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摘要：为了改善高锰钢的组织性能， 提升高锰钢衬板的质量， 对传统高锰钢进行了硼元素的合金化处理 。采用金相组织分析硬度 测试 、抗拉 、耐磨分析等手段研究了硼合金化处理后高锰钢的组织与性能 。结果表明： 把不同含量的硼( 0.001 5%~0.006 0%)加入 到传统高锰钢中， 通过热处理后， 金相组织中晶界碳化物随着硼含量的增加而相应减少， 碳化物以粒状和团块状分布在晶内之中; 衬板的洛氏硬度在 18.2~22.5 HRC 变化; 抗拉强度先升高后降低， 最大为 440 MPa， 最小为 380 MPa; 耐磨性提高 。随着硼含量的 增加， 高锰钢的晶粒明显细化， 夹杂物的尺寸和分布也得到了改善 。机械性能方面， 合金高锰钢的硬度略有提高了， 最高能达到 22.5 HRC 。抗拉强度随着硼元素的加入也得到改善， 提高了 5.6%~22.2%， 最高能达到 440 MPa 。结果表明， 综合性能最好的是加 入 0.003% 左右硼的高锰钢。
关键词：高锰钢,合金化,金相组织,硬度,抗拉强度,耐磨性
Effect of Boron Alloying Treatment on the Microstructure and Properties of High Manganese Steel
Peng Wei， Wang Xiaorong ※， Zhuang Wenwei
(School of Mechanical and Electronic Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013. China)
Abstract: In order to improve the tissue performance of high manganese steel, improve the quality of high manganese steel lining plate, the traditional high manganese steel was alloyed with boron. The microstructure and properties of the high manganese steel after boron alloying were studied by means of metallographic analysis, hardness test, tensile analysis and wear analysis. The results showed that when different contents of boron (0.001 5% ~ 0.006 0%) were added to the traditional high manganese steel, the carbide in the tissue decreased with particles and clumps in the crystal, the hardness of the lining plate was 18.2~22.5 HRC, the tensile strength increased first then decreased, maximum 440 MPa, minimum 380 MPa; wear resistance was improved. With the increase of boron content, the grain of high manganese steel was significantly refined and the size and distribution of inclusions were improved . In terms of mechanical properties, the hardness of alloy high- manganese steel was slightly improved, with a maximum capacity of 22.5 HRC. The tensile strength was also improved with the addition of boron elements, increasing by 5.6% to 22.2%, up to 440 MPa. The results show that the best comprehensive performance is the high manganese steel with about 0.003% boron.
