高锰钢作为耐磨材料，经水韧处理后得到单相奥氏体。随着冲击载荷增加，奥氏体钢表面在高的载荷作用下会发生加工硬化，使其硬度提高，同时心部保持较好的塑性和韧性，表现出良好的耐冲击和耐磨性能[1-4]，被广泛应用于矿山冶金、水利电力、国防建材、能源化工等领域，20 世纪五、六十年代我国将之称作“万能耐磨材料”。然而，工业实践证明，仅在强冲击和高强应力作用下，高锰钢的表面加工硬化层才能较初始态具有显著提升；当冲击载荷较小时，高锰钢的加工硬化性能难以发挥，从而影响高锰钢工件的耐磨性能及其使用寿命[5-9]。
近年来，国内外学者对高锰钢使用性能进行了研究。Majid 等[10]对比分析了Al 强化高锰钢与标准高锰钢在高低应力下的磨损行为。结果表明，在低应力条件下，含Al 高锰钢比标准高锰钢具有更高的耐磨性，但在高应力磨损条件下，标准高锰钢的耐磨性比Al 强化高锰钢好。Feng 等[11]对高锰钢表面进行喷丸处理，在其表面形成一层具有梯度的纳米晶层，高锰钢的耐磨性显著提高。这些研究探索了提高高锰钢耐磨性的方法，但有关冲击载荷对高锰钢在耐磨性方面的研究仍太少。因此，本文通过对常用铸造高锰钢在不同冲击功作用下的加工硬化效果与磨损性能进行研究和探讨，并对比实际工况，分析其磨损机理，为高锰钢材料的工业应用提供参考。
1 实验材料及方法
1.1 实验材料
实验用ZGMn18Cr2 是以废钢、电解锰、硅铁、铬铁、纯铝(脱氧剂)等为原材料，在实验室采用中频感应电炉熔炼铸造获得。浇铸前通过直读光谱仪测定钢液成分，保证成分与设计一致，在水玻璃砂型中浇铸成Y 型试样。铸态试样经1 100 ℃水韧处理后得到实验材料。Y 型试块和圆锥失效件均为ZGMn18Cr2，其化学成分如表1 所示。实际工况使用后的试样为单缸液压圆锥破碎机圆锥失效件，其破碎原料为花岗岩，成分主要为石英。工作时，花岗岩石料从顶端进入料斗并持续添加，电动机通过传动装置带动偏心套旋转，动锥在偏心轴套的带动下做旋转摆动，物料由于重力作用进入动锥与定锥间，受动锥与定锥的多次挤压和撞击而破碎。总体而言，工作过程耐磨圆锥的服役环境具有高磨损与强冲击的特点。
表1 实验材料化学成分w/%
Tab.1 Composition of the tested materials
元素 C Si Mn Cr P S Fe Y 型试块 1.31 0.48 17.91 1.92 0.038 0.006 Bal.圆锥失效件 1.32 0.59 18.17 1.93 0.038 0.010 Bal.
