水韌處理對TiC基高錳鋼結(jié)合金組織與性能的影響

1、水韌處理對TiC基高錳鋼結(jié)合金組織與性能的影響摘 要：系統(tǒng)研究了水韌處理對TiC基高錳鋼結(jié)合金力學性能的影響，并通過分析合金在處理前后顯微組織構(gòu)造和微區(qū)成分的變化闡述了其中的內(nèi)在關(guān)系.經(jīng)過1 050 6 h水韌處理后，真空燒結(jié)試樣的抗彎強度和沖擊韌性分別進步154.6%和125.3%；對低壓燒結(jié)試樣那么分別進步61.81%和45.38%；對真空燒結(jié)+低壓燒結(jié)試樣也分別進步65.59%和32.90%.研究結(jié)果說明，水韌處理可以顯著進步燒結(jié)態(tài)TiC基高錳鋼結(jié)合金的抗彎強度和沖擊韌性.因此，對燒結(jié)態(tài)TiC基鋼結(jié)合金進展水韌處理或者高溫成分均勻化熱處理非常必要，有利于充分發(fā)揮其性能潛力.關(guān)鍵詞：鋼結(jié)硬

2、質(zhì)合金；水韌處理；力學性能；顯微組織中圖分類號：TG148 文獻標識碼：AAbstract：The effect of water toughening treatment on mechanical properties of high manganese steel bonded TiC hard alloy was systemically investigated， and the microstructure and element distribution of the alloy before and after the treatment were also evaluated

3、 by SEM and EDS in order to understand the internal relationship with its properties. The bending strength and impact toughness of high manganese steel bonded TiC hard alloy by normal vacuum sintering were increased by 154.6% and 125.3%， but those of low pressure sintering specimens were increased b

4、y 61.81% and 45.38%， and 65.59% and 32.90% for vacuum and low pressure sintering specimens， respectively. The results revealed that water toughening treatment could effectively improve the bending strength and impact toughness of the steel bond hard alloy. Assintered steelbonded TiC hard alloy shoul

5、d be heating treated by water toughening treatment or high temperature homogenizing treatment for better mechanical properties.Key words：steel bond hard alloy； water toughening treatment； mechanical property； microstructure根底研究，進一步進步合金的強韌度是非常必要的.TiC基高錳鋼結(jié)合金中基體高錳鋼的性能在很大程度上決定了合金的韌性和耐沖擊性能，而進步普通鑄造高錳鋼性能的標

6、準工藝方法是進展水韌處理2.即首先將高錳鋼加熱至奧氏體區(qū)溫度并保溫一段時間，使鑄態(tài)組織中的碳化物根本上都固溶到奧氏體中，然后淬入水中快速冷卻，從而得到單一的過冷奧氏體組織3-4.這種高錳奧氏體在強沖擊磨料磨損的條件下可以有效地自主強硬化，表現(xiàn)出很好的耐磨性能5-9.作者至今未見對TiC基高錳鋼結(jié)合金進展水韌處理的研究工作報道，因此，作者決定對TiC基高錳鋼結(jié)合金開展水韌處理根底研究，探究水韌處理對硬質(zhì)合金組織和性能的影響.1 實驗方案和方法實驗用TiC基高錳鋼結(jié)合金耐磨塊由國內(nèi)某廠消費，牌號為TM52，其主要成分見表1.耐磨塊的尺寸為：55 mm47 mm60 mm，在高度方向上帶有3的錐度.