Key words: high manganese steel; alloying; microstructure; hardness; tensile strength; wear resistance
0 引言
高锰钢作为耐磨材料， 有着优异的耐磨性， 和其他 材料相比， 在抵抗强冲击 、承受大压力的磨料磨损或凿 削磨损方面有显著优越性 。高锰钢材料的表面在工作条 件恶劣时接触应力或者冲击载荷过大会迅速产生加工硬 化， 从而使其表层耐磨性提高 。高锰钢能长期以来广泛 应用于冶金 、矿山 、建材 、铁路 、电力 、煤炭等机械装 备中， 正是由于它的加工硬化特性[1-2] 。但是高锰钢必须 经过加工硬化后才表现出良好的耐磨性， 在低冲击载荷 或低应力下达不到加工硬化程度， 如果没有经过加工硬 化， 则其耐磨性非常有限， 随着高锰钢的广泛应用， 这 一系列问题也随之暴露 。 由于高锰钢的这些缺点使得其耐磨性得不到较好的发挥， 使用受到了限制 。因此， 高 锰钢的改性迫在眉睫， 为了提高性能， 人们在高锰钢中 加入微量元素方面做了大量的研究 。在制备合金高锰钢 时， 国内外学者已经做了大量的研究工作， 提出许多方 法， 在高锰钢中加入 V 、Ti 、Mo 、W 、B 、Ni 、Nb、稀土 等元素。本次试验目的是研究含硼量不同的高锰钢的金相 组织 、力学性能 、相对耐磨性， 以及硬度差别。
1 实验内容
1.1 实验材料
用经过合金化处理的传统高锰钢作为此次实验研究 的材料 。表 1 所示为原材料传统高锰钢 ZGMn13 的化学成 分 。表 2 所示为本文试验用高锰钢的化学成分。本试验的合金化处理方案如表 3 所示， 设为5 个梯度， 分别为未添加硼元素的高锰钢 、质量分数为 0.001 5%B、 0.003%B 、0.004 5%B 、0.006%B 五个数据组。
1.2 试验过程
试验在工厂里用 500 kg 的中频感应电炉中进行熔炼， 出箱的温度控制在 1 520 ~ 1 580 ℃ 。浇铸的温度为 1 4200 ~ 1 460 ℃[4-8] 。采用砂型铸造 、浇铸的标准圆棒 试样经粗加工和精加工后， 加工成直径为 小16.0 mm、 轴向高 度 为 8 mm 的 金 相 试 样， 以 及 直 径 为 小16 mm 、 轴向高度为 12 mm 硬度试样， 以及耐磨试样销和抗拉 试棒 。
本次研究制定的热处 理 工 艺 如 图 1 所 示 。其工艺过程简述为： 在工厂井式电阻炉中， 首先 把 升 温 速 度 设 定 为100 ℃/h 将 试 样 加 热 到550 ℃， 保温 1.5 h; 然后 继 续 以 100 ℃/h 的 升温 速 度 加 热 至 650 ℃，保温 1.5 h; 最后再将炉温升至 1 100 ℃， 并保温 2 h; 保 温结束后直接将高锰钢铸件放入冷却水槽进行水淬处理。
利用金相光学显微镜对高锰钢试样的组织进行观察， 观察金相组织前， 首先用不同粗糙度的砂纸粗磨金相试 样， 其次用预磨机精预磨， 最后用抛光机抛光[9] 。用 65% 的浓硝酸和无水乙醇配制成5% 的硝酸腐蚀溶液， 把试样放入腐蚀溶液中腐蚀 10~20 s 后取出， 用酒精清洗 后 用 冷 风 烘 干 处 理， 随 后 进 行 金 相 观 察 。 利 用 HR- 150A 洛氏硬度试验机对试样进行硬度测试 。其中在硬度 测试时每个试样测 3个点然后求平均值 。利用 CMT5605 电子万能试验机对拉伸试样进行拉伸试验 。其中每组拉 伸两根试棒， 求取两根试棒的平均值 。用 3D 打印机打印出试样销模具， 然后在预磨机上将试样销磨 5 min， 再称 出磨损前后的重量。
2 试验结果与分析
2.1 硼合金化对高锰钢的组织的影响
