回火溫度對(duì)高強(qiáng)度截齒鋼組織和性能的影響

程巨強(qiáng)，劉志學(xué)，徐美玲，劉男杰

（西安工業(yè)大學(xué)材料與化工學(xué)院，陜西西安710032）

截齒是裝在采煤機(jī)滾筒上的切割刀具，采掘機(jī)械的采掘功率主要是通過(guò)截齒對(duì)煤層切割來(lái)消耗，截齒質(zhì)量的好壞直接影響采煤機(jī)械生產(chǎn)效率。采煤生產(chǎn)中，截齒的失效形式主要有[1-3]：截齒的磨損，硬質(zhì)合金頭的碎裂及脫落，截齒庫(kù)體材料的彎曲和斷裂等。從國(guó)內(nèi)煤礦使用的截齒來(lái)看，截齒的庫(kù)體材質(zhì)主要有40Cr、42CrMo、35CrMnSi等鋼種，由于現(xiàn)有截齒材料存在淬透性較差或熱處理工藝等原因，生產(chǎn)的截齒質(zhì)量較差。據(jù)統(tǒng)計(jì)[4]，我國(guó)煤炭生產(chǎn)企業(yè)每采一萬(wàn)噸煤消耗截齒400～1300個(gè)，截齒的消耗量很大。因此，研制新型的截齒材料，提高截齒的使用壽命，減少截齒消耗，降低采煤成本，具有重要的意義。本文研究了35SiMnMo截齒鋼正火后不同的回火溫度對(duì)其組織和力學(xué)性能的影響，為35SiMn-Mo在截齒方面的應(yīng)用奠定試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)材料35SiMnMo，材料的制備工藝為：電爐冶煉、澆注成φ200 mm的鋼錠、鑄錠清理、鋼錠加熱、鍛造成φ20 mm的棒料和15mm×15mm方料，加工成10mm×10mm×55mm的U型缺口沖擊試樣。

正火熱處理工藝為900℃×1h空冷。正火后不同的回火溫度為：不回火，200℃，250℃，300℃，350℃，400℃，450℃，500℃，550℃，600℃的回火，回火保溫時(shí)間2h。

利用CMT5105型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試不同回火溫度試驗(yàn)材料的力學(xué)性能。利用JB-30型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的沖擊韌度。用HR-150A洛氏硬度儀測(cè)試不同熱處理材料的硬度。利用Neophot-30型光學(xué)金相顯微鏡觀察不同回火溫度試驗(yàn)材料的金相組織，腐蝕液為4%的硝酸酒精溶液。在HITACHIS2570型掃描鏡下觀察沖擊斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同回火溫度對(duì)試驗(yàn)材料力學(xué)性能的影響

圖1是正火后不同的回火溫度對(duì)試驗(yàn)材料力學(xué)性能的影響曲線?？梢钥闯?，250℃以下回火，隨著回火溫度的提高，抗拉強(qiáng)度增加，250℃回火抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)最高值，強(qiáng)度為1730MPa，超過(guò)250℃回火，試驗(yàn)材料的抗拉彈度降低。300℃以下回火，隨著回火溫度的提高，沖擊韌度提高，300℃沖擊韌性出現(xiàn)峰值，在400℃沖擊韌度值最低，出現(xiàn)回火脆性，出現(xiàn)回火脆性的原因與組織中馬氏體、貝氏體和板條界上的殘余奧氏體在回火時(shí)的分解有關(guān)。試驗(yàn)材料的硬度值在200～300℃回火，變化不大，超過(guò)300℃回火，材料的硬度下降。因此，試驗(yàn)材料900℃正火+250℃回火，可獲得超高強(qiáng)度和一定沖擊韌度，此時(shí)獲得的力學(xué)性能為：強(qiáng)度（σb）1730MPa，沖擊韌度（AKU）55J，HRC58。900℃正火+250℃回火試驗(yàn)材料的硬度和沖擊韌度遠(yuǎn)高于煤炭行業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硬度和沖擊韌度的要求（齒頭HRC≥40，AKU≥49J/cm2）[5]。900℃正火+600℃低溫回火，試驗(yàn)材料可獲得高強(qiáng)度和高的沖擊韌度，此時(shí)獲得的力學(xué)性能為：強(qiáng)度（σb）930MPa，沖擊韌度（AKU）126J，HRC35。因此，結(jié)合截齒的生產(chǎn)工藝，利用35SiMnMo制造截齒時(shí)，感應(yīng)加熱釬焊硬質(zhì)合金后空冷，截齒頭部應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，而柄部硬度較低，具有較高的沖擊韌度，以滿足采煤機(jī)截齒工作要求。上述截齒鋼力學(xué)性能隨不同溫度回火變化的原因，與試驗(yàn)材料在回火過(guò)程發(fā)生組織分解有關(guān)。

