本發明涉及材料科學與工程，尤其涉及在強沖擊載荷或高接觸應力服役條件下提高高錳鋼初期耐磨性的復合處理方法。

背景技術：

1、高錳鋼，俗稱耐磨高錳鋼，通常是整體經1000～1100℃水韌處理得到奧氏體組織后進行服役的。高錳鋼制件中的奧氏體組織穩定，且具有非常高的形變強化（應變硬化）能力、優良的塑性、韌性和耐磨性等力學性能。

2、廣泛應用的耐磨高錳鋼制件作為耐磨材料可以在強烈沖擊載荷、或高接觸應力作用下具有優異的耐磨性，其原因是由于高錳鋼具有非常高的形變強化能力，在載荷作用下其表層能夠發生塑性變形而迅速硬化、硬度得到急劇升高，而使其耐磨性得到大幅提高。且外加沖擊載荷越大、接觸應力越高，其自身表層硬度增加的越多，耐磨性提高的幅度也就越大。因此，水韌處理后的高錳鋼制件通過表層的加工硬化而具有優異的耐磨性。此外，在外加載荷持續作用下制件表層的硬化層不斷被磨耗掉的同時，其裸露的次表層奧氏體又會成為新的表層、并連續不斷地形成新的加工硬化層，從而保證高錳鋼在全壽命服役期的使用過程中一直保持著高的耐磨性。并且在高錳鋼制件表層硬度得到增加、耐磨性得到提高的同時，其內部沒有發生任何組織變化、仍為韌性優良的奧氏體，因而高錳鋼制件由于可以承受強烈的沖擊載荷而不會發生脆斷而具有非常高的安全可靠性。高錳鋼這一特殊的性能使其作為耐磨制件長期得以廣泛應用于鐵路、冶金、礦山、建材、電力、煤炭等機械裝備中，如鐵路轍叉、破碎機錘頭、齒板、軋臼壁、挖壁機斗齒、球磨機襯板等。

3、但耐磨高錳鋼制件服役前的原始奧氏體組織硬度低，一般在200hb左右。因而，在服役初期高錳鋼制件表層會在外加載荷初期作用下發生較大塑性變形及較大外形尺寸變化，導致摩擦副之間的接觸精度降低、摩擦系數增大，而降低了高錳鋼制件服役初期、及至整個服役期的壽命。為了提高高錳鋼制件的初期耐磨性，國內外研究者通常通過提高高錳鋼制件整體和表層的硬度、強度來達此目的，所采用的方法，包括比如：

4、1、整體合金化，即通過添加合金元素提高高錳鋼制件的整體硬度和強度

5、目前，高錳鋼制件最典型的材料為zg120mn13類型。根據國家標準《gb／t?5680-2010?奧氏體錳鋼鑄件》中所規定化學成分及其含量要求，普通耐磨高錳鋼制件的化學成分及其含量大致為c：0.75～1.35%，mn：11～14%，si：0.3～0.9%，s≤0.04%?p≤0.06%。在此基礎上添加一些合金元素是目前提高高錳鋼制件耐磨性的主要手段之一。

6、一般地，高錳鋼制件的合金化處理主要是在傳統成分的普通高錳鋼中加入cr、mo、v、ti、n、稀土等合金元素，并經水韌處理后在其細小奧氏體晶粒的基體上獲得均勻彌散分布的碳化物，通過固溶強化、細晶強化、析出強化等強化機理來提高高錳鋼制件的初期耐磨性和全壽命服役期的耐磨性。公開號為cn114196892a的專利申請《一種nb-v合金化高錳鋼及其制備方法和應用》和公開號為cn115852235a的專利申請《一種高抗拉強調高錳鋼合金化的方法》分別報道了在普通高錳鋼的化學成分基礎上添加cr、mo、v、nb、n等多元合金和添加cr、mo、v、ti等多元合金與稀土后，高錳鋼的屈服強度、抗拉強度以及初期耐磨性均得到大幅度提高。而公開號為cn1451777的專利申請《鐵路轍叉專用含氮奧氏體錳鉻鋼》報道了在普通高錳鋼化學成分的基礎上添加一定量的n、cr、v、稀土和cu元素，使高錳鋼轍叉的使用壽命提高了50～80%。