7、耐磨塊分別采用4種工藝方法消費：1 常規(guī)壓制+真空燒結(jié)標記為A類；2 常規(guī)壓制+低壓燒結(jié)10標記為B類；3 常規(guī)壓制+真空燒結(jié)+低壓燒結(jié)標記為C類；4 常規(guī)壓制+真空燒結(jié)+熱等靜壓11標記為D類.TiC基高錳鋼結(jié)合金耐磨塊的加熱在SXX413型電阻爐中進展，水韌處理溫度選取1 050 ；耐磨塊在1 050 保溫6 h后進展水淬處理，冷水溫度在30 以下.詳細的水韌處理工藝如圖1所示.對水韌處理前后的耐磨塊分別進展抗彎強度和沖擊韌性測試.抗彎強度和沖擊韌性檢測標準試樣的尺寸均為5 mm5 mm50 mm，首先通過線切割+外表磨削M行加工，然后分別在WDW100型電子萬才能學試驗機和JB5型沖擊試

8、驗機上進展測量，每個實驗數(shù)據(jù)均采用3次測試結(jié)果的平均值.采用HBRVU187.5型布洛維光學硬度計進展硬度測量，每個實驗數(shù)據(jù)均采用5次測試結(jié)果的平均值.采用401MVA型顯微維氏硬度計測量鋼結(jié)合金的顯微硬度，每個實驗數(shù)據(jù)均采用3次測試結(jié)果的平均值；采用JXA8230型電子探針顯微分析儀分析合金中詳細元素的分布情況，采用FEI QUANTA 200型環(huán)境掃描電鏡SEM對水韌處理前后的鋼結(jié)合金顯微組織進展觀察及分析，并利用該電鏡自帶能譜分析儀對燒結(jié)樣品的成分及元素分布變化開展分析；用D8advance型X射線衍射儀XRD，Cu靶，=0.154 05 nm分析水韌處理前后基體高錳鋼的物相變化. 2

9、實驗結(jié)果與分析2.1 水韌處理對TiC基高錳鋼結(jié)合金力學性能的影響可以充分致密化，而且燒結(jié)時間相比照擬短，因此強度最高.A類耐磨塊強度低于標準說明該廠消費的耐磨塊可能存在殘留孔隙偏高、集中性大孔隙、環(huán)狀顯微構(gòu)造、相界面結(jié)合較弱和成分分布不均勻等缺陷.在C類和D類耐磨塊的消費中雖然采用了低壓燒結(jié)和熱等靜壓工藝，但是，由于顯微組織受到前期真空燒結(jié)的影響，因此強度指標不能成為最正確.經(jīng)過水韌處理之后，各類耐磨塊的抗彎強度均有很大程度的進步，互相之間的強度差距明顯縮小.其中A類耐磨塊的抗彎強度進步了154.57%，B類耐磨塊的抗彎強度進步了61.81%，C類耐磨塊的抗彎強度進步了65.59%.水韌處理

10、對鋼結(jié)合金強度的提升產(chǎn)生顯著的作用，應該是高溫保溫改善了合金中的成分分布均勻性，并促進了TiC硬質(zhì)相與高錳鋼基體的界面結(jié)合.此外，經(jīng)過綜合比照水韌處理強化的強度指標可以發(fā)現(xiàn)，影響TiC基鋼結(jié)合金強度的主要因素是硬質(zhì)相與黏接相的界面結(jié)合強弱和合金成分的均勻性.TiC硬質(zhì)相與基體黏接相的潤濕性差，在真空條件下二者的潤濕角為103012，因此，界面結(jié)合比較差.水韌處理時耐磨塊在1 050 保溫6 h，可以改善界面的成分分布，促進TiC顆粒與基體的界面互相溶解、擴散，增強了TiC硬質(zhì)相與高錳鋼基體的界面結(jié)合，使得強度顯著進步.由表3可知，雖然經(jīng)過水韌處理之后各類耐磨塊的沖擊韌性獲得了比較明顯的進步，但

