本文意在解决高锰钢在低应力条件下耐磨性较差的缺点,同时满足其在高应力冲击下保持较好的冲击韧性,开展了高锰钢表面等离子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层的探索,研究了高65锰钢板锰钢表面等离子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层后,以及对FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层/高锰钢基体进行时效处理后的组织与性能的演变,探明Ti元素的添加以及时效处理对于FeCoNiCrMn系高熵合金涂层组织与性能的影响,为后续在高锰钢表面制备出能够承受高低应冲击高熵合金耐磨涂层提供参考。
试验结果表明:FeCoNiCrMnTix高熵合金涂层在熔覆后表层晶粒结构为等轴晶,同时有少量共晶组织产生,熔覆层中部为树枝晶,与基体接触的熔覆层底部为胞状晶;在时效后熔覆层整体的等轴晶增多,相应的树枝晶和胞状晶有所减少。熔覆后FeCoNiCrMnTix的物相构成比较单一稳定,65mn冷轧钢板当x=0的时候熔覆层的物相组成由单一的FCC相组成,主要相为Fe0.64Ni0.36,当Ti元素加入后,有BCC相Co3Ti产生,且新相Co3Ti的峰值也随Ti元素的增多而提高。在时效过后熔覆层的物相组成没有很大差别,Co3Ti析出物有了明显的增多,峰值也有了明显的提高。整体上各个试样的硬度从熔覆层到热影响区再到基体呈下降趋势。
65mn锰冷轧钢板熔覆后的涂层硬度由表至里变化趋势略下降;时效处理后的涂层硬度由表至里的下降趋势不明显,涂层的硬度较为平均,且时效处理前后的试样 硬度值都随Ti含量的增多而。其中基体的硬度值在220.4HV左右,熔覆后的高熵合金涂层 硬度值为344.5HV。时效处理后FeCoNiCrMnTi0.5高熵合金涂层的 硬度值为469.7HV。
相应的研究结果分别如下:相图计算及膨胀仪热模拟结果表明,65mn锰冷轧钢板Al元素有效拓宽了临界区温度工艺窗口;DICTRA软件对具有相同平衡态两相比例临界区奥氏体化过程的元素配分模拟显示Al元素的添加显著了合金元素（尤其是有利于锰铝等置换元素）的扩散效率,有助于残留奥氏体中碳锰元素的富集与稳定;高铝添加导致δ铁素体存留至室温,降低了含铝中锰TRIP钢抗拉强度的同时了PLC现象;原位拉伸SEM中δ铁素体内大量交错的位错滑移带证明了其良好的应变协调性。
临界区奥氏体化温度通过调控临界区奥氏体比例实现含铝中锰钢的多元强度级别设计。相较含铝中锰TRIP钢而言,以回火马氏体组织为主要基体“骨架”的含铝中锰IQ-TP钢展现出更高的屈服强度;XRD和APT检测到残留奥氏体内的碳锰元素富集、相界面处锰铝元素的偏聚等现象证明了回火配分阶段合金元素的局部平衡（LE）。65锰冷轧钢板IQ--TP工艺下临界区奥氏体化及回火过程两阶段的元素配分促进了残留奥氏体碳锰元素的富集,同时回火马氏体组织切割细化了残留奥氏体晶粒进一步增加了其稳定性,