7、2、分散鑲鑄強化，即采用分散鑲鑄法制備出奧氏體基復合材料并進而對此復合材料進行處理以獲得強化效果

8、在張增志編著的《耐磨高錳鋼》（北京：冶金工業出版社，2002年12月，第331～333頁）中對采用分散鑲鑄法制備出奧氏體基復合材料作為高錳鋼制件作了介紹，即：分散鑲鑄法是在高錳鋼制件的鑄造過程中，在其內部鑲鑄一定直徑和數量的65mn彈簧鋼絲而制備出復合材料的一種方法。這種復合材料經過水韌處理后，由于彈簧鋼絲淬火成馬氏體，高錳鋼基體為奧氏體，因而得到了在高錳鋼制件的奧氏體基體上分布著強度較高的長條馬氏體網狀纖維束的奧氏體基復合材料，實現了高錳鋼的分散鑲鑄強化。

9、3、整體時效處理，即采用時效處理提高高錳鋼制件的整體硬度

10、高錳鋼制件的內部組織為單相奧氏體，當整體進行時效處理時可以使其奧氏體組織中的碳脫溶并以碳化物的形式析出。通過控制時效處理工藝、或控制水韌處理和時效處理組合工藝，可以獲得在軟的奧氏體基體上均勻彌散分布著細小碳化物的硬質點，而有利于提高高錳鋼制件的初期耐磨性。公開號為cn114196892a的專利申請《一種nb-v合金化高錳鋼及其制備方法和應用》也報道了高錳鋼經cr、mo、v、nb、n等多元合金化處理后，采用了合理的水韌處理和時效處理相結合的工藝，使得在高錳鋼奧氏體的基體上析出有納米至亞微米級nb(c,n)、v(c,n)強化相，使合金化高錳鋼的屈服強度和初期耐磨性、以及高錳鋼鐵路轍叉的使用壽命得到提高。

11、上述三種方法，雖然可以提高高錳鋼制件的表層硬度，有利于外加載荷初期作用下塑性變形程度減小，摩擦副之間接觸精度增加，最終改善高錳鋼制件的初期耐磨性，但制件內部的硬度也同時提高，從而導致制件內部的塑性和韌性降低，影響其使用安全性，而塑性和韌性的降低也將導致高錳鋼制件在強沖擊載荷或高接觸應力條件下全壽命服役中、后期的耐磨性降低，而導致全壽命服役周期縮短。針對高錳鋼的合金化方法，合金元素的加入無疑增加了制件的成本；針對高錳鋼制件的分散鑲鑄強化工藝，還將存在如下的使用隱患，即其所獲得的奧氏體基復合材料在服役期間，奧氏體與強化纖維之間有可能發生分離形成裂紋，而導致耐磨性降低；針對整體時效處理方法，由于碳化物的析出雖然可以使高錳鋼的表面硬度增加、初期耐磨性提高，但同樣也會使內部硬度增加，而內部硬度的增加也將損害高錳鋼的塑性、韌性和形變強化性能，而使高錳鋼制件在強沖擊載荷或高接觸應力條件下的全壽命服役中、后期的耐磨性降低，特別是時效處理時碳化物通常沿奧氏體晶界呈網狀連續析出，而會極大地損害高錳鋼制件的塑性、韌性和形變強化性能，因此，一般地針對強烈沖擊或高接觸應力服役條件下的場合，高錳鋼制件不進行時效處理，僅僅是在非強沖擊載荷服役條件下的場合，高錳鋼制件才進行時效處理。

12、4、采用表面時效處理方法提高耐磨高錳鋼制件的表面硬度

13、如前所述，時效處理可以使高錳鋼奧氏體基體上有碳化物的析出而使其硬度和強度提高。而碳化物在奧氏體基體上的析出雖然可以提高高錳鋼制件的硬度和強度、而使其初期耐磨性提高，但卻有可能降低奧氏體的塑性和韌性而使其安全穩定性受到損害，且其全壽命服役期的耐磨性和使用壽命也會降低，因此若采用整體時效處理，高錳鋼制件的初期耐磨性雖然得到提高，但其全壽命服役期的耐磨性和使用壽命不一定會得到提高。因此，授權公告號為cn100467626c的專利《提高高錳鋼初期耐磨性的表面時效處理方法》通過采用火焰加熱、電接觸加熱、感應加熱、輻射加熱和/或激光加熱等加熱方式僅僅對整體經過水韌處理的普通高錳鋼制件或合金化高錳鋼制件表層進行時效處理，在高錳鋼制件的表層奧氏體基體上均勻彌散分布著細小碳化物的硬質點，使其初期耐磨性提高；而內部仍為具有高塑性和韌性的奧氏體組織，而可以使高錳鋼制件不但保證了服役期的安全可靠性，而且表面硬度由176～188hv提高到285～331hv，耐磨性得到大幅度提高。