1.2 实验步骤和方法
在热处理后的Y 型试块上，离试块表面5 mm 的有效使用位置采用线切割切取内径为21 mm、外径为38 mm，厚度为10 mm 的冲击磨损试样；纵截面金相试样分别在实际使用和冲击磨损试验后的试样上，垂直于磨损表面用线切割切取。冲击磨料磨损实验在MLD-10 型冲击磨损试验机上进行，上试样为52 HRC 的合金钢，尺寸为10 mm×10 mm×30 mm，其固定于冲锤上，经偏心轮带动到达设定高度时，随冲锤做自由落体运动，冲击下试样(试验材料)，由于下试样的转动，上、下试样接触时能产生一定的切向相对运动。石英砂(粒径为0.88～1.00 mm)磨料覆盖住下试样，并在搅拌器的作用下不断进入磨损界面。上试样冲击频率为93 次/min，下试样转速为200 r/min。
分别选用1、2、3 J 3 个冲击功进行冲击磨料磨损实验，先进行10 min 预磨损，使上、下试样磨合，再进行正式实验。每隔30 min，拆卸下试样并在酒精中超声清洗，干燥，再用0.1 mg 的分析天平称重，记录实验结果，更换新沙进行下一组实验。不同试样取3 组平行试样作为最终实验结果。
用Carl Zeiss Gemini 300 型扫描电镜观察冲击磨料磨损试样的表面磨损形貌，用线切割沿垂直于磨面方向切取试样，用Leica DMI 3000M 型金相显微镜观察亚表层组织形貌，用Zwick/Roell 显微硬度计沿垂直于磨损表面方向进行内部硬度测试，每个深度测3 个值，取其平均值。
图1 试验机工作原理示意图
Fig.1 Schematic diagram of the working principle of the test machine
2 实验结果与分析
2.1 磨损特性分析
冲击功与ZGMn18Cr2 磨损特征的关系如图2所示，从图2(a)磨损失重随时间变化曲线可以看出，在3 种冲击功下，材料的累计磨损失重均随着时间的延长而增加。本实验中，在相同的磨损时间内，材料的磨损失重随着冲击功的增加，呈现下降趋势。在3 J冲击功的冲击磨损作用下，高锰钢平均失重率为0.254 2 g/h；而在1 J 冲击功的冲击磨损作用下，其平均失重率达0.586 6 g/h。图2(b)为各冲击功下不同时间段的失重率变化趋势，可以看出，1 J 和2 J 冲击功下，随着磨损时间的延长，其不同时间段的磨损失重率呈下降趋势，且相邻时间段失重率的差值呈现递减趋势，而在3 J 冲击功作用下，仅在第1 个0.5 h 内磨损失重率较高，从第2 个0.5 h 开始失重率基本保持稳定。
图2 不同冲击功下高锰钢的磨损特性
Fig.2 Wear resistance of ZGMn18Cr2 high manganese steel under different impacts
2.2 组织及力学性能分析
ZGMn18Cr2 高锰钢经不同冲击功冲击磨料磨损作用下垂直于磨损截面的亚表层金相组织，如图3 所示。从图中可以看出，在冲击作用下，材料亚表层均出现滑移带，且滑移带的数量与冲击功的大小呈正相关。在1 J 冲击功下，仅在材料磨损面下约50 μm内，可见局部的尺寸较短的滑移带；当冲击功达2 J时，可在磨损面下约150 μm 内看到滑移带存在，并开始出现交滑移；随着冲击功进一步提高到3 J，可见滑移带的范围增加到磨损面下约300 μm 以内，且滑移带长度变长，密度增大，交滑移的数量也进一步增加。从实际工况使用后的单缸液压圆锥破碎机圆锥失效件纵截面亚表层金相组织可以看出，在放大50 倍(约600 μm 深)的金相组织中布满了高密度的滑移带，且并没有完全包含滑移带的深度，高密度的滑移带相互交叉、阻滞或截割，使高锰钢材料的加工硬化得到较充分发挥。
图3 ZGMn18Cr2 高锰钢纵截面金相组织
Fig.3 Longitudinal section metallographic structure of the ZGMn18Cr2 high manganese steel
