爆炸硬化處理對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.中國鐵建重工集團股份有限公司 道岔分公司，湖南 株洲 412005；2.燕山大學 亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，河北 秦皇島 066004；3.燕山大學 國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北 秦皇島 066004)

0 引言

磨料磨損是冶金、礦山、采煤、發電、農機等行業耗費鋼材最多的一種失效類型。據統計，每年因為磨料磨損而耗費的鋼材高達百萬噸，造成的直接和間接經濟損失達幾十億元，也是各種磨損形式中造成經濟損失最大的[1-2]。為了減少磨料磨損帶來的經濟損失，各類耐磨材料，如高錳鋼、馬氏體鋼、貝氏體鋼、金屬基復合材料等，被應用到不同的工況條件下以最大程度上發揮各自的耐磨性優勢[1-5]。高錳鋼(Fe-13Mn-1.2C)作為最傳統的耐磨材料，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]。

伴隨著現代工業的發展，高錳鋼耐磨材料的服役環境不斷朝著高載荷、高沖擊、高溫升、大應變方向發展[8]。而為了適應這種嚴苛的服役條件，材料科學工作者開發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復合合金化的手段，在降低高錳鋼層錯能的同時，提高了高錳鋼的初始強度。在高磨損載荷作用下，N+Cr合金化高錳鋼較傳統高錳鋼獲得了更高的孿晶密度，因而獲得了優異的耐磨性。在宋懷江和張國賞[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高錳鋼，當碳化鎢以細小彌散的狀態存在于高錳鋼中時，高錳鋼的沖擊磨料磨損性能明顯增強。趙欣等人[11]則是利用熱軋狀態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，各種高錳鋼預硬化處理方法，如冷軋變形[12]、高速重擊[13]、爆炸硬化[14]等被應用到高錳鋼中，以提高其初始強度。其中，冷軋變形和高速重擊變形是通過較大程度的塑性變形在高錳鋼中產生高密度的位錯和孿晶導致硬化[12-13]，而爆炸硬化則是通過爆炸產生的強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生位錯和孿晶而引起硬化[14]。但是，不同的預硬化程度對于高錳鋼的沖擊磨料磨損性能的影響卻鮮有系統性的研究。本文選用爆炸硬化方式對傳統高錳鋼進行預硬化處理，通過改變爆炸次數在高錳鋼中獲得不同的硬化狀態，測試高錳鋼在不同沖擊載荷作用下的磨料磨損性能。結合磨損失重、磨損表面形貌、表面硬度以及微觀組織變化分析爆炸預硬化處理對高錳鋼沖擊磨料磨損性能的影響。

1 試驗材料與方法

本文選用傳統鑄造高錳鋼作為研究對象，其化學成分(質量分數)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)×50 mm(寬)×40 mm(高)，之后利用常規廂式電阻爐對鑄造高錳鋼進行熱處理。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高錳鋼試塊的長×寬面進行爆炸硬化處理，其主要化學成分為黑索金RDX，粘結劑為環氧樹脂，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。沖擊磨料磨損試驗在MLD-10型動載磨料磨損試驗機上進行，其中上試樣為高錳鋼，下試樣為45號鋼，經淬火處理后，下試樣硬度不低于54HRC。沖錘質量選取10 kg，沖錘抬高高度分別為20 mm和40 mm，分別對應于2 J和4 J的沖擊功。試驗過程中，上試樣的沖擊頻次為200次/min，下試樣的轉速為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。各個試驗條件下測試5個樣品，沖擊時間均為2 h。

利用顯微維氏硬度計測試不同硬化狀態高錳鋼在沖擊磨料磨損試驗前的截面硬度分布和試驗后的表面硬度。高錳鋼試樣經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行觀察，觀察前高錳鋼試樣需要利用超聲波震蕩清洗器進行充分清洗。利用Axiover 200MAT型光學顯微鏡對高錳鋼沖擊磨料磨損試驗前的組織狀態進行觀察，試樣經機械研磨和拋光處理后利用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕。高錳鋼試樣沖擊表面的精細微觀組織利用JEM-2010型透射電子顯微鏡進行觀察，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(Gatan)減薄制備薄區。

2 試驗結果與討論

2.1 初始組織狀態

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

圖3給出了不同狀態高錳鋼試樣在沖擊磨料磨損試驗前的截面硬度分布情況。從圖中可以看出，高錳鋼經水韌處理后，其基體硬度約為225 HV。經過爆炸硬化處理后，高錳鋼試樣的硬度升高，并且隨著爆炸硬化次數的增加，高錳鋼的硬化程度越高。經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，硬度下降較快，當深度超過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。當爆炸硬化次數增加到3次時，高錳鋼沖擊試樣的表面硬度值進一步增大至432 HV，雖然表面硬度較爆炸硬化2次的試樣升高不多，但其硬度降低趨勢更為平緩，并且，在距離沖擊表面20 mm的深度處，其硬度高達314 HV。在爆炸硬化過程中，爆炸產生的沖擊波作用在高錳鋼基體上，并誘發產生大量位錯和孿晶，從而引起硬化效應[15-16]。因此，隨著爆炸次數的增多，高錳鋼的表面硬度不斷升高，這與圖2高錳鋼中變形帶數量隨爆炸次數增加而增多的趨勢是一致的。值得注意的是，3種爆炸硬化試樣的硬度測試起點為沖擊表面，即圖1中的圓弧最低點，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，磨損率越小則表示耐磨性越優異。在沖擊磨料磨損試樣中，磨損率=磨損失重/上下試樣接觸時間。依據試驗結果繪制了不同狀態高錳鋼在沖擊功為2 J和4 J作用下的磨損率變化情況，如圖4所示。對于同一狀態下的高錳鋼而言，沖擊功為2 J條件下的磨損率要遠小于沖擊功為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的變化也不盡相同。當沖擊功為2 J時，水韌處理狀態高錳鋼試樣的磨損率最大，隨著爆炸硬化次數的增多，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，這一結果與常規材料的耐磨性規律一致[9]。當沖擊功進一步增大到4 J時，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。以上試驗結果說明，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可以獲得最佳的耐磨性能。

