爆炸硬化處理對(duì)mn1hcr2高錳鋼的影響

爆炸硬化處理對(duì)mn1hcr2高錳鋼的影響

爆炸硬化利用炸藥爆炸立即產(chǎn)生的高能量聲波影響了待爆零件，提高了工作效率，廣泛用于鐵路、礦山、機(jī)械等材料的硬化處理。爆炸硬化使高錳鋼的表面和一定深度范圍內(nèi)產(chǎn)生硬化效果,進(jìn)而改善其耐磨性,延長(zhǎng)工件的使用壽命。爆炸硬化工藝、硬化機(jī)制和理論研究已取得一定的成果。但對(duì)經(jīng)爆炸硬化處理后高錳鋼工件的耐磨性研究鮮有報(bào)道。本文作者分別采用玻璃砂和鵝卵石為磨料,對(duì)比研究了爆炸處理前、后高錳鋼的沖擊磨粒磨損性能,以探討爆炸硬化對(duì)高錳鋼沖擊磨損性能的影響,為深入研究爆炸硬化后高錳鋼在沖擊載荷下的磨損行為及其應(yīng)用提供參考。1試驗(yàn)材料和方法1.1化學(xué)成分的特性試驗(yàn)用高錳鋼的化學(xué)成分和爆炸前、后高錳鋼的機(jī)械性能分別如表1、表2所示。爆前高錳鋼的化學(xué)成分與硬度符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T5680-1998。按GB229-84規(guī)定測(cè)定爆前、爆后高錳鋼的沖擊韌性,沖擊韌性試樣尺寸10mm×10mm×55mm,開(kāi)U型缺口,深為2mm,爆前高錳鋼的沖擊韌性測(cè)量結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T5680-1998。1.2試驗(yàn)條件和方法沖擊磨損實(shí)驗(yàn)在MLD-10型動(dòng)載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。沖錘質(zhì)量為10kg。選取的沖擊功為0.5、1.0和2.0J,對(duì)應(yīng)沖錘落體高度為5、10和20mm。上試樣尺寸為10mm×10mm×30mm,用線切割方法加工而成。下試樣45#鋼經(jīng)過(guò)淬火處理,硬度為HRC54左右。試驗(yàn)時(shí),下試樣以200r/min速度旋轉(zhuǎn),上試樣以200次/min的頻率沖擊下試樣,磨料以350mL/min的流量流入兩試樣之間。磨料分別為玻璃砂和鵝卵石,粒度為1～3mm,其中玻璃砂硬度為HV540.0,鵝卵石硬度為HV1237.0。每個(gè)試樣磨損試驗(yàn)時(shí)間為60min。上試樣裝機(jī)前后均用乙醇溶液清洗,在精度為0.1mg的TG328B分析天平上測(cè)量磨損試樣的磨損失重。以3個(gè)試樣磨損失重的平均值作為爆炸前后高錳鋼試樣在相同磨損條件下的磨損量。沖擊耐磨性以磨損量倒數(shù)的1000倍計(jì)算。相對(duì)耐磨性的計(jì)算方法是:定義標(biāo)準(zhǔn)試樣,將其沖擊耐磨性看作1.0,則檢測(cè)試樣的相對(duì)耐磨性按下式計(jì)算:ε=M0/Mi式中:ε為檢測(cè)試樣的相對(duì)耐磨性;M0為標(biāo)準(zhǔn)試樣的磨損量,mg;Mi為檢測(cè)試樣的磨損量,mg。