圖1 回火溫度對(duì)試驗(yàn)材料力學(xué)性能影響

2.2 不同回火溫度對(duì)試驗(yàn)材料的組織影響

圖2 900℃正火不同溫度回火的金相組織

圖2是900℃正火不同溫度回火后的金相組織。由圖可以看出，900℃正火后不回火的組織為馬氏體、貝氏體和少量的奧氏體，馬氏體基體上分布的貝氏體以針狀形式存在（圖2a），應(yīng)為下貝氏體組織；200℃～300℃回火時(shí)，組織形貌變化較小，均為回火馬氏體、貝氏體組織和少量殘余奧氏體組織（圖2b、圖2c）；400℃回火，組織中分解有少量的顆粒狀滲碳體（圖2d）；500℃回火（圖2e）組織中的貝氏體鐵素體和殘余奧氏體已發(fā)生分解，形成滲碳體并有聚集長(zhǎng)大的趨勢(shì)，但組織仍保持原馬氏體、貝氏體組織的位向；隨回火溫度的提高，600℃回火（圖2f），組織為粒狀滲碳體和鐵素體組織，即為典型的回火索氏體組織。

圖3為900℃正火后200℃、400℃、600℃回火沖擊韌度試樣斷口掃描（SEM）照片?？梢钥闯觯?00℃回火斷口特征主要為韌窩形式，屬于韌性斷口特征。400℃回火斷口為準(zhǔn)解理斷口特征，屬于脆性斷口特征，600℃回火，斷口為韌窩形式，存在大量塑性變形痕跡，屬于韌性斷裂特征，不同回火沖擊韌度試樣斷口與沖擊韌度值具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 900℃正火不同溫度回火沖擊斷口SEM照片

3 結(jié)論

（1）35SiMnMo鋼900℃正火不同溫度回火熱處理，強(qiáng)度在200℃回火出現(xiàn)最高值，沖擊韌度在300℃回火出現(xiàn)峰值，400℃回火出現(xiàn)回火脆性，超過(guò)400℃回火沖擊韌度上升。

（2）35SiMnMo鋼在900℃正火+250℃回火可獲得超高強(qiáng)度和一定沖擊韌度，此時(shí)獲得的力學(xué)性能為：σb=1730Mpa，AKU=51J，HRC58。組織為馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體；900℃正火+600℃高溫回火可獲得高強(qiáng)度和高韌度配合，此時(shí)獲得的力學(xué)性能為：σb=961MPa，AKU=126J，HRC35，組織為回火索氏體。

（3）900℃正火200℃及600℃回火試驗(yàn)材料的沖擊韌性斷口機(jī)理為韌窩機(jī)制，屬于韌性斷裂特征。400℃回火沖擊斷裂機(jī)制為準(zhǔn)解理斷裂，屬于脆性斷裂特征。

[1]申勝利.采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)截齒的失效分析及對(duì)策[J].煤礦機(jī)械，2005，（7）：53～55.

[2]高采云，趙運(yùn)才.礦用截齒失效原因及其對(duì)策探討[J].礦山機(jī)械，2000，（12）：25.

[3]康曉敏，張平，李貴軒.采煤機(jī)截齒失效研究與實(shí)踐[J]，煤礦機(jī)械，2005，（9）：32～33.

[4]楊瑞林，李力軍.采煤機(jī)截齒的磨損失效分析（磨損失效分析案例匯集）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985：154～159.

[5]MT/T246-2006采掘機(jī)械用截齒[S].