ZGMn18Cr2 高锰钢经不同冲击功冲击磨料磨损作用下垂直于磨损截面的硬度变化趋势，如图4所示。维氏硬度测试是在加载力为0.49 N、保载时间为10 s 的条件下，从材料磨损表层每隔一定距离沿纵截面往里测试。从图中可以看出，经过冲击磨料磨损后，高锰钢均有一定的加工硬化，同时加工硬化程度和硬化层深度与冲击功的大小有紧密的联系。从亚表层的最高硬度分析，1、2、3 J 冲击功下材料测试所得的最高硬度分别为448、478、545 HV，可见随着冲击功的增加，高锰钢的加工硬化行为更加显著；从硬化层深度分析，1、2、3 J 冲击功下材料测试所得的硬化层深度分别为0.19、0.29、0.7 mm，体现出了与最高硬度相同的规律。相较于实际使用工况下的耐磨圆锥，3 J 冲击功下，高锰钢的最高硬度基本与实际使用工况下的最高硬度相当，但实际使用工况下的高锰钢硬化层深度约为2.8 mm，较实验室环境下的测试结果有很大提高。
图4 不同冲击功下高锰钢厚度方向的硬度曲线
Fig.4 Hardness of the ZGMn18Cr2 high manganese steel in thethickness direction under different impacts
2.3 磨损形貌分析
在冲击磨粒磨损试验过程中，试验试样受到上试样的冲击作用、上试样与下试样接触过程中接触磨损以及磨粒对试样三体磨损的综合作用。ZGMn18Cr2高锰钢经不同冲击功冲击磨料磨损作用下的损伤表面扫描形貌如图5 所示。从图中可以观察到，不同冲击功作用下的损伤表面均呈现高应力磨粒磨损状态下的微观形貌，磨损表面存在大量的切削划痕、犁沟、犁皱，局部位置有剥落。
图5 不同冲击功下高锰钢的表面损伤形貌
Fig.5 Surface damage morphology of ZGMn18Cr2 high manganese steel under different impacts
切削磨损是由于具有尖锐棱角的高硬度石英砂在上试样法向冲击载荷的作用下，局部被压入金属表面后，在切向力作用下磨粒向前推进，而材料被推移到磨料运动路径的两侧或前方，从而形成犁沟与犁皱的一种磨损形式[12]。当材料硬度较低时，硬的磨粒在摩擦过程中与材料表面做相对切向运动，使材料表面产生剪切并剥落，构成典型的切削磨料磨损[13]。这些变形堆积的材料在受到随后的冲击磨损时，被重新压平，或者使已变形的材料再次产生犁沟和犁皱变形。如此反复的塑变，使材料受到剧烈的塑性损伤，不足以承受外力，很容易在其他磨料的作用下被磨掉剥落，表现为多次塑变导致剥落的磨损机理[14]。
对比1 J 和3 J 冲击功作用下的磨损表面发现，在1 J 冲击功作用下，磨损表面有石英砂磨粒压入，存在犁沟、犁皱，切削划痕长，切削痕迹明显，塑性损伤严重的部位存在较大的剥落坑。在3 J 冲击功作用下，材料的损伤表面以较短的切削划痕和较多的犁沟、犁皱为主。
综上所述，冲击功的大小对ZGMn18Cr2 高锰钢的组织与性能影响显著，其最主要的作用是对高锰钢加工硬化的影响，而加工硬化率和加工硬化深度又直接影响材料的磨损性能和表层磨损形貌。从图4不同冲击功下的硬度数据可以看出，在1 J 和2 J 冲击功作用下无法充分发挥材料的加工硬化能力，而当冲击功达到3 J 后，其亚表层的最高硬度方能与实际应用工况下的耐磨圆锥的加工硬化最高硬度相当；同时，在1 J 和2 J 冲击功下，加工硬化层厚度薄，结合1 J 冲击功下磨损后的表面损伤形貌，以长程的切削磨损为主，说明不足以对该种工况下的冲击磨粒磨损进行有效抵抗；当冲击功达到3 J 后，高锰钢的加工硬化效果得到了较为充分的发挥，在冲击磨粒磨损的作用，由于表层硬度高，加工硬化层达到了一定的厚度，相较于低冲击功的作用下，材料表层的损伤以短程磨削为主，其抵抗磨损能力进一步增强。从图2(b)中同一冲击功、不同时间段的磨损失重率可看出，冲击功越低，ZGMn18Cr2 高锰钢达到稳定的加工硬化效果所需的时间越长。说明高锰钢的加工硬化不仅受到冲击能量大小的影响，而且与其受到的累积能量的影响有关，在冲击作用下，材料亚表层位错不断增殖、运动，发生交割、缠结、塞积等，从而逐步达到动态稳定加工硬化的效果[15-16]。
3 结论
(1)随着冲击功的增加，ZGMn18Cr2 高锰钢的加工硬化效果逐渐显著，当冲击功达到3 J 时，其加工硬化能力得到较充分的发挥。
(2)在1 J 的冲击功作用下，材料亚表层滑移带密度低，深度浅；随着冲击功的增大，滑移带密度和深度依次递增，当冲击功达到2 J 时，开始出现交滑移现象。
(3)ZGMn18Cr2 高锰钢的磨损机理主要表现为切削磨料磨损和多次塑性变形导致的剥落磨损，且随着冲击功的增加和磨损时间的增长，材料的耐磨优势更加明显。
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