11、是總體的沖擊韌性指標都比較低.沖擊韌性反映了材料在動載荷作用下內(nèi)部裂紋形成的難易和擴展的快慢.它與材料的顯微組織構(gòu)造、硬質(zhì)相分布的均勻性、殘留孔隙數(shù)量與分布、界面結(jié)合強度和成分分布等因素都存在關(guān)聯(lián)13.經(jīng)過水韌處理后界面結(jié)合強度和成分分布得到了改善，而低壓燒結(jié)和熱等靜壓可以有效減少和消除殘留孔隙.該廠消費的耐磨塊沖擊韌性低的原因應歸結(jié)于顯微組織構(gòu)造和硬質(zhì)相分布均勻性不理想.因此，水韌處理是可以顯著改善TiC基高錳鋼結(jié)合金力學性能的熱處理方法，特別是對采用普通真空燒結(jié)方法消費的這類鋼結(jié)合金價值更高.可以大幅改善合金的抗彎強度和沖擊韌性.2.2 水韌處理對TiC基鋼結(jié)合金物相組成的影響為了分析水韌

12、處理使TiC基高錳鋼結(jié)合金強韌化的原因，作者分析了水韌處理前后鋼結(jié)合金物相組成的變化.圖2和圖3分別是采用真空燒結(jié)和低壓燒結(jié)消費的耐磨塊的XRD檢測圖譜.由圖可知，TiC基高錳鋼結(jié)合金主要由硬質(zhì)相TiC和黏結(jié)相奧氏體組成，基體中既沒有出現(xiàn)其他碳化物，也沒有生成鐵素體.通過比照水韌處理前后的XRD分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過水韌處理后，TiC的衍射峰根本上沒有發(fā)生變化，但是基體奧氏體的衍射峰產(chǎn)生了明顯的矮化和寬化現(xiàn)象.水韌處理的機理是首先通過高溫固溶使得高i鋼基體中的Mn， C， Ni和Mo元素盡量溶入高溫奧氏體中，然后借助水淬快冷將高溫奧氏體保存到常溫，防止冷卻過程中析出碳化物和鐵素體，從而得到過飽

13、和固溶的亞穩(wěn)定奧氏體組織.過飽和固溶使得奧氏體的衍射峰發(fā)生了寬化和矮化.綜合上述實驗結(jié)果和分析可以發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)態(tài)TiC基高錳鋼結(jié)合金的黏接相基體為奧氏體，而經(jīng)過水韌處理后可以使基體的過飽和度增加，并且合金元素分布更加均勻.2.3 水韌處理對TiC基鋼結(jié)合金顯微硬度的影響為了探究水韌處理改善TiC基高錳鋼結(jié)合金強度的原因，作者選擇真空燒結(jié)耐磨塊為對象，對其水韌處理前后的顯微硬度進展了分析檢測，檢測結(jié)果見表4.由表中數(shù)據(jù)可以看出，在水韌處理前，在TiC基鋼結(jié)合金的顯微組織中按照TiC大顆粒TiC中小顆粒聚集區(qū)TiC顆粒邊緣的基體高錳鋼基體的順序，顯微硬度依次降低；其中，基體的顯微硬度明顯低于硬質(zhì)相，

14、而硬質(zhì)相邊緣的基體的硬度又明顯高于遠離TiC顆粒中心部位的基體，這說明在燒結(jié)過程中硬質(zhì)相與黏接相在界面周圍發(fā)生了比較強的互相作用，進展了互相溶解擴散，使得二者界面周圍的硬質(zhì)相和黏接相都發(fā)生了成分改變.水韌處理之后TiC大顆粒及其邊緣的顯微硬度根本不變，而TiC中小顆粒聚集區(qū)的顯微硬度進步幅度高達64%.此外，高錳鋼基體的顯微硬度進步了15%，說明在水韌處理的高溫加熱保溫過程中基體的成分均勻性獲得了改善.由上述顯微硬度檢測結(jié)果和分析可看出，水韌處理使得高錳鋼基體進一步得到強化，這是TiC基高錳鋼結(jié)合金在水韌處理后強度進步的重要原因之一.2.4 水韌處理前后TiC基高錳鋼結(jié)合金的EDS分析為從顯微