試樣的顯微組織和磨損表面形貌用JSM-5160LV型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。磨損表面部分區(qū)域用能譜儀進(jìn)行EDX成分分析。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1石墨球的預(yù)處理及沖擊耐磨性試驗(yàn)沖擊磨料磨損試驗(yàn)過(guò)程中,以玻璃砂與鵝卵石為磨料,在不同沖擊功的條件下,爆炸硬化前、后高錳鋼磨損量、沖擊耐磨性及相對(duì)耐磨性的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、表4。2.2高錳鋼沖擊耐磨性與沖擊功比根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果繪制出耐磨性與沖擊功的關(guān)系如圖1所示。由表3、圖1(a)可知,以玻璃砂為磨料:(1)在試驗(yàn)條件下,爆炸硬化使高錳鋼的沖擊耐磨性較爆提高20%～40%;(2)爆炸硬化前、后高錳鋼的沖擊耐磨性隨著沖擊功的增大均先下降后升高,其中沖擊功為1.0J時(shí)沖擊耐磨性最低,沖擊功為2.0J時(shí),沖擊耐磨性最高;(3)沖擊功為2.0J時(shí),爆后高錳鋼的沖擊耐磨性較爆前高錳鋼提高40%,耐磨性最高。而在0.5J、1.0J沖擊功下,爆后高錳鋼沖擊耐磨性較爆前高錳鋼提高20%。因此,以玻璃砂為磨料磨損時(shí),在研究的沖擊功范圍內(nèi),爆炸硬化提高了高錳鋼的沖擊耐磨性。由表4、圖1(b)可知,以鵝卵石為磨料:(1)在沖擊功低于1.7J時(shí),爆炸硬化提高高錳鋼的沖擊耐磨性。沖擊功為0.5J與1.0J時(shí),爆炸硬化后高錳鋼的沖擊耐磨性較爆前高錳鋼提高30%～50%;(2)爆炸硬化前、后高錳鋼的沖擊耐磨性隨著沖擊功的增大均呈下降趨勢(shì),沖擊功為0.5J時(shí),爆炸硬化前、后高錳鋼的沖擊耐磨性均為最高值;(3)爆前高錳鋼的沖擊耐磨性在沖擊功為0.5～1.0J之間大幅下降,沖擊功大于1.0J后,爆前高錳鋼的沖擊耐磨性小幅下降,爆炸硬化后高錳鋼沖擊耐磨性隨沖擊功的增大而大幅下降。沖擊功大于1.7J時(shí),爆后高錳鋼的耐磨性低于爆前高錳鋼。沖擊功為2.0J時(shí),爆炸硬化后高錳鋼的耐磨性是硬化前的80%。因此,以高硬度的鵝卵石為磨料磨損時(shí),爆后高錳鋼宜用于低沖擊功的工況條件,而不宜在高沖擊功的工況條件下使用。2.3高錳鋼沖擊耐磨性玻璃砂硬度為HV540.0,鵝卵石硬度為HV1237.0。將表3、表4中以玻璃砂為磨料、爆前高錳鋼的沖擊磨損量記為Ma,爆后高錳鋼的沖擊磨損量記為Mb,鵝卵石為磨料、爆前高錳鋼的沖擊磨損量記為Mc,鵝卵石為磨料、爆后高錳鋼的沖擊磨損量記為Md,并令εc=Ma/Mc,εd=Mb/Md,即在以玻璃砂為磨料條件下的爆前高錳鋼為標(biāo)準(zhǔn)試樣時(shí),εc表示以鵝卵石為磨料時(shí)爆前高錳鋼的相對(duì)耐磨性;在以玻璃砂為磨料條件下的爆后高錳鋼為標(biāo)準(zhǔn)試樣時(shí),εd表示以鵝卵石為磨料時(shí)爆后高錳鋼的相對(duì)耐磨性。根據(jù)表3、4可繪制出如圖2所示的沖擊功與相對(duì)耐磨性的關(guān)系圖。