錳及熱處理參數(shù)對(duì)中碳低合金耐磨鋼組織與性能的影響

楊寶國(guó)

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東濟(jì)南 250022）

0 前言

目前，我國(guó)大型礦山特別是露天礦的挖掘機(jī)、裝載機(jī)使用量不斷增加，鏟齒是其主要的磨耗件之一，消耗量很大，每年有相當(dāng)數(shù)量鏟齒需要進(jìn)口[1]。

傳統(tǒng)的鏟齒材料為高錳鋼，其特點(diǎn)是具有加工硬化性，即在使用過(guò)程中受沖擊應(yīng)力作用以后具有很強(qiáng)的硬化能力。而鏟齒的實(shí)際工作受力情況屬于沖擊載荷不大的小能量多次沖擊形式，高錳鋼得不到充分加工硬化，其硬度和耐磨性無(wú)法得到有效提高。針對(duì)高錳鋼鏟齒存在的局限性，課題組提出了一種中碳低合金耐磨鋼材質(zhì)，并著重研究了Mn含量及熱處理工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼組織與性能的影響[1-5]。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 合金元素的確定

（1）碳

C是低合金耐磨鋼關(guān)鍵控制元素[2,6,7]，其含量的高低直接影響淬火后的基體馬氏體的類型,影響鋼的強(qiáng)度、硬度和韌性，從而影響鋼的耐磨性。碳量不同獲得硬度和韌性的匹配不同,而中碳合金則兼具較高硬度和良好韌性,故碳含量控制在0.4%～0.6%。

（2）錳

Mn在鋼中一部分固溶于鐵素體(或奧氏體)中，另一部分形成含錳合金滲碳體(Fe，Mn)3C。它是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)元素，隨其含量的增加，臨界溫度A4線上升，A3(GS線)下降。除了降低共析溫度外，還降低共析點(diǎn)的含碳量。因此，在相同含碳量及冷卻速度下，隨著鋼中含錳量增加，顯微組織中的珠光體不但細(xì)化，而且數(shù)量亦增多，鋼的強(qiáng)度和硬度上升，不降低鋼的塑性和韌性。能顯著地提高鋼的淬透性。與硅配合，既能提高強(qiáng)度、硬度，又能保持較高的沖擊韌度[3,6-10]。

（3）硅

Si在鋼中不形成碳化物，只形成固溶體，在鐵素體中的固溶強(qiáng)化作用較強(qiáng),隨其含量的增加強(qiáng)度和硬度上升塑性有所下降,超過(guò)3%時(shí)明顯下降[3,7,10]。鋼中有少量的硅可減小Fe3C的厚度細(xì)化珠光體，硅還可以提高鋼的抗回火性能，但降低鋼的塑性和韌性，提高韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，增大鋼在熱處理過(guò)程中的脫碳傾向，故其含量控制在0.5%～1.0%之間。

（4）鉻

Cr既能固溶于鐵素體中，又能與鋼中的碳形成多種碳化物，增加鋼的淬透性[3,6-10]。

根據(jù)各元素在鋼中的作用，本實(shí)驗(yàn)鋼主要成分設(shè)計(jì)如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分w%

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 試樣的制備

水玻璃砂造型，在酸性中頻無(wú)芯感應(yīng)電爐中進(jìn)行鋼水熔煉；1 600～650℃加入鋁絲脫氧，包內(nèi)沖入稀土硅；澆注溫度為1 480～1 550℃；當(dāng)溫度小于600℃時(shí)，開(kāi)箱脫模，清理澆冒口。

1.2.2 熱處理工藝

根據(jù)中碳鋼的相變臨界點(diǎn)[3-7]，確定實(shí)驗(yàn)鋼的熱處理工藝如圖1。奧氏體化溫度870/920/970℃×60 min；等溫溫度 230℃×120 min。

圖1 實(shí)驗(yàn)鋼的熱處理工藝曲線

1.2.3 性能測(cè)試及組織觀察

硬度實(shí)驗(yàn)采用HR-150A洛氏硬度儀進(jìn)行測(cè)定，沖擊實(shí)驗(yàn)選用全自動(dòng)金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，觀察顯微組織時(shí)所用的是奧林巴斯金相顯微鏡。

圖2 水冷時(shí)不同錳含量和奧氏體化溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼性能的影響

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能及分析

由圖2、3、4可知，隨著w(Mn)含量的增加沖擊韌性逐漸下降，隨著奧氏體化溫度的逐漸升高，沖擊韌性呈逐漸下降的趨勢(shì)。這是由于奧氏體化溫度升高，在相同保溫時(shí)間的條件下，溶入奧氏體中的合金元素和碳量增加，同時(shí)，奧氏體化溫度過(guò)高，使得晶粒粗大，從而降低室溫下的沖擊韌性。

圖3 空冷時(shí)不同錳含量和奧氏體化溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼性能的影響

圖4 等溫淬火時(shí)不同錳含量和奧氏體化溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼性能的影響

空冷沖擊韌性值最大,等溫鹽冷次之,水冷最低，這也符合一般規(guī)律。合金元素使共析碳含量降低，促進(jìn)珠光體含量增加。錳使共析溫度降低，使珠光體分散度增加，細(xì)化珠光體，使鋼的沖擊韌性提高。

w(Mn)從1.3%～1.5%沖擊韌性略有下降，增加到1.7%后明顯下降；洛氏硬度先上升后下降。當(dāng)錳含量較低時(shí)，錳元素能強(qiáng)化鐵素體、奧氏體；隨著錳量增加，組織中容易出現(xiàn)網(wǎng)狀鐵素體；回火脆性傾向增大并會(huì)導(dǎo)致鋼淬火組織中殘余奧氏體量增加，故硬度下降。隨奧氏體化溫度的升高，洛氏硬度呈下降趨勢(shì)。這是由于隨著奧實(shí)體化溫度升高，奧氏體中固溶合金元素量增加，使最終得到的組織中殘余奧氏體的合金含量增加，從而硬度呈下降趨勢(shì)。