14、但是，該技術方案需要額外增加處理設備以及存在溫度不能準確控制等問題；尤其，其所獲得的高錳鋼制件表面性能依舊不能符合使用要求與期待。

15、5、采用表面合金化方法提高耐磨高錳鋼制件的表面硬度

16、高錳鋼制件表面合金化方法是利用澆鑄時鋼液的高溫作用使預先涂刷在鑄型表面含有合金粉料的涂料發生熔化和擴散、待高錳鋼制件凝固成型后在其表面形成一層與高錳鋼制件成分、組織和性能不同的硬化層。公開號為cn1327028c的專利《表層或局部梯度強化耐磨錳鋼復合材料及制備工藝》采用了表面或局部合金化的方法，使表面或局部強化層為硬度較高的碳化鈦+馬氏體+介穩定奧氏體、中間過渡層為梯度漸變的碳化鈦+馬氏體+穩定奧氏體的復合組織結構，而內部仍為高韌性的奧氏體。這樣，大幅度地提高了高錳鋼的綜合機械性能。

17、6、采用激光熔覆方法提高耐磨高錳鋼制件的表面硬度

18、激光熔覆方法是利用高能量密度的激光束將粉末材料熔覆在高錳鋼制件表面，而在其表面獲得優良力學性能涂層的表面改性方法。激光束將粉末熔化后所形成的液態合金在基體材料高導熱作用下以極高冷速快速結晶凝固，而形成與基體呈牢固、良好的冶金結合、以及細小均勻顯微組織的涂層，因此可使高錳鋼制件具有非常優異的力學性能和耐磨、耐蝕性能。公開號為cn110344048a的專利《高錳鋼轍叉的激光熔覆層及其制備方法和高錳鋼轍叉》采用激光熔覆方法用431-co-40粉末在高錳鋼轍叉頂面涂覆一層厚度為5～7mm的合金涂層時，高錳鋼轍叉頂面激光熔覆層的硬度大于34hrc，而可以延長高錳鋼轍叉的使用壽命。

19、然而，表面合金化法和激光熔覆法等工藝，存在表面合金層或涂層的深度不易控制或者表面制備層和高錳鋼制件結合不牢靠的問題。

20、7、采用表面形變強化方法提高耐磨高錳鋼制件的表面硬度

21、爆炸硬化處理方法是目前高錳鋼制件較為常用的一種表面形變強化方法。它是利用鋪設在高錳鋼制件表面上的炸藥被引爆后能在極短時間(10-9s)內將所產生的高壓(3×104mpa)作用到其表面上，并使其發生塑性變形而得到較深厚度的硬化層。硬化層的表面硬度可以達到300～500hb。鋪設的炸藥厚度越厚、爆炸的次數越多，硬化層就越厚。目前，高錳鋼制件，特別是軌道交通用高錳鋼轍叉通常采用爆炸硬化處理來提高其初期耐磨性。崔宇琳、丁志敏、蘇冬雪等人在2021年第42卷第2期的《大連交通大學學報》82～86頁上發表了《爆炸硬化的110mn13鋼高接觸應力下的初期耐磨性》的論文，論文對110mn13高錳鋼進行爆炸硬化處理后，其表面硬度由311hv大幅提高到557hv，而用體積損失量表示的初期耐磨性提高了近60%。

22、高錳鋼制件的表面形變強化方法除了爆炸硬化方法之外，還有滾壓、噴丸、機械沖擊硬化等，這些方法均是通過使高錳鋼表面發生塑性變形而達到強化目的。公告號cn101717847a的專利申請《高錳鋼轍叉機械沖擊硬化加工方法》采用風鎬沖擊高錳鋼轍叉工作表面可以使其表面硬度達到470～520hb、硬化層深度達到10mm以上，使高錳鋼轍叉的使用壽命提高60%以上。

23、表面形變強化方法是提高耐磨高錳鋼制件在強沖擊載荷或高接觸應力服役條件下初期耐磨性和全壽命服役周期耐磨性的最有效的方法，因此，到目前為止，如軌道交通用高錳鋼轍叉這樣在強沖擊載荷下服役的制件通常采用爆炸硬化處理來強化其重要部位。但隨著軌道交通高速、重載以及重型裝備大型化的發展，對這些更為嚴苛惡劣工況下使用的高錳鋼制件提出了更高性能，特別是更高初期耐磨性的要求。