15、構(gòu)造上探究水韌處理改善TiC基鋼結(jié)合金強度和沖擊韌性的原因，作者對其水韌處理前后真空燒結(jié)耐磨塊的微區(qū)成分變化進展了EDS分析.選取的分析位置為：遠離TiC顆粒的基體內(nèi)部、硬質(zhì)相黏接相界面和TiC顆粒中心.EDS檢測位置和所獲得的結(jié)果見圖4與表5，及圖5與表6.由圖4中檢測位置的分析結(jié)果可知，在水韌處理前，雖然經(jīng)過了較長時間的高溫燒結(jié)，但是TiC硬質(zhì)相的中心部位除Ti和C外沒有其他元素存在，說明基體元素在硬質(zhì)相中的擴散非常緩慢.而在高錳鋼基體中心檢測出2.12%Ti，說明TiC在高錳鋼中的溶解和擴散速度相對而言要快得多；不過，在相界面附近的基體中檢測出的Ti高達13.67%，是基體中心Ti含量的

16、6.42倍.說明高錳鋼基體中存在明顯的Ti的濃度分布梯度，燒結(jié)過程不能使合金成分實現(xiàn)均勻分布.這不僅說明在燒結(jié)過程中硬質(zhì)相和黏接相在界面上發(fā)生了強烈的互相擴散，印證了在顯微硬度檢測中得到的TiC顆粒在相界面上與高錳鋼基體發(fā)生互相作用的推論，而且也解釋了界面附近基體的顯微硬度比中心部位更高的原因.另外一個值得注意的現(xiàn)象是在基體中沒有檢測出Mo元素.按照文獻1報道，在TiC基鋼結(jié)合金中參加Mo的主要作用之一是在硬質(zhì)相外表形成“包覆相Mo2C，從而起到在燒結(jié)過程中改善TiC與黏接相鋼基體的潤濕性的作用.Mo元素在真空燒結(jié)過程中發(fā)生了重新分布，偏聚在硬質(zhì)相外表，形成了包覆相. 與水韌處理之前相比，圖5

17、中TiC基高錳鋼結(jié)合金顯微組織檢測位置的EDS分析結(jié)果主要有兩個方面的變化.一方面在TiC顆粒的中心檢測到了Fe，Mn和Mo元素，說明水韌處理過程中的保溫進一步促進了TiC顆粒與基體的界面互相溶解、擴散作用，并使得這種作用的影響范圍擴展到整個硬質(zhì)相；另一方面，遠離硬質(zhì)相的基體中心和臨近硬質(zhì)相邊緣的基體相比，除了后者的Ti含量比前者高約41%之外，其他元素的含量幾乎一樣.說明經(jīng)過水韌處理中的長時間高溫保溫后基體成分獲得了比較充分的均勻化.這也解釋了水韌處理后基體的顯微硬度進步15%的原因.從所獲得的水韌處理前后樣品的EDS結(jié)果和上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在TiC基高錳鋼結(jié)合金的燒結(jié)過程中硬質(zhì)相和基體在相

18、界面處發(fā)生了強烈的互相作用，即溶解和互擴散.互相作用的結(jié)果是，一方面TiC顆粒的邊緣可以部分溶解到基體中，由于在燒結(jié)溫度下這種溶解比較強烈，所以在基體內(nèi)形成高的Ti元素濃度分布梯度，因此，可以使得其周圍的基體組織脆化，二者的相界面結(jié)合強度不理想，最終表現(xiàn)為燒結(jié)態(tài)TiC基高錳鋼結(jié)合金強度和韌性都不理想，在此過程中，Mo元素可以完成偏聚，在硬質(zhì)相外表形成包覆相.另一方面基體合金元素也可以在硬質(zhì)相中發(fā)生溶解和擴散，但是影響范圍非常有限，因為燒結(jié)時間相比照擬短，而且Fe和Mn等合金元素在TiC中的擴散溶解比較困難.在水韌處理中高溫保溫不能起到進一步強化硬質(zhì)相和基體界面互相溶解和擴散的作用，但是使得合金