65锰钢板因而含铝中锰IQ-TP钢表现出优异的力学性能。以4Mn1Al钢为例,其热轧IQ-TP钢,抗拉强度达1425±43MPa,同时延伸率25.9±3.8%,均明显优于含铝中锰TRIP钢抗拉强度1345MPa,延伸率18.9%的 力学性能。而4Mn2Al热轧IQ-TP钢抗拉强度达1319±39MPa,延伸率27.4±1.1%。膨胀仪组织热模拟及EPMA成分分析证实了含铝中锰TRIP钢冷轧退火组织的异常长大现象受控于锰铝元素偏析下关键温度区间的加热速率。富Al贫Mn区抑制了奥氏体的形核,慢加热速率为形变马氏体的再结晶行为及晶粒长大提供了充分的动力学条件。超细晶冷轧含铝中锰TRIP钢由于其较小的位错运动平均自由程,具有明显的屈服平台。异常长大的铁素体带提供了应变初期较高的加工硬化率,有利于缩短材料的屈服平台延伸率。而含铝中锰IQ-TP钢由于马氏体组织及几何必要位错的存在呈现出连续屈服特征。含铝中锰IQ-TP钢的塑性主要源于软相板条形态铁素体的“润滑剂”效应以及残留奥氏体的持续性TRIP效应。
较基体的硬度值有很大。测得高锰钢基体摩擦系数在0.9左右,65锰钢板熔覆后的FeCoNiCrMnTix涂层耐磨性有了一定程度的,且随着Ti含量的增加,耐磨性随之,熔覆后的FeCoNiCrMnTix涂层在Ti0.5的情况下摩擦系数和磨损量达到小值,分别为0.38和10.8mg。
经时效处理后的FeCoNiCrMnTix涂层试样的耐磨性整体上有了很大的,随着Ti含量的增加,其耐磨性也成的趋势。65mn锰冷轧钢板其中时效处理后的FeCoNiCrMnTix涂层在Ti0.5的情况下摩擦系数和磨损量达到小值,分别为0.13和3.6mg。基体磨痕形貌为大量深且宽的滑沟,摩擦类型为磨粒磨损;熔覆后的涂层磨损形貌主要是较浅的滑沟,滑沟处有少量颗粒,且有层片状脱落,磨损形式为粘着磨损与磨粒磨损。在时效处理后,磨损形貌有了明显的改善,滑沟数量变少且更浅,磨粒基本消失。M13高锰钢基体的冲击韧性值经实验测得为148.33J/cm2,熔覆后的试样冲击韧性值在175J/cm2左右,相较于基体有所。
800°时效16小时后的试样冲击韧性值在155J/cm2左右,相较于时效前的试样冲击韧性值略下降,但经时效后的不含Ti元素的试样冲击韧性值达到了182J/cm2。65锰钢板高锰钢基体和熔覆后的涂层断口都含有大量韧窝,为韧性断裂;时效处理后除Ti0.5试样断口含有解理和韧窝,为脆性断裂和韧性断裂之外,其他试样断口均由大量韧窝构成,为韧性断裂。整体上FeCoNiCrMnTix较大程度上提高了M13高锰钢的冲击韧性。
圆锥破碎机是矿山行业中的一个关键设备65锰冷轧钢板,其工作环境复杂且工作量巨大,因此设置耐磨衬板来保护圆锥破碎机的机体结构,作为该设备重要的消耗配件,其性能和使用寿命直接影响圆锥破碎机的工作效率和生产成本。目前我国破碎机衬板广泛采用高锰钢,其特点为屈服强度和初始硬度较低,若无法充分发挥加工硬化作用,高锰钢的耐磨性难以满足圆锥破碎机的使用需求。基于此,本文沿着提高强度和硬度、并保持一定冲击韧性,从而提高综合耐磨性的思路,设计了一种以贝氏体和马氏体为主要组织的圆锥破碎机衬板用贝-马复相耐磨铸钢。研究了贝-马复相耐磨铸钢的相变规律,得到了 Ac1、Ac3和Ms温度分别为762℃、843℃和281℃。
65锰钢板材料的淬透性良好,在40℃/s～0.05℃/s的冷速范围内均可发生马氏体相变,在5℃/s～0.05℃/s的冷速范围内均能够获得一定含量的贝氏体组织。确定了贝-马复相耐磨铸钢的 热处理工艺为900℃×2 h空冷或炉冷+回火300℃×2h,此时的力学性能为:抗拉强度1478 MPa、屈服强度1233 MPa、硬度52.1 HRC、常温冲击功20.6 J。分析了热处理工艺参数对贝-马复相耐磨铸钢力学性能和显组织的影响规律,结果表明:淬火保温温度直接影响原始奥氏体晶粒、马氏体板条束和板条块的尺寸,而对马氏体板条尺寸的影响具有迟滞性。
