提高高錳鋼綜合力學性能的熱處理工藝

研磨設備中的高錳鋼襯板是主要的易損部件。當沖擊載荷較小時，高錳鋼的加工硬化不足，使高錳鋼襯板的使用壽命降低。北方重工集團熱處理分公司研發了一種低溫時效工藝，明顯提高了高錳鋼襯板的耐磨性和抗沖擊強度。他們選用ZGMn13MoCrTiRE作為試驗材料，采用了以下熱處理工藝：

1、水韌處理：180℃/3小時，水冷。

2、時效處理：150℃~450℃/2小時，空冷。

水韌處理后，組織觀察表明，晶界處的碳化物完全回溶到基體中，形成過飽和固溶體，而基體組織為完全奧氏體。時效處理后，晶內逐漸有碳化物析出。隨著時效溫度的升高，晶粒尺寸略有長大，但是晶粒大小逐漸均勻。由于時效溫度較低，晶粒長大的程度并不高;由于Mo元素的存在，促進了第二相M7C3的析出，在150℃時效時，在原有的奧氏體基體的晶粒中析出了M7C3型的第二相，但第二相的數量比較少，其晶粒度基本沒有變化；250℃時效時，第二相的數量明顯增多，晶粒略有長大；當時效溫度提高到350℃時，材料中的第二相細小而彌散的分布在晶粒內，此時的晶粒尺寸與250℃時效的晶粒尺寸相比沒有太大的變化，但是晶粒大小比較均勻。時效溫度繼續提高到450℃時，晶粒明顯長大，并在晶界處出現針狀的碳化物。

與組織變化相對應，在時效溫度為350℃時，抗拉強度從固溶態時的944.3MPa提高到1004.1MPa；屈服強度從固溶態時的592.8MPa提高到647.3MPa。同時，基體硬度有所增加；在受到沖擊載荷作用時，加工硬化效果明顯，使得材料表面的硬度急劇升高。與此相關，磨損試驗表明，材料的磨損性能在熱處理后明顯提高，并在時效溫度達到350℃時，磨損性能達到最佳，比時效前提高了45.5%。如把時效溫度繼續提高到450℃時，抗拉強度和屈服強度都由增變降，分別變為983.2MPa和636.9MPa。

值得注意的是，該鋼材的沖擊韌性在熱處理后有明顯提高。在時效溫度達到350℃時，其沖擊韌性與抗拉強度同步達到最大值，為170.5J/cm2。這是因為，一方面由于第二相的析出阻礙了位錯運動，并維持高錳鋼的組織細化，對高錳鋼起到了明顯的沉淀強化效果；同時，由于沉淀相為球狀，并呈細小彌散的分布狀態，故既保證強的沉淀強化效果，又能提高材料的沖擊韌性。當時效溫度升高到450℃時，高錳鋼中的第二相轉變為針狀，并且有一部分在晶界上析出，此時當材料受到沖擊載荷時，在第二相的尖角處引起應力集中，裂紋容易在此處萌生，并沿尖角處擴展，故導致沖擊韌性值的降低。

上述組織與性能的變化，與材料成分設計上的微合金化作用以及稀土元素的變質處理作用有關，使得晶粒內部更容易析出碳化物沉淀相，同時晶粒較為細小。

綜上所述，對高錳鋼采取水韌處理+適當的時效處理可以明顯提高材料的抗拉強度、屈服強度、耐磨性和沖擊韌性。對于ZGMn13MoCrTiRE鋼種，時效溫度為350℃時，可獲得較好的綜合力學性能。