爆炸硬化处理对mn1hcr2高锰钢的影响

爆炸硬化处理对mn1hcr2高锰钢的影响

爆炸硬化利用炸药爆炸立即产生的高能量声波影响了待爆零件，提高了工作效率，广泛用于铁路、矿山、机械等材料的硬化处理。爆炸硬化使高锰钢的表面和一定深度范围内产生硬化效果,进而改善其耐磨性,延长工件的使用寿命。爆炸硬化工艺、硬化机制和理论研究已取得一定的成果。但对经爆炸硬化处理后高锰钢工件的耐磨性研究鲜有报道。本文作者分别采用玻璃砂和鹅卵石为磨料,对比研究了爆炸处理前、后高锰钢的冲击磨粒磨损性能,以探讨爆炸硬化对高锰钢冲击磨损性能的影响,为深入研究爆炸硬化后高锰钢在冲击载荷下的磨损行为及其应用提供参考。1试验材料和方法1.1化学成分的特性试验用高锰钢的化学成分和爆炸前、后高锰钢的机械性能分别如表1、表2所示。爆前高锰钢的化学成分与硬度符合标准GB/T5680-1998。按GB229-84规定测定爆前、爆后高锰钢的冲击韧性,冲击韧性试样尺寸10mm×10mm×55mm,开U型缺口,深为2mm,爆前高锰钢的冲击韧性测量结果符合标准GB/T5680-1998。1.2试验条件和方法冲击磨损实验在MLD-10型动载磨料磨损试验机上进行。冲锤质量为10kg。选取的冲击功为0.5、1.0和2.0J,对应冲锤落体高度为5、10和20mm。上试样尺寸为10mm×10mm×30mm,用线切割方法加工而成。下试样45#钢经过淬火处理,硬度为HRC54左右。试验时,下试样以200r/min速度旋转,上试样以200次/min的频率冲击下试样,磨料以350mL/min的流量流入两试样之间。磨料分别为玻璃砂和鹅卵石,粒度为1～3mm,其中玻璃砂硬度为HV540.0,鹅卵石硬度为HV1237.0。每个试样磨损试验时间为60min。上试样装机前后均用乙醇溶液清洗,在精度为0.1mg的TG328B分析天平上测量磨损试样的磨损失重。以3个试样磨损失重的平均值作为爆炸前后高锰钢试样在相同磨损条件下的磨损量。冲击耐磨性以磨损量倒数的1000倍计算。相对耐磨性的计算方法是:定义标准试样,将其冲击耐磨性看作1.0,则检测试样的相对耐磨性按下式计算:ε=M0/Mi式中:ε为检测试样的相对耐磨性;M0为标准试样的磨损量,mg;Mi为检测试样的磨损量,mg。试样的显微组织和磨损表面形貌用JSM-5160LV型扫描电子显微镜进行观察。磨损表面部分区域用能谱仪进行EDX成分分析。2试验结果与分析2.1石墨球的预处理及冲击耐磨性试验冲击磨料磨损试验过程中,以玻璃砂与鹅卵石为磨料,在不同冲击功的条件下,爆炸硬化前、后高锰钢磨损量、冲击耐磨性及相对耐磨性的试验结果见表3、表4。2.2高锰钢冲击耐磨性与冲击功比根据以上试验结果绘制出耐磨性与冲击功的关系如图1所示。由表3、图1(a)可知,以玻璃砂为磨料:(1)在试验条件下,爆炸硬化使高锰钢的冲击耐磨性较爆提高20%～40%;(2)爆炸硬化前、后高锰钢的冲击耐磨性随着冲击功的增大均先下降后升高,其中冲击功为1.0J时冲击耐磨性最低,冲击功为2.0J时,冲击耐磨性最高;(3)冲击功为2.0J时,爆后高锰钢的冲击耐磨性较爆前高锰钢提高40%,耐磨性最高。而在0.5J、1.0J冲击功下,爆后高锰钢冲击耐磨性较爆前高锰钢提高20%。