由上述定義及圖2可知:(1)εc表示磨料硬度對(duì)爆炸硬化前高錳鋼沖擊耐磨性的影響:在以高硬度的鵝卵石為磨料的條件下,高錳鋼的耐磨性比以較低硬度的玻璃砂為磨料時(shí)高很多;εc的數(shù)值隨著沖擊功的增大而以一定速率下降;當(dāng)沖擊功由0.5J升高到2J時(shí),εc值由5.8降至3.3。(2)εd表示磨料硬度對(duì)爆炸硬化后高錳鋼沖擊耐磨性的影響:在以高硬度的鵝卵石為磨料的條件下,沖擊功的增大,εd的數(shù)值先略升高,然后大幅度降低;沖擊功低于1.7J時(shí),εd≥εc,即爆炸硬化提高高錳鋼的耐磨性;沖擊功低于1.0J時(shí),εd達(dá)到最高值;沖擊功高于1.7J時(shí),εd≤εc,即爆炸硬化降低高錳鋼的耐磨性。由上述圖表可知,在試驗(yàn)范圍內(nèi),在以低硬度的玻璃砂為磨料時(shí),爆炸硬化能提高20%～40%的沖擊耐磨性。但在以高硬度的鵝卵石為磨料的條件下,只宜用于沖擊功低于1.7J的工況條件。2.4爆前、爆后高錳鋼磨損形貌及能譜分析圖3為以玻璃砂為磨料,不同沖擊功下爆前、爆后高錳鋼磨損表面的掃描電鏡形貌圖。其中,對(duì)圖3(b)中A處進(jìn)行能譜分析表明,其白色嵌入物質(zhì)均為玻璃砂磨料(圖4(a))。由圖3可得以玻璃砂為磨料下,爆前、爆后高錳鋼磨損形貌、嵌入物數(shù)量及產(chǎn)生原因如表5所示。圖5(d)為以鵝卵石為磨料,不同沖擊功下爆前、爆后高錳鋼的磨損形貌圖。其中,對(duì)圖5(a)中B處進(jìn)行能譜分析表明,其白色嵌入物質(zhì)均為鵝卵石磨料(圖4(b))。由圖5可得以鵝卵石為磨料下,爆前、爆后高錳鋼磨損形貌、嵌入物數(shù)量及產(chǎn)生原因如表6所示?？v觀所有磨損形貌可看出:在相同沖擊功條件下,以玻璃砂為磨料,高錳鋼表面磨損形成分布密集、深而寬的鑿削坑、剝落坑和劃痕,部分高錳鋼出現(xiàn)大塊剝落;以鵝卵石為磨料,高錳鋼磨損面出現(xiàn)較以玻璃砂為磨料時(shí)明顯淺而窄、分布斷續(xù)的鑿削坑、劃痕和剝落坑,磨損面未出現(xiàn)大塊剝落,耐磨性遠(yuǎn)高于以玻璃砂為磨料的高錳鋼。3機(jī)制分析3.1高錳鋼沖擊耐磨性爆炸硬化是靠炸藥爆轟與金屬表面的相互作用在金屬表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波,這種高密度的沖擊波在金屬中傳播,使金屬晶格發(fā)生扭曲,改變金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu),使表面和深層金屬的硬度得到大幅度提高。從試驗(yàn)結(jié)果可知,爆炸硬化大幅度提高了金屬表面和一定深度范圍內(nèi)的硬度(圖6),但同時(shí)也降低了金屬表層及一定深度范圍內(nèi)的韌性(圖7)。爆后高錳鋼在以玻璃砂為磨料磨損條件下使用,可提高高錳鋼沖擊耐磨性。對(duì)此可解釋如下:在相同沖擊功、低硬度磨料條件下,高錳鋼的加工硬化能力較高硬度磨料磨損時(shí)難以發(fā)揮,但爆炸硬化大幅提高了高錳鋼的表面硬度,可彌補(bǔ)其使用初期不能快速加工硬化,導(dǎo)致表面硬度低的問(wèn)題,明顯提高高錳鋼的沖擊耐磨性。