24、綜上，現有技術針對提高高錳鋼制件的初期耐磨性、或全壽命服役周期耐磨性的工藝方法進行了許多的探索與嘗試，無疑顯示出本領域對于相關的技術與產品有著諸多更優良的性能期待，以及反映出廣泛而迫切的市場需求；同時，現有技術顯然尚未能滿足這種期待與需求，尤其對于需要承受強沖擊載荷或高接觸應力的場合，如何實現真實有效和更為顯著地提高高錳鋼制件初期耐磨性及其全壽命服役耐磨性成為本領域焏待解決的工藝難題。

技術實現思路

1、鑒于現有技術所存在的技術問題和不足，本發明旨在開發一種提高高錳鋼初期耐磨性的復合處理方法，在不損失高錳鋼制件本身所具有的韌性好、承載硬化高、全壽命服役周期耐磨性高等性能優勢的前提下，進一步提高高錳鋼的表面硬度和初期耐磨性，以更好地滿足對于相應制件在強沖擊載荷或高接觸應力服役條件下的機械性能與使用性能的要求，并同時具備工藝簡單有效和高性價比的特點。

2、本發明的技術解決方案是這樣實現的：

3、一種提高高錳鋼初期耐磨性的復合處理方法，依次包括下述步驟：

4、（1）對高錳鋼制件整體進行水韌處理；

5、（2）機械加工；

6、（3）進行表面塑性變形；

7、（4）整體時效處理，其中，加熱溫度等于或低于所述制件內部奧氏體基體上開始析出碳化物的時效處理溫度。

8、具體的，步驟（4）中，將所述制件加熱到內部奧氏體開始析出碳化物的溫度以下0~150℃；

9、具體的，步驟（4）中，所述制件加熱到300～600℃，并依據制件的有效厚度、加熱溫度和合金元素含量保溫2～7h后自然冷卻或在介質中冷卻。

10、步驟（3）中，所述表面塑性變形工藝可以采用爆炸處理、超聲沖擊、機械沖擊或激光沖擊。

11、所述高錳鋼制件是普通高錳鋼制件，滿足國家標準《gb／t?5680-2010?奧氏體錳鋼鑄件》中所規定化學成分及其含量要求；或者是在普通高錳鋼制件的基礎上添加一種或多種合金元素的合金高錳鋼制件，所添加的合金元素包括鉻、鉬、鎳、鈦、釩、硼、鋁、氮、鈮及稀土元素。

12、所述高錳鋼制件包括鑄件、熱鍛成型件或熱軋成型件。

13、本發明所述的復合工藝中，對經水韌處理和機械加工后的高錳鋼制件，進一步實施了包括表面塑性變形和整體時效處理的復合工藝，取得了顯著的效果：即這種復合工藝在充分利用高錳鋼表面塑性變形時在表層奧氏體晶粒中產生大量均勻分布的孿晶、位錯和空位等晶體缺陷所起到的形變強化作用和孿晶分割奧氏體晶粒所起到的細晶強化作用的同時，又在隨后時效過程中實現并強化孿晶等晶體缺陷促使碳化物顆粒從富含晶體缺陷的孿晶界上均勻彌散地析出起到的沉淀強化作用，以及反過來釘扎孿晶界保證奧氏體仍為細小晶粒的作用；從而達到在顯著提高表層硬度同時，其內部組織保持未轉變狀態、仍為韌性高的奧氏體的效果；也即通過表層的更高硬度進一步確保高錳鋼在強沖擊載荷或高接觸應力初期作用時產生的外形尺寸變化更小，維持摩擦副之間的接觸精度更高，進而提高其在強沖擊載荷作用下的初期耐磨性；以及同時內部的高韌性確保高錳鋼保持原有的性能優勢和使用安全可靠性不受損害，和在服役中、后期的優異耐磨性，保證了高錳鋼制件全壽命服役周期內的安全穩定性和使用壽命。相比現有通過提高表面硬度來提高高錳鋼初期耐磨性的方法，本發明的方法不僅工藝簡單、操作性強，尤其在內部塑性維持穩定前提下，表面硬度獲得了更為顯著的提高，并具有性能更加穩定的特點，而使高錳鋼制件的初期耐磨性、乃至全壽命服役周期使用壽命的顯著提高。