肖平安　李晨坤　軒翠華　張霞　宋建勇

摘 要：系統(tǒng)研究了水韌處理對TiC基高錳鋼結(jié)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(jié)構(gòu)和微區(qū)成分的變化闡述了其中的內(nèi)在關(guān)系.經(jīng)過1 050 ℃×6 h水韌處理后，真空燒結(jié)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(jié)試樣則分別提高61.81%和45.38%；對真空燒結(jié)+低壓燒結(jié)試樣也分別提高65.59%和32.90%.研究結(jié)果表明，水韌處理能夠顯著提高燒結(jié)態(tài)TiC基高錳鋼結(jié)合金的抗彎強度和沖擊韌性.因此，對燒結(jié)態(tài)TiC基鋼結(jié)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(fā)揮其性能潛力.

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)硬質(zhì)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(jié)合金是以TiC為硬質(zhì)相、高錳鋼為黏結(jié)相的一種優(yōu)質(zhì)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(yè)獲得越來越廣泛的應用[1].據(jù)估算，我國水泥行業(yè)破碎用鑲鑄錘頭所需要的TiC基高錳鋼結(jié)硬質(zhì)合金鑲塊的年產(chǎn)量已近1 000 t.因此，積極開展相應的基礎(chǔ)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(jié)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(qū)溫度并保溫一段時間，使鑄態(tài)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(xiàn)出很好的耐磨性能[5-9].作者至今未見對TiC基高錳鋼結(jié)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(jié)合金開展水韌處理基礎(chǔ)研究，探索水韌處理對硬質(zhì)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(jié)合金耐磨塊由國內(nèi)某廠生產(chǎn)，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(chǎn)：1） 常規(guī)壓制+真空燒結(jié)（標記為A類）；2） 常規(guī)壓制+低壓燒結(jié)[10]（標記為B類）；3） 常規(guī)壓制+真空燒結(jié)+低壓燒結(jié)（標記為C類）；4） 常規(guī)壓制+真空燒結(jié)+熱等靜壓[11]（標記為D類）.

TiC基高錳鋼結(jié)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(shù)據(jù)均采用3次測試結(jié)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(shù)據(jù)均采用5次測試結(jié)果的平均值.

采用401MVA型顯微維氏硬度計測量鋼結(jié)合金的顯微硬度，每個實驗數(shù)據(jù)均采用3次測試結(jié)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(huán)境掃描電鏡（SEM）對水韌處理前后的鋼結(jié)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(jié)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(jié)果與分析

2.1 水韌處理對TiC基高錳鋼結(jié)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(jié)的耐磨塊在水韌處理前后的抗彎強度和沖擊韌性檢測結(jié)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(jié)制備耐磨塊，由于在壓力下燒結(jié)，能夠充分致密化，而且燒結(jié)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(chǎn)的耐磨塊可能存在殘留孔隙偏高、集中性大孔隙、環(huán)狀顯微結(jié)構(gòu)、相界面結(jié)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(chǎn)中雖然采用了低壓燒結(jié)和熱等靜壓工藝，但是，由于顯微組織受到前期真空燒結(jié)的影響，因而強度指標不能成為最佳.

經(jīng)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(jié)合金強度的提升產(chǎn)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(zhì)相與高錳鋼基體的界面結(jié)合.此外，經(jīng)過綜合對比水韌處理強化的強度指標可以發(fā)現(xiàn)，影響TiC基鋼結(jié)合金強度的主要因素是硬質(zhì)相與黏接相的界面結(jié)合強弱和合金成分的均勻性.TiC硬質(zhì)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(jié)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(zhì)相與高錳鋼基體的界面結(jié)合，使得強度顯著提高.