淬火冷却速度影响组织中贝氏体和马氏体的含量,在马氏体晶界处的Mn、S、C和Si化合物降低了韧性,65mn锰冷轧钢板在贝氏体组织中,大角度晶界和Y2O3的析出物对韧性有益。马氏体组织具有更高密度的位错缠结和更精细的板条组织,因此纳米硬度高于贝氏体组织。通过二体销-盘磨损实验和三体冲击磨料磨损实验对比了贝-马复相耐磨铸钢和Mn13Cr2的耐磨性,结果表明:贝-马复相耐磨铸钢的耐磨性在销-盘磨损和1 J、2 J、4 J冲击磨料磨损时分别比Mn13Cr2高197%和38%、99%、246%。对贝-马复相耐磨铸钢盐雾腐蚀后再进行三体冲击磨料磨损实验,其耐磨性在盐雾腐蚀1 h、2 h、4 h、8 h和24 h后分别降低了 10%、42%、54%、57%和 58%。提出了一种多维度磨损分析方法来阐释贝-马复相耐磨铸钢的耐磨机理。65锰钢板一维磨损分析揭示了沿磨损表面法线方向,贝-马复相耐磨铸钢的加工硬化机理为孪晶、高密度位错和残余奥氏体相变,Mn13Cr2的加工硬化机理为位错缠结和堆垛层错。
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传统高65mn锰钢板（Hadfield钢）在室温下能获得单相奥氏体,具有优良的加工硬化能力和抗冲击能力,因此广泛用作冲击载荷下的耐磨材料。然而较低的屈服强度和初始硬度,导致材料在低冲击载荷下不能完全发挥其耐磨性就发生塑性变形,降低了使用寿命。本文设计出一种轻质超高锰钢（Fe-31.6Mn-8.8A1-1.38C）,具有低密度、高屈服强度、高初始硬度、良好冲击韧性等特点,适用于低冲击载荷下的磨损条件。通过研究时效处理后的相转变、压缩变形、冲击磨损分析了实验钢的强化机理和磨损机理。
实验钢经1050℃保温1.5h水韧处理后获得单相奥氏体,65锰冷轧钢板时效后奥氏体基体会弥散析出纳米级别的κ’-碳化物,有助于屈服强度和初始硬度。在550℃时效2h综合力学性能65锰钢板佳,与仅水韧处理相比屈服强度提高107.4%,初始硬度提高28.7%,其抗拉强度为1041.7 MPa、屈服强度为1002.7 MPa、断后伸长率为17.6%、冲击韧性（V型缺口）为62 J/cm2和硬度为268.5 HB。随着时效温度升高（550℃～900℃）相转变的顺序为:κ’→纳米-κ’+β-Mn→亚米-κ’+β-Mn+α→纳米-κ’。其中四种类型的κ相析出涉及尺寸、形貌和分布被总结,包括晶内型:纳米-κ’（<50nm）,亚米-κ’（>100nm）。
晶间型:κ*（～1μm）。以及片层状κ,存在α+κ群落中。在550℃时效下,纳米-κ’能促进β-Mn沿晶界析出,不需要借助α相;而在700℃和800℃长时间时效下,由于α相的大量析出,其形成主要借助于γ→α反应。通过纳米压痕测试,获得了不同时效温度下基体与析出相的纳米硬度。计算得到理论层错能（SFE）为82.3 mJ/m2,由于平面滑移软化效应,变形模式以位错平面滑动为主,随着变形量的增加,主要的亚结构演变顺序为:平面位错队列→平面位错配置（偶极子和Lomer-Cottrell锁）→泰勒晶格→带。65锰冷轧钢板本研究利用压缩变形,观察到了高层错能下被抑制的形变孪晶以及一种多晶结构。通过分析理论临界孪生应力（σT）,当外加应力大于σT,形变孪晶出现。多晶结构内部以位错缠结为主,通过波状滑移形成了位错胞。并提出了多效协同的强化机理:1)位错平面滑移导致滑移带细化和带形成,2)形变孪晶,3)多晶结构。这些形变亚结构的出现共同限制了位错运动,促进基体内位错密度的不均匀,从而增强了应变硬化。低冲击载荷（0.5 J）下,时效后实验65mn锰钢板耐磨性更好,磨损百分比更低（0.55%～0.57%）。