19、中的元素分布得到了比較充分的均勻化，從而改善了相界面的結(jié)合，進而進步了基體高錳鋼的力學性能.因此，經(jīng)過水韌處理之后TiC基高錳鋼結(jié)合金的力學性能獲得明顯進步.3 結(jié) 論1對燒結(jié)TiC基高錳鋼結(jié)合金進展水韌處理可以有效進步其抗彎強度和沖擊韌性，其中又對真空燒結(jié)產(chǎn)品的效果最為顯著.2在TiC基高錳鋼結(jié)合金的燒結(jié)過程中硬質(zhì)相基體界面發(fā)生了強烈的互相溶解和擴散，使得基體中形成了高的Ti濃度分布梯度，不利于相界面的有效結(jié)合.3水韌處理進步TiC基高錳鋼結(jié)合金的力學性能不是通過進一步強化硬質(zhì)相基體的界面互相作用，而是因為改善其中元素分布均勻性，起到了優(yōu)化相界面結(jié)合的作用.4對燒結(jié)態(tài)TiC基鋼結(jié)合金應進展類

20、似于水韌處理的熱處理，以進一步改善其力學性能，充分發(fā)揮其作為優(yōu)質(zhì)耐磨材料的潛能.參考文獻1 范安平，肖平安，李晨坤，等.TiC基鋼結(jié)硬質(zhì)合金的研究現(xiàn)狀J.粉末冶金技術(shù)，2022，314：298-303.FAN Anping， XIAO Pingan， LI Chenkun， et al. Research situation of TiC base steel bonded carbideJ. Powder Metallurgy Technology， 2022，314：298-303.In Chinese2 吳霞，董志鑫，岳學慶. 高錳鋼的熱處理J. 熱處理技術(shù)與裝備，2022， 301：4

21、4-47.WU Xia， DONG Zhixin， YUE Xueqing. Heat treatment for high manganese steelJ. Heat Treatment Technology and Equipment， 2022， 301：44-47.In Chinese3 x敬仰，王文焱，李繼文，等. 耐磨奧氏體錳鋼M.北京：科學出版社，2022：172-178.XIE Jingpei， WANG Wenyan， LI Jiwen， et al. Wear resistant austenitic manganese steelM. Beijing： Science

22、Press， 2022：172-178.In Chinese4 馬壯，白晶.高錳鋼鑄件的直接水韌處理工藝J. 遼寧工程技術(shù)大學學報：自然科學版，2001， 203：352-354.MA Zhuang， BAI Jing. Direct water toughening treatment process of high manganese steel castingsJ. Journal of Liaoning Technical University： Natural Science， 2001， 203：352-354. In Chinese5 PETROV Y N， GAVRILJUK

23、V G， BERNS H， et al. Surface structure of stainless and Hadfield steel after impact wearJ. Wear， 2022， 2606： 687-691.6 LI Yongqiang， ZHU Lianchun， LIU Yao， et al. On the strain hardening and texture evolution in high manganese steels： experiments and numerical investigationJ. Journal of the Mechanic

24、s and Physics of Solids， 2022，6112：2588-2604.7 李小強， 陳火金，李子陽，等. WC增強Fe2Cu2Ni1Mo1C粉末冶金鋼的制備及其耐磨性能研究J.機械工程學報，2022， 4918： 57-62.LI Xiaoqiang， CHEN Huojin， LI Ziyang， et al. Study on manufacturing and wear resistance of WC reinforced Fe2Cu2Ni1Mo1C powder metallurgy steelJ. Journal of Mechanical Engineerin

25、g， 2022， 4918： 57-62. In Chinese 8 AKHTAR F， GUO S，F(xiàn)ENG P， et al. TiCmaraging stainless steel posite：microstructure，mechanical and wear propertiesJ.Rare Metals，2022， 256：630-635.9 楊瑞成， 師瑞霞， 王 暉，等. WC/ 鋼基復合材料奧氏體化后的硬化效應及微觀機理J.復合材料學報， 2002， 192： 41-44.YANG Ruicheng， SHI Ruixia， WANG Hui， et al. Hardening effects and micromechanisms of WC/steel matrix posites after Auste