對不同狀態高錳鋼試樣在沖擊磨料磨損試驗過程中的表面硬度演變進行了測試，結果如圖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，在相同的沖擊時間里，水韌處理狀態高錳鋼的硬化速率最大。這是因為，水韌處理高錳鋼在沖擊試驗前基體上僅存在少量自由位錯[17]，在變形初期，其基體上會產生大量的位錯和形變孿晶，而預硬化高錳鋼在沖擊試驗前基體上已經存在了高密度的位錯和形變孿晶結構，在一定程度上抑制了高錳鋼的進一步硬化[17]。但是，由于水韌處理高錳鋼試樣的初始硬度較低，每個沖擊功條件下，試樣表面達到飽和硬度值所需的時間最長。

當沖擊功為2 J時，高錳鋼沖擊試樣表面的初始硬度越高，其達到飽和硬度值所需要的時間越短，水韌處理高錳鋼為30 min，而爆炸硬化3次高錳鋼為10 min。在這種硬度級別和硬化速率的條件下，高錳鋼表現出的耐磨性能與爆炸硬化次數成正比，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)。當沖擊功為4 J時，在沖擊載荷作用15 min后，所有狀態的沖擊試樣表面均達到了飽和硬度值。在高沖擊功作用下，由于高錳鋼試樣表面受到的應力應變急速增大，其優異的加工硬化特性被充分表現出來[8-9]，因此，即使是水韌處理高錳鋼試樣表面也在短時間內達到了飽和硬度值(圖5(b))。然而，從最終表現出的耐磨性能來看，爆炸硬化1次處理的高錳鋼試樣表現出了最佳的耐磨性能(圖4)。在沖擊磨料磨損試驗后期，由于不同狀態的高錳鋼試樣表面均達到飽和硬度值，其磨損性能不會出現明顯的差異，因此，本研究重點對沖擊磨料磨損試驗10 min后的樣品狀態進行了對比觀察，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。

對不同狀態高錳鋼在沖擊功4 J條件下作用10 min后試樣表面的精細組織進行觀察，結果如圖6所示。從圖中可以看出，水韌處理高錳鋼經沖擊作用10 min后，其表面產生了高密度的位錯結構和平行分布的形變孿晶結構(圖6(a))，而經過爆炸預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外，還存在大量相互交叉的形變孿晶，并且，爆炸次數越多，交叉形變孿晶出現的頻率越高(圖6(b)～6(d))。在高錳鋼的塑性變形過程中，滑移系統啟動的應力/應變臨界值要遠小于孿生系統，因此在塑性變形初期，高錳鋼的變形機理主要以位錯滑移為主[18]。隨著塑性應變的不斷積累，局部應力不斷增大并達到孿晶形成的臨界應力后，處于最優取向的孿生系統開動，形成一次形變孿晶。當局部應力進一步增大時，處于次優取向的孿生系統也開始啟動，產生2次孿晶甚至3次孿晶[19]。爆炸硬化處理會在高錳鋼基體上引入大量的位錯和形變孿晶[15-16]，因此，相比于水韌處理高錳鋼，在相同的后續受力條件下，爆炸硬化高錳鋼的應變/應力狀態更容易滿足激活2個或多個孿生系統的條件(圖6(b)～6(d))。在這種組織狀態下，4 J沖擊功作用10 min后，沖擊試樣的表面硬度會隨著爆炸硬化次數的增多而提高(圖5(b))。

圖7給出了沖擊功為4 J時不同狀態高錳鋼試樣沖擊作用10 min后的表面形貌。對于水韌處理高錳鋼而言，其磨料磨損試驗后的表面主要表現為顯微切痕、鑿坑和剝落(圖7(a))，較深的顯微切痕和鑿坑會引起較大的磨損失重并導致耐磨性較低[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)。當進一步增加爆炸硬化次數后，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，使得爆炸硬化2次和3次的高錳鋼試樣的磨損表現主要以較大尺寸的疲勞剝落為主(圖7(c)和7(d))，這種磨損形貌也會造成磨損性能的降低[20]。因此，在沖擊功為4 J時，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 結論

1) 在沖擊磨料磨損試驗中，當沖擊功為2 J時，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) 當沖擊功為4 J時，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，初始硬度越高，試樣表面達到飽和硬度值所需時間越短；沖擊功為4 J時，由于高應力和大應變的作用，不同狀態高錳鋼試樣表面達到飽和硬度值所需時間基本相同。

4) 在高沖擊功作用下，過高的初始硬度會帶來高錳鋼試樣表面脆化，惡化其沖擊磨料磨損性能，因此，適當的初始硬度是保證高錳鋼獲得優異耐磨性的關鍵。