水韌處理對TiC基高錳鋼結合金組織與性能的影響

肖平安　李晨坤　軒翠華　張霞　宋建勇

摘 要：系統研究了水韌處理對TiC基高錳鋼結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結構和微區成分的變化闡述了其中的內在關系.經過1 050 ℃×6 h水韌處理后，真空燒結試樣的抗彎強度和沖擊韌性分別提高154.6%和125.3%；對低壓燒結試樣則分別提高61.81%和45.38%；對真空燒結+低壓燒結試樣也分別提高65.59%和32.90%.研究結果表明，水韌處理能夠顯著提高燒結態TiC基高錳鋼結合金的抗彎強度和沖擊韌性.因此，對燒結態TiC基鋼結合金進行水韌處理或者高溫成分均勻化熱處理十分必要，有利于充分發揮其性能潛力.

關鍵詞：鋼結硬質合金；水韌處理；力學性能；顯微組織

中圖分類號：TG148 文獻標識碼：A

Abstract：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 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 by 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 should 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

TiC基高錳鋼結合金是以TiC為硬質相、高錳鋼為黏結相的一種優質抗沖擊耐磨材料，已在水泥、采礦、冶金、建筑、機械加工和鍋爐制造等行業獲得越來越廣泛的應用[1].據估算，我國水泥行業破碎用鑲鑄錘頭所需要的TiC基高錳鋼結硬質合金鑲塊的年產量已近1 000 t.因此，積極開展相應的基礎研究，進一步提高合金的強韌度是非常必要的.

TiC基高錳鋼結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，而提高普通鑄造高錳鋼性能的標準工藝方法是進行水韌處理[2].即首先將高錳鋼加熱至奧氏體區溫度并保溫一段時間，使鑄態組織中的碳化物基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能夠有效地自主強硬化，表現出很好的耐磨性能[5-9].作者至今未見對TiC基高錳鋼結合金進行水韌處理的研究工作報道，因此，作者決定對TiC基高錳鋼結合金開展水韌處理基礎研究，探索水韌處理對硬質合金組織和性能的影響.

1 實驗方案和方法

實驗用TiC基高錳鋼結合金耐磨塊由國內某廠生產，牌號為TM52，其主要成分見表1.耐磨塊的尺寸為：55 mm×47 mm×60 mm，在高度方向上帶有3°的錐度.耐磨塊分別采用4種工藝方法生產：1） 常規壓制+真空燒結（標記為A類）；2） 常規壓制+低壓燒結[10]（標記為B類）；3） 常規壓制+真空燒結+低壓燒結（標記為C類）；4） 常規壓制+真空燒結+熱等靜壓[11]（標記為D類）.

TiC基高錳鋼結合金耐磨塊的加熱在SXX413型電阻爐中進行，水韌處理溫度選取1 050 ℃；耐磨塊在1 050 ℃保溫6 h后進行水淬處理，冷水溫度在30 ℃以下.具體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行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 mm×5 mm×50 mm，首先通過線切割+表面磨削進行加工，然后分別在WDW100型電子萬能力學試驗機和JB5型沖擊試驗機上進行測量，每個實驗數據均采用3次測試結果的平均值.采用HBRVU187.5型布洛維光學硬度計進行硬度測量，每個實驗數據均采用5次測試結果的平均值.

采用401MVA型顯微維氏硬度計測量鋼結合金的顯微硬度，每個實驗數據均采用3次測試結果的平均值；采用JXA8230型電子探針顯微分析儀分析合金中具體元素的分布情況，采用FEI QUANTA 200型環境掃描電鏡（SEM）對水韌處理前后的鋼結合金顯微組織進行觀察及分析，并利用該電鏡自帶能譜分析儀對燒結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，λ=0.154 05 nm）分析水韌處理前后基體高錳鋼的物相變化.

2 實驗結果與分析

2.1 水韌處理對TiC基高錳鋼結合金力學性能的影響

表2和表3分別為采用不同制備工藝燒結的耐磨塊在水韌處理前后的抗彎強度和沖擊韌性檢測結果.由表2可知，在水韌處理之前B類耐磨塊的抗彎強度最高，而C類和D類耐磨塊的抗彎強度與之相近，都在2 000 MPa以上.但是A類耐磨塊的抗彎強度明顯低于其他方法制備的耐磨塊，也低于TM52的標準性能指標[12].直接通過低壓燒結制備耐磨塊，由于在壓力下燒結，能夠充分致密化，而且燒結時間相對比較短，因此強度最高.A類耐磨塊強度低于標準說明該廠生產的耐磨塊可能存在殘留孔隙偏高、集中性大孔隙、環狀顯微結構、相界面結合較弱和成分分布不均勻等缺陷.在C類和D類耐磨塊的生產中雖然采用了低壓燒結和熱等靜壓工藝，但是，由于顯微組織受到前期真空燒結的影響，因而強度指標不能成為最佳.