由表3可知，雖然經(jīng)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(nèi)部裂紋形成的難易和擴展的快慢.它與材料的顯微組織結(jié)構(gòu)、硬質(zhì)相分布的均勻性、殘留孔隙數(shù)量與分布、界面結(jié)合強度和成分分布等因素都存在關(guān)聯(lián)[13].經(jīng)過水韌處理后界面結(jié)合強度和成分分布得到了改善，而低壓燒結(jié)和熱等靜壓能夠有效減少和消除殘留孔隙.該廠生產(chǎn)的耐磨塊沖擊韌性低的原因應歸結(jié)于顯微組織結(jié)構(gòu)和硬質(zhì)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(jié)合金力學性能的熱處理方法，特別是對采用普通真空燒結(jié)方法生產(chǎn)的這類鋼結(jié)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(jié)合金物相組成的影響

為了分析水韌處理使TiC基高錳鋼結(jié)合金強韌化的原因，作者分析了水韌處理前后鋼結(jié)合金物相組成的變化.圖2和圖3分別是采用真空燒結(jié)和低壓燒結(jié)生產(chǎn)的耐磨塊的XRD檢測圖譜.由圖可知，TiC基高錳鋼結(jié)合金主要由硬質(zhì)相TiC和黏結(jié)相奧氏體組成，基體中既沒有出現(xiàn)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(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過水韌處理后，TiC的衍射峰基本上沒有發(fā)生變化，但是基體奧氏體的衍射峰產(chǎn)生了明顯的矮化和寬化現(xiàn)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(wěn)定奧氏體組織.過飽和固溶使得奧氏體的衍射峰發(fā)生了寬化和矮化.

綜合上述實驗結(jié)果和分析可以發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)態(tài)TiC基高錳鋼結(jié)合金的黏接相基體為奧氏體，而經(jīng)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(jié)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(jié)合金強度的原因，作者選擇真空燒結(jié)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(jié)果見表4.由表中數(shù)據(jù)可以看出，在水韌處理前，在TiC基鋼結(jié)合金的顯微組織中按照TiC大顆?！鶷iC中小顆粒聚集區(qū)→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(zhì)相，而硬質(zhì)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(jié)過程中硬質(zhì)相與黏接相在界面周圍發(fā)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(zhì)相和黏接相都發(fā)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(qū)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(jié)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(jié)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(jié)合金的EDS分析

為從顯微結(jié)構(gòu)上探究水韌處理改善TiC基鋼結(jié)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(jié)耐磨塊的微區(qū)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(nèi)部、硬質(zhì)相黏接相界面和TiC顆粒中心.EDS檢測位置和所獲得的結(jié)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(jié)果可知，在水韌處理前，雖然經(jīng)過了較長時間的高溫燒結(jié)，但是TiC硬質(zhì)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(zhì)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(jié)過程不能使合金成分實現(xiàn)均勻分布.這不僅說明在燒結(jié)過程中硬質(zhì)相和黏接相在界面上發(fā)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(fā)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(xiàn)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(jié)合金中加入Mo的主要作用之一是在硬質(zhì)相表面形成“包覆相”Mo2C，從而起到在燒結(jié)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(jié)過程中發(fā)生了重新分布，偏聚在硬質(zhì)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(jié)合金顯微組織檢測位置的EDS分析結(jié)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(zhì)相；另一方面，遠離硬質(zhì)相的基體中心和臨近硬質(zhì)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(jīng)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(jié)果和上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在TiC基高錳鋼結(jié)合金的燒結(jié)過程中硬質(zhì)相和基體在相界面處發(fā)生了強烈的相互作用，即溶解和互擴散.相互作用的結(jié)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(jié)溫度下這種溶解比較強烈，所以在基體內(nèi)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(jié)合強度不理想，最終表現(xiàn)為燒結(jié)態(tài)TiC基高錳鋼結(jié)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(zhì)相表面形成包覆相.另一方面基體合金元素也能夠在硬質(zhì)相中發(fā)生溶解和擴散，但是影響范圍十分有限，因為燒結(jié)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(zhì)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(jié)合，進而提高了基體高錳鋼的力學性能.因此，經(jīng)過水韌處理之后TiC基高錳鋼結(jié)合金的力學性能獲得明顯提高.

3 結(jié) 論

1）對燒結(jié)TiC基高錳鋼結(jié)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(jié)產(chǎn)品的效果最為顯著.

2）在TiC基高錳鋼結(jié)合金的燒結(jié)過程中硬質(zhì)相基體界面發(fā)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(jié)合.

3）水韌處理提高TiC基高錳鋼結(jié)合金的力學性能不是通過進一步強化硬質(zhì)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(yōu)化相界面結(jié)合的作用.

4）對燒結(jié)態(tài)TiC基鋼結(jié)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(fā)揮其作為優(yōu)質(zhì)耐磨材料的潛能.

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