提高高锰钢综合力学性能的热处理工艺

研磨设备中的高锰钢衬板是主要的易损部件。当冲击载荷较小时，高锰钢的加工硬化不足，使高锰钢衬板的使用寿命降低。北方重工集团热处理分公司研发了一种低温时效工艺，明显提高了高锰钢衬板的耐磨性和抗冲击强度。他们选用ZGMn13MoCrTiRE作为试验材料，采用了以下热处理工艺：
1、水韧处理：180℃/3小时，水冷。
2、时效处理：150℃~450℃/2小时，空冷。
水韧处理后，组织观察表明，晶界处的碳化物完全回溶到基体中，形成过饱和固溶体，而基体组织为完全奥氏体。时效处理后，晶内逐渐有碳化物析出。随着时效温度的升高，晶粒尺寸略有长大，但是晶粒大小逐渐均匀。由于时效温度较低，晶粒长大的程度并不高;由于Mo元素的存在，促进了第二相M7C3的析出，在150℃时效时，在原有的奥氏体基体的晶粒中析出了M7C3型的第二相，但第二相的数量比较少，其晶粒度基本没有变化；250℃时效时，第二相的数量明显增多，晶粒略有长大；当时效温度提高到350℃时，材料中的第二相细小而弥散的分布在晶粒内，此时的晶粒尺寸与250℃时效的晶粒尺寸相比没有太大的变化，但是晶粒大小比较均匀。时效温度继续提高到450℃时，晶粒明显长大，并在晶界处出现针状的碳化物。
与组织变化相对应，在时效温度为350℃时，抗拉强度从固溶态时的944.3MPa提高到1004.1MPa；屈服强度从固溶态时的592.8MPa提高到647.3MPa。同时，基体硬度有所增加；在受到冲击载荷作用时，加工硬化效果明显，使得材料表面的硬度急剧升高。与此相关，磨损试验表明，材料的磨损性能在热处理后明显提高，并在时效温度达到350℃时，磨损性能达到最佳，比时效前提高了45.5%。如把时效温度继续提高到450℃时，抗拉强度和屈服强度都由增变降，分别变为983.2MPa和636.9MPa。
值得注意的是，该钢材的冲击韧性在热处理后有明显提高。在时效温度达到350℃时，其冲击韧性与抗拉强度同步达到最大值，为170.5J/cm2。这是因为，一方面由于第二相的析出阻碍了位错运动，并维持高锰钢的组织细化，对高锰钢起到了明显的沉淀强化效果；同时，由于沉淀相为球状，并呈细小弥散的分布状态，故既保证强的沉淀强化效果，又能提高材料的冲击韧性。当时效温度升高到450℃时，高锰钢中的第二相转变为针状，并且有一部分在晶界上析出，此时当材料受到冲击载荷时，在第二相的尖角处引起应力集中，裂纹容易在此处萌生，并沿尖角处扩展，故导致冲击韧性值的降低。
上述组织与性能的变化，与材料成分设计上的微合金化作用以及稀土元素的变质处理作用有关，使得晶粒内部更容易析出碳化物沉淀相，同时晶粒较为细小。
综上所述，对高锰钢采取水韧处理+适当的时效处理可以明显提高材料的抗拉强度、屈服强度、耐磨性和冲击韧性。对于ZGMn13MoCrTiRE钢种，时效温度为350℃时，可获得较好的综合力学性能。（钢研）