經過水韌處理之后，各類耐磨塊的抗彎強度均有很大程度的提高，相互之間的強度差距明顯縮小.其中A類耐磨塊的抗彎強度提高了154.57%，B類耐磨塊的抗彎強度提高了61.81%，C類耐磨塊的抗彎強度提高了65.59%.水韌處理對鋼結合金強度的提升產生顯著的作用，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硬質相與高錳鋼基體的界面結合.此外，經過綜合對比水韌處理強化的強度指標可以發現，影響TiC基鋼結合金強度的主要因素是硬質相與黏接相的界面結合強弱和合金成分的均勻性.TiC硬質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10°～30°[12]，因此，界面結合比較差.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顆粒與基體的界面相互溶解、擴散，增強了TiC硬質相與高錳鋼基體的界面結合，使得強度顯著提高.

由表3可知，雖然經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提高，但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部裂紋形成的難易和擴展的快慢.它與材料的顯微組織結構、硬質相分布的均勻性、殘留孔隙數量與分布、界面結合強度和成分分布等因素都存在關聯[13].經過水韌處理后界面結合強度和成分分布得到了改善，而低壓燒結和熱等靜壓能夠有效減少和消除殘留孔隙.該廠生產的耐磨塊沖擊韌性低的原因應歸結于顯微組織結構和硬質相分布均勻性不理想.

因此，水韌處理是能夠顯著改善TiC基高錳鋼結合金力學性能的熱處理方法，特別是對采用普通真空燒結方法生產的這類鋼結合金價值更高.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基鋼結合金物相組成的影響

為了分析水韌處理使TiC基高錳鋼結合金強韌化的原因，作者分析了水韌處理前后鋼結合金物相組成的變化.圖2和圖3分別是采用真空燒結和低壓燒結生產的耐磨塊的XRD檢測圖譜.由圖可知，TiC基高錳鋼結合金主要由硬質相TiC和黏結相奧氏體組成，基體中既沒有出現其他碳化物，也沒有生成鐵素體.通過對比水韌處理前后的XRD分析結果可以發現，經過水韌處理后，TiC的衍射峰基本上沒有發生變化，但是基體奧氏體的衍射峰產生了明顯的矮化和寬化現象.

水韌處理的機理是首先通過高溫固溶使得高錳鋼基體中的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留到常溫，防止冷卻過程中析出碳化物和鐵素體，從而得到過飽和固溶的亞穩定奧氏體組織.過飽和固溶使得奧氏體的衍射峰發生了寬化和矮化.

綜合上述實驗結果和分析可以發現，燒結態TiC基高錳鋼結合金的黏接相基體為奧氏體，而經過水韌處理后能夠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基高錳鋼結合金強度的原因，作者選擇真空燒結耐磨塊為對象，對其水韌處理前后的顯微硬度進行了分析檢測，檢測結果見表4.由表中數據可以看出，在水韌處理前，在TiC基鋼結合金的顯微組織中按照TiC大顆?！鶷iC中小顆粒聚集區→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相，而硬質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，這說明在燒結過程中硬質相與黏接相在界面周圍發生了比較強的相互作用，進行了相互溶解擴散，使得二者界面周圍的硬質相和黏接相都發生了成分改變.水韌處理之后TiC大顆粒及其邊緣的顯微硬度基本不變，而TiC中小顆粒聚集區的顯微硬度提高幅度高達64%.此外，高錳鋼基體的顯微硬度提高了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基高錳鋼結合金在水韌處理后強度提高的重要原因之一.

2.4 水韌處理前后TiC基高錳鋼結合金的EDS分析

為從顯微結構上探究水韌處理改善TiC基鋼結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耐磨塊的微區成分變化進行了EDS分析.選取的分析位置為：遠離TiC顆粒的基體內部、硬質相黏接相界面和TiC顆粒中心.EDS檢測位置和所獲得的結果見圖4與表5，及圖5與表6.

由圖4中檢測位置的分析結果可知，在水韌處理前，雖然經過了較長時間的高溫燒結，但是TiC硬質相的中心部位除Ti和C外沒有其他元素存在，說明基體元素在硬質相中的擴散十分緩慢.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，燒結過程不能使合金成分實現均勻分布.這不僅說明在燒結過程中硬質相和黏接相在界面上發生了強烈的相互擴散，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生相互作用的推論，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基鋼結合金中加入Mo的主要作用之一是在硬質相表面形成“包覆相”Mo2C，從而起到在燒結過程中改善TiC與黏接相鋼基體的潤濕性的作用.Mo元素在真空燒結過程中發生了重新分布，偏聚在硬質相表面，形成了包覆相.

與水韌處理之前相比，圖5中TiC基高錳鋼結合金顯微組織檢測位置的EDS分析結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顆粒與基體的界面相互溶解、擴散作用，并使得這種作用的影響范圍擴展到整個硬質相；另一方面，遠離硬質相的基體中心和臨近硬質相邊緣的基體相比，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相同.說明經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提高15%的原因.

