]。隨著塑性應(yīng)變的不斷積累，局部應(yīng)力不斷增大并達(dá)到孿晶形成的臨界應(yīng)力后，處于最優(yōu)取向的孿生系統(tǒng)開動(dòng)，形成一次形變孿晶。當(dāng)局部應(yīng)力進(jìn)一步增大時(shí)，處于次優(yōu)取向的孿生系統(tǒng)也開始啟動(dòng)，產(chǎn)生2次孿晶甚至3次孿晶[19]。爆炸硬化處理會(huì)在高錳鋼基體上引入大量的位錯(cuò)和形變孿晶[15-16]，因此，相比于水韌處理高錳鋼，在相同的后續(xù)受力條件下，爆炸硬化高錳鋼的應(yīng)變/應(yīng)力狀態(tài)更容易滿足激活2個(gè)或多個(gè)孿生系統(tǒng)的條件(圖6(b)～6(d))。在這種組織狀態(tài)下，4 J沖擊功作用10 min后，沖擊試樣的表面硬度會(huì)隨著爆炸硬化次數(shù)的增多而提高(圖5(b))。

圖7給出了沖擊功為4 J時(shí)不同狀態(tài)高錳鋼試樣沖擊作用10 min后的表面形貌。對(duì)于水韌處理高錳鋼而言，其磨料磨損試驗(yàn)后的表面主要表現(xiàn)為顯微切痕、鑿坑和剝落(圖7(a))，較深的顯微切痕和鑿坑會(huì)引起較大的磨損失重并導(dǎo)致耐磨性較低[20]，因此水韌處理高錳鋼試樣在4 J沖擊功條件下的磨損率最大，耐磨性最差(圖4)。經(jīng)過一次爆炸硬化處理后，高錳鋼試樣的初始表面硬度較水韌處理狀態(tài)試樣大幅提高，其磨損表面的切痕也變淺(圖7(b))，耐磨性有所提高(圖4)。當(dāng)進(jìn)一步增加爆炸硬化次數(shù)后，高錳鋼試樣的表面硬度提高，磨損表面的顯微切痕顯著減少，但是由硬化帶來的脆化效應(yīng)，使得爆炸硬化2次和3次的高錳鋼試樣的磨損表現(xiàn)主要以較大尺寸的疲勞剝落為主(圖7(c)和7(d))，這種磨損形貌也會(huì)造成磨損性能的降低[20]。因此，在沖擊功為4 J時(shí)，爆炸硬化1次高錳鋼試樣的耐磨性最佳，爆炸硬化2次和3次的高錳鋼試樣次之，水韌處理高錳鋼試樣最差(圖4)。

4 結(jié)論

1) 在沖擊磨料磨損試驗(yàn)中，當(dāng)沖擊功為2 J時(shí)，高錳鋼的耐磨性隨著表面初始硬度的增大而提高，爆炸硬化3次的高錳鋼耐磨性最佳，而水韌處理高錳鋼的耐磨性最差。

2) 當(dāng)沖擊功為4 J時(shí)，爆炸硬化1次高錳鋼的耐磨性最佳，爆炸硬化2次和3次的高錳鋼次之，水韌處理高錳鋼最差。

3) 在2個(gè)沖擊功條件下，水韌處理高錳鋼試樣表面的硬化速率最大。沖擊功為2 J時(shí)，初始硬度越高，試樣表面達(dá)到飽和硬度值所需時(shí)間越短；沖擊功為4 J時(shí)，由于高應(yīng)力和大應(yīng)變的作用，不同狀態(tài)高錳鋼試樣表面達(dá)到飽和硬度值所需時(shí)間基本相同。

4) 在高沖擊功作用下，過高的初始硬度會(huì)帶來高錳鋼試樣表面脆化，惡化其沖擊磨料磨損性能，因此，適當(dāng)?shù)某跏加捕仁潜ＷC高錳鋼獲得優(yōu)異耐磨性的關(guān)鍵。