本文意在解決高錳鋼在低應力條件下耐磨性較差的缺點,同時滿足其在高應力沖擊下保持較好的沖擊韌性,開展了高錳鋼表面等離子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層的探索,研究了高65錳鋼板錳鋼表面等離子熔覆FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層后,以及對FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層/高錳鋼基體進行時效處理后的組織與性能的演變,探明Ti元素的添加以及時效處理對于FeCoNiCrMn系高熵合金涂層組織與性能的影響,為后續在高錳鋼表面制備出能夠承受高低應沖擊高熵合金耐磨涂層提供參考。
試驗結果表明:FeCoNiCrMnTix高熵合金涂層在熔覆后表層晶粒結構為等軸晶,同時有少量共晶組織產生,熔覆層中部為樹枝晶,與基體接觸的熔覆層底部為胞狀晶;在時效后熔覆層整體的等軸晶增多,相應的樹枝晶和胞狀晶有所減少。熔覆后FeCoNiCrMnTix的物相構成比較單一穩定,65mn冷軋鋼板當x=0的時候熔覆層的物相組成由單一的FCC相組成,主要相為Fe0.64Ni0.36,當Ti元素加入后,有BCC相Co3Ti產生,且新相Co3Ti的峰值也隨Ti元素的增多而提高。在時效過后熔覆層的物相組成沒有很大差別,Co3Ti析出物有了明顯的增多,峰值也有了明顯的提高。整體上各個試樣的硬度從熔覆層到熱影響區再到基體呈下降趨勢。
65mn錳冷軋鋼板熔覆后的涂層硬度由表至里變化趨勢略下降;時效處理后的涂層硬度由表至里的下降趨勢不明顯,涂層的硬度較為平均,且時效處理前后的試樣 硬度值都隨Ti含量的增多而。其中基體的硬度值在220.4HV左右,熔覆后的高熵合金涂層 硬度值為344.5HV。時效處理后FeCoNiCrMnTi0.5高熵合金涂層的 硬度值為469.7HV。
相應的研究結果分別如下:相圖計算及膨脹儀熱模擬結果表明,65mn錳冷軋鋼板Al元素有效拓寬了臨界區溫度工藝窗口;DICTRA軟件對具有相同平衡態兩相比例臨界區奧氏體化過程的元素配分模擬顯示Al元素的添加顯著了合金元素（尤其是有利于錳鋁等置換元素）的擴散效率,有助于殘留奧氏體中碳錳元素的富集與穩定;高鋁添加導致δ鐵素體存留至室溫,降低了含鋁中錳TRIP鋼抗拉強度的同時了PLC現象;原位拉伸SEM中δ鐵素體內大量交錯的位錯滑移帶證明了其良好的應變協調性。
臨界區奧氏體化溫度通過調控臨界區奧氏體比例實現含鋁中錳鋼的多元強度級別設計。相較含鋁中錳TRIP鋼而言,以回火馬氏體組織為主要基體“骨架”的含鋁中錳IQ-TP鋼展現出更高的屈服強度;XRD和APT檢測到殘留奧氏體內的碳錳元素富集、相界面處錳鋁元素的偏聚等現象證明了回火配分階段合金元素的局部平衡（LE）。65錳冷軋鋼板IQ--TP工藝下臨界區奧氏體化及回火過程兩階段的元素配分促進了殘留奧氏體碳錳元素的富集,同時回火馬氏體組織切割細化了殘留奧氏體晶粒進一步增加了其穩定性,