從所獲得的水韌處理前后樣品的EDS結果和上述分析可以發現，在TiC基高錳鋼結合金的燒結過程中硬質相和基體在相界面處發生了強烈的相互作用，即溶解和互擴散.相互作用的結果是，一方面TiC顆粒的邊緣能夠部分溶解到基體中，由于在燒結溫度下這種溶解比較強烈，所以在基體內形成高的Ti元素濃度分布梯度，因而，可以使得其周圍的基體組織脆化，二者的相界面結合強度不理想，最終表現為燒結態TiC基高錳鋼結合金強度和韌性都不理想，在此過程中，Mo元素能夠完成偏聚，在硬質相表面形成包覆相.另一方面基體合金元素也能夠在硬質相中發生溶解和擴散，但是影響范圍十分有限，因為燒結時間相對比較短，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相和基體界面相互溶解和擴散的作用，但是使得合金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合，進而提高了基體高錳鋼的力學性能.因此，經過水韌處理之后TiC基高錳鋼結合金的力學性能獲得明顯提高.

3 結 論

1）對燒結TiC基高錳鋼結合金進行水韌處理可以有效提高其抗彎強度和沖擊韌性，其中又對真空燒結產品的效果最為顯著.

2）在TiC基高錳鋼結合金的燒結過程中硬質相基體界面發生了強烈的相互溶解和擴散，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合.

3）水韌處理提高TiC基高錳鋼結合金的力學性能不是通過進一步強化硬質相基體的界面相互作用，而是因為改善其中元素分布均勻性，起到了優化相界面結合的作用.

4）對燒結態TiC基鋼結合金應進行類似于水韌處理的熱處理，以進一步改善其力學性能，充分發揮其作為優質耐磨材料的潛能.

參考文獻

[1] 范安平，肖平安，李晨坤，等.TiC基鋼結硬質合金的研究現狀[J].粉末冶金技術，2013，31（4）：298-303.

FAN Anping， XIAO Pingan， LI Chenkun， et al. Research situation of TiC base steel bonded carbide[J]. Powder Metallurgy Technology， 2013，31（4）：298-303.（In Chinese）

[2] 吳霞，董志鑫，岳學慶. 高錳鋼的熱處理[J]. 熱處理技術與裝備，2009， 30（1）：44-47.

WU Xia， DONG Zhixin， YUE Xueqing. Heat treatment for high manganese steel[J]. Heat Treatment Technology and Equipment， 2009， 30（1）：44-47.（In Chinese）

[3] 謝敬佩，王文焱，李繼文，等. 耐磨奧氏體錳鋼[M].北京：科學出版社，2008：172-178.

XIE Jingpei， WANG Wenyan， LI Jiwen， et al. Wear resistant austenitic manganese steel[M]. Beijing： Science Press， 2008：172-178.（In Chinese）

[4] 馬壯，白晶.高錳鋼鑄件的直接水韌處理工藝[J]. 遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2001， 20（3）：352-354.

MA Zhuang， BAI Jing. Direct water toughening treatment process of high manganese steel castings[J]. Journal of Liaoning Technical University： Natural Science， 2001， 20（3）：352-354. （In Chinese）

[5] PETROV Y N， GAVRILJUK V G， BERNS H， et al. Surface structure of stainless and Hadfield steel after impact wear[J]. Wear， 2006， 260（6）： 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 investigation[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids， 2013，61（12）：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，2013， 49（18）： 57-62.

LI Xiaoqiang， CHEN Huojin， LI Ziyang， et al. Study on manufacturing and wear resistance of WC reinforced Fe2Cu2Ni1Mo1C powder metallurgy steel[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2013， 49（18）： 57-62. （In Chinese）

[8] AKHTAR F， GUO S，FENG P， et al. TiCmaraging stainless steel composite：microstructure，mechanical and wear properties[J].Rare Metals，2006， 25（6）：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， 19（2）： 41-44.

YANG Ruicheng， SHI Ruixia， WANG Hui， et al. Hardening effects and micromechanisms of WC/steel matrix composites after Austenization[J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2002， 19（2）： 41-44. （In Chinese）

[10]XIAO D H， HE Y H， SONG M， et al. Y2O3 and NbCdoped ultrafine WC10Co alloys by low pressure sintering[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials， 2009，28（3）：407-411.

[11]HU C， LI F， QU D， et al. Developments in hot pressing （HP） and hot isostatic pressing （HIP） of ceramic matrix composites[J]. Advances in Ceramic Matrix Composites， 2014，2（21）：164-189.

[12]株洲硬質合金廠.鋼結硬質合金的生產[M].北京：冶金工業出版社， 1982： 136-144.

Cemented carbide plant of Zhuzhou . The production of steel bonded carbide[M]. Beijing： Metallurgical Industry Press， 1982：136-144. （In Chinese）

[13]賀娟，劉俊友，劉杰. TiC高錳鋼結硬質合金顯微組織分析[J]. 熱加工工藝，2009， 38（18）： 71-73.

HE Juan， LIU Junyou， LIU Jie. Study on microstructure of high manganese steel bonded titanium carbide[J]. Hot Working Technology， 2009， 38（18）： 71-73. （In Chinese）