因此,以玻璃砂为磨料磨损时,在研究的冲击功范围内,爆炸硬化提高了高锰钢的冲击耐磨性。由表4、图1(b)可知,以鹅卵石为磨料:(1)在冲击功低于1.7J时,爆炸硬化提高高锰钢的冲击耐磨性。冲击功为0.5J与1.0J时,爆炸硬化后高锰钢的冲击耐磨性较爆前高锰钢提高30%～50%;(2)爆炸硬化前、后高锰钢的冲击耐磨性随着冲击功的增大均呈下降趋势,冲击功为0.5J时,爆炸硬化前、后高锰钢的冲击耐磨性均为最高值;(3)爆前高锰钢的冲击耐磨性在冲击功为0.5～1.0J之间大幅下降,冲击功大于1.0J后,爆前高锰钢的冲击耐磨性小幅下降,爆炸硬化后高锰钢冲击耐磨性随冲击功的增大而大幅下降。冲击功大于1.7J时,爆后高锰钢的耐磨性低于爆前高锰钢。冲击功为2.0J时,爆炸硬化后高锰钢的耐磨性是硬化前的80%。因此,以高硬度的鹅卵石为磨料磨损时,爆后高锰钢宜用于低冲击功的工况条件,而不宜在高冲击功的工况条件下使用。2.3高锰钢冲击耐磨性玻璃砂硬度为HV540.0,鹅卵石硬度为HV1237.0。将表3、表4中以玻璃砂为磨料、爆前高锰钢的冲击磨损量记为Ma,爆后高锰钢的冲击磨损量记为Mb,鹅卵石为磨料、爆前高锰钢的冲击磨损量记为Mc,鹅卵石为磨料、爆后高锰钢的冲击磨损量记为Md,并令εc=Ma/Mc,εd=Mb/Md,即在以玻璃砂为磨料条件下的爆前高锰钢为标准试样时,εc表示以鹅卵石为磨料时爆前高锰钢的相对耐磨性;在以玻璃砂为磨料条件下的爆后高锰钢为标准试样时,εd表示以鹅卵石为磨料时爆后高锰钢的相对耐磨性。根据表3、4可绘制出如图2所示的冲击功与相对耐磨性的关系图。由上述定义及图2可知:(1)εc表示磨料硬度对爆炸硬化前高锰钢冲击耐磨性的影响:在以高硬度的鹅卵石为磨料的条件下,高锰钢的耐磨性比以较低硬度的玻璃砂为磨料时高很多;εc的数值随着冲击功的增大而以一定速率下降;当冲击功由0.5J升高到2J时,εc值由5.8降至3.3。(2)εd表示磨料硬度对爆炸硬化后高锰钢冲击耐磨性的影响:在以高硬度的鹅卵石为磨料的条件下,冲击功的增大,εd的数值先略升高,然后大幅度降低;冲击功低于1.7J时,εd≥εc,即爆炸硬化提高高锰钢的耐磨性;冲击功低于1.0J时,εd达到最高值;冲击功高于1.7J时,εd≤εc,即爆炸硬化降低高锰钢的耐磨性。由上述图表可知,在试验范围内,在以低硬度的玻璃砂为磨料时,爆炸硬化能提高20%～40%的冲击耐磨性。但在以高硬度的鹅卵石为磨料的条件下,只宜用于冲击功低于1.7J的工况条件。2.4爆前、爆后高锰钢磨损形貌及能谱分析图3为以玻璃砂为磨料,不同冲击功下爆前、爆后高锰钢磨损表面的扫描电镜形貌图。其中,对图3(b)中A处进行能谱分析表明,其白色嵌入物质均为玻璃砂磨料(图4(a))。由图3可得以玻璃砂为磨料下,爆前、爆后高锰钢磨损形貌、嵌入物数量及产生原因如表5所示。图5(d)为以鹅卵石为磨料,不同冲击功下爆前、爆后高锰钢的磨损形貌图。其中,对图5(a)中B处进行能谱分析表明,其白色嵌入物质均为鹅卵石磨料(图4(b))。由图5可得以鹅卵石为磨料下,爆前、爆后高锰钢磨损形貌、嵌入物数量及产生原因如表6所示。纵观所有磨损形貌可看出:在相同冲击功条件下,以玻璃砂为磨料,高锰钢表面磨损形成分布密集、深而宽的凿削坑、剥落坑和划痕,部分高锰钢出现大块剥落;以鹅卵石为磨料,高锰钢磨损面出现较以玻璃砂为磨料时明显浅而窄、分布断续的凿削坑、划痕和剥落坑,磨损面未出现大块剥落,耐磨性远高于以玻璃砂为磨料的高锰钢。