65錳鋼板因而含鋁中錳IQ-TP鋼表現出優異的力學性能。以4Mn1Al鋼為例,其熱軋IQ-TP鋼,抗拉強度達1425±43MPa,同時延伸率25.9±3.8%,均明顯優于含鋁中錳TRIP鋼抗拉強度1345MPa,延伸率18.9%的 力學性能。而4Mn2Al熱軋IQ-TP鋼抗拉強度達1319±39MPa,延伸率27.4±1.1%。膨脹儀組織熱模擬及EPMA成分分析證實了含鋁中錳TRIP鋼冷軋退火組織的異常長大現象受控于錳鋁元素偏析下關鍵溫度區間的加熱速率。富Al貧Mn區抑制了奧氏體的形核,慢加熱速率為形變馬氏體的再結晶行為及晶粒長大提供了充分的動力學條件。超細晶冷軋含鋁中錳TRIP鋼由于其較小的位錯運動平均自由程,具有明顯的屈服平臺。異常長大的鐵素體帶提供了應變初期較高的加工硬化率,有利于縮短材料的屈服平臺延伸率。而含鋁中錳IQ-TP鋼由于馬氏體組織及幾何必要位錯的存在呈現出連續屈服特征。含鋁中錳IQ-TP鋼的塑性主要源于軟相板條形態鐵素體的“潤滑劑”效應以及殘留奧氏體的持續性TRIP效應。
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傳統高錳鋼在中低載荷工況下不具有優勢,在其基礎上通過降低或增加碳錳元素含量研發出中錳和超65錳鋼板高錳鋼,在一定程度上彌補了其應用中存在的不足。
本文對比研究了Mn8、Mn15及Mn18三種錳鋼的滑動和沖擊磨料磨損性能,分析了磨損機理。同時模擬礦井淋水腐蝕環境,探討了三種錳鋼的電化學腐蝕性能,論文得到以下主要結論:酸性礦井淋水腐蝕條件下,三種錳鋼表現出更負的腐蝕電位,酸性工況下耐腐蝕性能弱于堿性和中性腐蝕環境。酸、中、堿性礦井淋水腐蝕環境中,Mn8鋼的開路電位正（65mn錳冷軋鋼板）,極化曲線外推擬合腐蝕電壓 ,腐蝕電流小,且容抗弧半徑小,其耐腐蝕性能優于Mn15和Mn18耐磨鋼。滑動磨損實驗表明,三種錳鋼的摩擦系數均呈現先快速升高,后下降到一定的范圍趨于平穩的變化趨勢,低載平均摩擦系數高于高載。相同磨損工況條件下,Mn8均具有 磨損失重,其抗滑動磨料磨損性能優于Mn15和Mn18耐磨鋼。
三種耐磨鋼磨損層硬度分布均呈現梯度變化特征,Mn8磨損亞表層（50mm處）65錳鋼板硬度達到550HV,Mn15和Mn18分別為450HV和510HV,Mn8的加工硬化效果佳,Mn18則優于Mn15。三種耐磨鋼干摩擦磨損機理主要表現為粘著磨損,伴有局部區域的疲勞剝落破壞,石英砂磨料磨損機理主要為磨粒磨損,表現形式為寬且深的犁溝和較大區域的疲勞剝落。沖擊磨料磨損實驗表明,隨沖擊功的增大,三種錳鋼的加工硬化能力均提高,磨損失重也明顯降低。1.5J沖擊功時,Mn18的磨損失重低于Mn8和Mn15;3.5J沖擊功時,Mn8具有 的磨損失重。Mn8和Mn18亞表層組織具有較高密度的孿晶,亞表層（50mm處）硬度分別達到50HRC和48HRC,其加工硬化效果明顯優于Mn15,加工硬化層深度超過1.5mm。三種錳鋼磨損形式主要表現為鑿削磨損和不同程度疲勞剝落磨損。
65錳鋼板Mn8、Mn15磨損層亞結構主要為位錯、孿晶及馬氏體,其耐磨強化機制為馬氏體相變復合強化機制。Mn18磨損層亞結構出現大量位錯、孿晶外,未發現馬氏體相變,但出現Fe-Mn-C原子團偏聚區,其強化機制是通過位錯、孿晶和Fe-Mn-C原子團強化