硼固溶于奥氏体中不但可以形成置换式固溶体， 而 且可以形成间隙式固溶体， 这就使得高锰钢的稳定性大 大增加 。因为硼是较活泼元素， 所以有一部分硼元素在 铸态过程中会与高锰钢中 C 、N 结合形成性质稳定的非 金属夹杂物[10] 。如图 2 所示为各组试样的金相显微组织， 未添加硼的对照组金相显微组织中晶界存在较多碳化物; 而经过硼合金化处理过的试样， 其金相显微组织晶界碳 化物较少， 晶内碳化物以颗粒状和团状分布 。因此可以 得知相对于对照组经过硼合金化处理的高锰钢， 其组织 夹杂物数量较少， 而且尺寸变得细小均匀。
2.2 硼合金化处理高锰钢对其相对耐磨性的影响
在相同磨损的条件下， 标准试样的磨损量比上试验 试样磨损量的值， 称为相对耐磨性， 可表示为[12]： ε =标 准试样磨损量/试验试样磨损量。
如图 3 所示， 随硼含量的增加试样的相对耐磨性逐 渐提升， 相对耐磨性在 1.32~ 1.57 变化， 相较于对照组 可知硼合金化处理高锰钢后的耐磨性能优于传统高锰钢。 这是由于硼具有细化组织和强化晶界的作用 。在熔炼过 程中硼原子在 Fe3C 中置换固溶， 由于硼原子比碳原子 大， 所置换固溶出的 Fe3 ( CB )产生更大的晶格歪斜， 因此 Fe3 ( CB )的显微硬度高于 Fe3 C 。 随着硼含量的增加， 置换固溶增加， 晶格歪斜增加， Fe3 ( CB )的硬度也就增 加[13]， 从而使得硼碳化物的硬度提高 。 由于硼碳化合物 的硬度高使其在磨损过程中承受主要磨损， 从而使得合 金化高锰钢的耐磨性提高。
2 .3 合金化处理对高锰钢硬度的影响
本试验采用的是 HR- 150A 洛氏硬度试验机测试各组 试样的硬度， 对每一个试样取 3个不同的点测试， 去除 差异较大数， 将所得数据进行平均化取值， 结果如图 4 所示 。 由以上数据可知， 合金化高锰钢不同含 B 量试样 的硬度在 20.2~22.5HRC 变化， 与对照组相比， 随硼含量 增加合金化后试样硬度略微提高 。其中试样#3 的硬度值 最高， 达到 22.5HRC 。细晶强化 、固溶强化及弥散强化 共同作用使得硬度的改变[9] 。结果表明和对照组相比 B 合 金化处理使得高锰钢洛氏硬度有所提高 。因为试样经过 硼合金化处理后， 使得晶粒尺寸明显变小形状匀称 。并 且， 有一部分硼元素在铸态过程中会与 C 、N 形成弥散 分布于基体中的高硬度的 、稳定的碳化物和氮化物使得 高锰钢硬度提高。
2 .4 合金化处理对高锰钢抗拉强度的影响
本试验采用的是 CMT5605 电子万能试验机对拉伸试 样进行了拉伸试验， 其中每组两根拉伸试棒， 便于实验 误差的考虑然后取平均值。
如图 5 所示， 高锰钢的抗拉强度随硼含量的增加先升高在降低， 其抗拉强 度 最 高 可 达 440 MPa，所 对 应 的 试 样 3. 是0.003 0% 的 硼 合 金 高 锰钢 。抗拉强度与未添加硼的对照组 1 相比大幅度提升; 相较于对照组其他组抗拉强度均有所提高 。合金化 处理的试样平均抗拉强度提高了 5.6%~22.2%， 本试验设 随硼含量的增加抗拉强度先提高再降低 。造成这种结果 是因为试样中硼的含量较少时， 对组织有作用， 但是当 硼含量过多时， 会导致局部区域硼集中， 会形成包括硼 化铁 ( Fe2B ) 、碳化物和 γ 相的共晶， 这些共晶很脆， 高 锰钢的性能由于晶粒的而恶化 。硼因其表面活性， 富集于奥氏体晶界处， 主要存在于晶体缺陷处; 硼含量较高 时， 硼的富集使得合金化高锰钢的抗拉强度相对降低。
3 结束语
( 1 ) 经过热处理后试样组织转变为奥氏体组织， B 的加入减少了基体上弥散分布的细小碳化物颗粒和球形 夹杂物数量， 使得夹杂物的形态和分布得到改善 、组织 中的碳化物颗粒细化， 并且分布更加均匀弥散， 合金化 处理能显著细化晶粒。
( 2 ) 试样经过热处理后， 随 B 含量的增加抗拉强度 先升高后降低， 最大值为 440 MPa， 最低值为 380 MPa; 同样硬度也是先升高后降低， 最高为 22.5HRC， 最低为 20.2HRC 。低冲击磨料磨损条件时， 耐磨性逐渐提高， B 含量为 0.006 0% 的高锰钢， 相对耐磨性达 1.57.
( 3 ) 试 样 合 金 化 处 理， 合 金 化 处 理 后 硼 含 量 为 0.003 0% 时， 其综合性能较好， 此时 HRC=22.5. 抗拉 强度为 440 MPa， 相对耐磨性为 1.38.
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