3机制分析3.1高锰钢冲击耐磨性爆炸硬化是靠炸药爆轰与金属表面的相互作用在金属表面产生强烈的冲击波,这种高密度的冲击波在金属中传播,使金属晶格发生扭曲,改变金属材料的内部结构,使表面和深层金属的硬度得到大幅度提高。从试验结果可知,爆炸硬化大幅度提高了金属表面和一定深度范围内的硬度(图6),但同时也降低了金属表层及一定深度范围内的韧性(图7)。爆后高锰钢在以玻璃砂为磨料磨损条件下使用,可提高高锰钢冲击耐磨性。对此可解释如下:在相同冲击功、低硬度磨料条件下,高锰钢的加工硬化能力较高硬度磨料磨损时难以发挥,但爆炸硬化大幅提高了高锰钢的表面硬度,可弥补其使用初期不能快速加工硬化,导致表面硬度低的问题,明显提高高锰钢的冲击耐磨性。以鹅卵石为磨料,冲击功小于1.7J时,爆后高锰钢的冲击耐磨性高于爆前高锰钢。可按小能量多冲理论来解释此现象:在高硬度磨料磨损时,低冲击功(<1.5J)下的磨料磨损,材料抗疲劳剥落性能主要取决于材料的强度(或硬度);在高冲击功(>1.5J)下,材料多冲抗力的指标是材料的韧性。爆炸硬化大幅度提高了高锰钢表层及一定深度的硬度,因此在低冲击功下磨损时,爆后高锰钢表面的高硬度可弥补爆前高锰钢不能快速加工硬化导致表面硬度低的问题,提高高锰钢的冲击耐磨性。冲击功大于1.7J后,决定高锰钢冲击耐磨性的主要指标由硬度转变为韧性,爆炸硬化在大幅升高高锰钢表面硬度的同时,也急剧降低了其韧性,而低于爆前高锰钢,因此冲击功大于1.7J后,爆后高锰钢的冲击耐磨性低于爆前高锰钢。由此可见,爆炸硬化使高锰钢表层硬化和冲击韧性降低是冲击耐磨性发生变化的主要原因。3.2试验研究的基础由试验结果可知:在试验研究的范围内,相同的冲击载荷条件下,在高硬度磨料作用较低硬度磨料作用更能使高锰钢迅速的加工硬化,冲击耐磨性更高,因此以鹅卵石为磨料下高锰钢的冲击耐磨性成倍的高于以玻璃砂为磨料的高锰钢。这是因为在相同冲击功条件下,高硬度磨料较低硬度磨料对高锰钢的挤压作用更强,对高锰钢作用产生的应力作用更大。众所周知,塑变是高锰钢加工硬化的宏观机制。在应力水平较低的环境下,塑变仅对应滑移带出现,塑变区域也较小,宏观上表现为硬化特征不明显,抗磨损能力不高。在大应力作用下,受力区域晶粒发生严重塑变,产生晶粒扭歪,滑移带弯曲等行为,产生塑变的区域大,这些区域除了本身获得较强硬化外,亦作为硬质区域分布在表面抑制附近区域的塑变从而加速硬化过程。塑变区域越大,高锰钢的加工硬化能力发挥得越快、越充分,宏观上表现出的抗磨损性能越好。因此在试验研究的范围内,爆后高锰钢在以下冲击磨损条件下使用可提高其冲击耐磨性:(1)低硬度磨料(玻璃砂)下磨损;(2)高硬度磨料(鹅卵石)、冲击功小于1.7J下磨损。4高锰钢冲击耐磨性分析在试验条件下,可得出以下结论:(1)在低硬度磨料(玻璃砂)冲击磨损的条件下,爆炸硬化使高锰钢的冲击耐磨性提高20%～40%。当冲击功为2.0J时,爆后高锰钢的耐磨性为2.3,为3种冲击功条件下的最大值。(2)在高硬度磨料(鹅卵石)冲击磨损的条件下,冲击功小于1.7J,爆炸硬化使高锰钢的冲击耐磨性提高30%～50%。当冲击功为0.5J时,爆后高锰钢的冲击耐磨性