以鵝卵石為磨料,沖擊功小于1.7J時(shí),爆后高錳鋼的沖擊耐磨性高于爆前高錳鋼。可按小能量多沖理論來(lái)解釋此現(xiàn)象:在高硬度磨料磨損時(shí),低沖擊功(<1.5J)下的磨料磨損,材料抗疲勞剝落性能主要取決于材料的強(qiáng)度(或硬度);在高沖擊功(>1.5J)下,材料多沖抗力的指標(biāo)是材料的韌性。爆炸硬化大幅度提高了高錳鋼表層及一定深度的硬度,因此在低沖擊功下磨損時(shí),爆后高錳鋼表面的高硬度可彌補(bǔ)爆前高錳鋼不能快速加工硬化導(dǎo)致表面硬度低的問(wèn)題,提高高錳鋼的沖擊耐磨性。沖擊功大于1.7J后,決定高錳鋼沖擊耐磨性的主要指標(biāo)由硬度轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性,爆炸硬化在大幅升高高錳鋼表面硬度的同時(shí),也急劇降低了其韌性,而低于爆前高錳鋼,因此沖擊功大于1.7J后,爆后高錳鋼的沖擊耐磨性低于爆前高錳鋼。由此可見(jiàn),爆炸硬化使高錳鋼表層硬化和沖擊韌性降低是沖擊耐磨性發(fā)生變化的主要原因。3.2試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)由試驗(yàn)結(jié)果可知:在試驗(yàn)研究的范圍內(nèi),相同的沖擊載荷條件下,在高硬度磨料作用較低硬度磨料作用更能使高錳鋼迅速的加工硬化,沖擊耐磨性更高,因此以鵝卵石為磨料下高錳鋼的沖擊耐磨性成倍的高于以玻璃砂為磨料的高錳鋼。這是因?yàn)樵谙嗤瑳_擊功條件下,高硬度磨料較低硬度磨料對(duì)高錳鋼的擠壓作用更強(qiáng),對(duì)高錳鋼作用產(chǎn)生的應(yīng)力作用更大。眾所周知,塑變是高錳鋼加工硬化的宏觀機(jī)制。在應(yīng)力水平較低的環(huán)境下,塑變僅對(duì)應(yīng)滑移帶出現(xiàn),塑變區(qū)域也較小,宏觀上表現(xiàn)為硬化特征不明顯,抗磨損能力不高。在大應(yīng)力作用下,受力區(qū)域晶粒發(fā)生嚴(yán)重塑變,產(chǎn)生晶粒扭歪,滑移帶彎曲等行為,產(chǎn)生塑變的區(qū)域大,這些區(qū)域除了本身獲得較強(qiáng)硬化外,亦作為硬質(zhì)區(qū)域分布在表面抑制附近區(qū)域的塑變從而加速硬化過(guò)程。塑變區(qū)域越大,高錳鋼的加工硬化能力發(fā)揮得越快、越充分,宏觀上表現(xiàn)出的抗磨損性能越好。因此在試驗(yàn)研究的范圍內(nèi),爆后高錳鋼在以下沖擊磨損條件下使用可提高其沖擊耐磨性:(1)低硬度磨料(玻璃砂)下磨損;(2)高硬度磨料(鵝卵石)、沖擊功小于1.7J下磨損。4高錳鋼沖擊耐磨性分析在試驗(yàn)條件下,可得出以下結(jié)論:(1)在低硬度磨料(玻璃砂)沖擊磨損的條件下,爆炸硬化使高錳鋼的沖擊耐磨性提高20%～40%。當(dāng)沖擊功為2.0J時(shí),爆后高錳鋼的耐磨性為2.3,為3種沖擊功條件下的最大值。(2)在高硬度磨料(鵝卵石)沖擊磨損的條件下,沖擊功小于1.7J,爆炸硬化使高錳鋼的沖擊耐磨性提高30%～50%。當(dāng)沖擊功為0.5J時(shí),爆后高錳鋼的沖擊耐磨性