由圖可知水冷組織洛氏硬度值最大，等溫鹽冷次之，空冷最大。水冷組織為馬氏體+鐵素體+殘余奧氏體；空冷組織為珠光體+鐵素體+殘余奧氏體；等溫鹽冷組織為下貝氏體+鐵素體+殘余奧氏體。洛氏硬度大小比較：馬氏體＞下貝氏體＞珠光體。

2.2 金相組織觀察及分析

2.2.1 錳對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼組織的影響

由圖5可看到,水冷后回火試樣的組織為回火馬氏體+殘余奧氏體+鐵素體，其中暗黑色為回火馬氏體,白亮的為鐵素體和殘余奧氏體。馬氏體的形態(tài)為針狀，隨著錳含量的增加，馬氏體量越來(lái)越少，鐵素體和殘余奧氏體量增加。原因是錳能降低馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms），降低奧氏體分解（析出碳化物）速度。

2.2.2 奧氏體化溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼組織的影響

圖6是水冷處理+低溫回火得到的組織，暗黑色的是回火馬氏體，白亮色的是鐵素體和殘余奧氏體。由圖中可以看出隨著奧氏體化溫度升高，圖中的暗黑色區(qū)域變少，生成的馬氏體量減少。隨著奧氏體化溫度的升高，溶入奧氏體的合金量會(huì)增加，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，使得奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變困難；而且?jiàn)W氏體化溫度越高使得奧氏體晶粒長(zhǎng)大，得到的馬氏體組織也粗大。

2.2.3 不同淬火方式對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼組織的影響

圖7是奧氏體化溫度870℃時(shí)試驗(yàn)鋼通過(guò)不同淬火方式得到的顯微組織，由于870℃奧氏體化合金溶入量較少，合金元素的加入使C曲線右移，臨界冷卻速度降低。在等溫過(guò)程中得到組織主要為貝氏體+馬氏體，由于等溫時(shí)間較短所以貝氏體轉(zhuǎn)變量較少見(jiàn)圖3.7a；空冷時(shí)因冷卻速度較慢，在此過(guò)程中得到組織主要是珠光體+少量鐵素體見(jiàn)圖3.7b；水冷時(shí)因冷卻速度較快，又因合金元素的加入使C曲線右移，臨界冷卻速度降低，直接進(jìn)入馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域，故得到組織主要為馬氏體+少量鐵素體+殘余奧氏體見(jiàn)（C）。

3 裝機(jī)實(shí)驗(yàn)

采用w(Mn)1.5%，870℃奧氏體化保溫1 h后等溫1 h得到的材質(zhì)，在北方某露天礦的挖掘機(jī)上進(jìn)行了產(chǎn)品的裝機(jī)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明，使用壽命比原高錳鋼材質(zhì)的鏟齒提高80%～120%。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼不同含錳量、不同熱處理工藝的對(duì)比分析，得出結(jié)論如下：

（1）w(Mn)從1.3%升至1.5%時(shí)硬度呈上升趨勢(shì),當(dāng)w(Mn)增至1.7%時(shí)硬度明顯下降。w(Mn)從1.3%升至1.7%時(shí)沖擊韌性值逐漸降低。

（2）等溫處理后得到的組織主要為馬氏體和下貝氏體，空冷得到組織主要是珠光體和少量鐵素體；水冷得到組織主要為馬氏體還有少量鐵素體和殘余奧氏體。

（3）w(Mn)1.5%時(shí)，870 ℃奧氏體化保溫1 h后等溫1 h得到的試樣的綜合力學(xué)性能最佳，沖擊韌性達(dá)到244.97 J/cm2，硬度為 HRC48.2；w（Mn）1.7%時(shí) 970℃時(shí)水冷得到鋼的沖擊韌性最差為41.93 J/cm2，洛氏硬度硬度最差為HRC43.7。

（4）實(shí)驗(yàn)鋼材質(zhì)用于礦山挖掘機(jī)鏟齒時(shí)，其使用壽命比高錳鋼材質(zhì)提高80%～120%。

圖5 不同錳含量對(duì)（920℃+水冷）實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織 ×1000倍

圖6 不同奧氏體化溫度水冷錳含量1.7%的試樣顯微組織 ×1000倍

圖7 奧氏化溫度為870℃+不同淬火方式實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織 ×1000倍

[1]陳丹.組合鏟齒根用鋼的研制[J].鑄造.2009(6):1435～1438.

[2]陳愛(ài)榮,董學(xué)勤.碳含量對(duì)熱處理低合金耐磨鑄鋼組織性能的影響[J].鑄造技術(shù),2012(7)793～795.

[3]方鴻生.貝氏體組織與貝氏體鋼[J].金屬熱處理，1999(11):38～42.

[4]AnelliE,CesileM C,DiNunzioP E.Prediction of Austenite Decomposition During Cooling of Low Carbon and Low Alloy Steels[J].Materials Science and Technology,2003(3).

[5]Omita Y,Morioka K.Effect ofmicrostructure on transformation induced plasticity of silicon containing low alloy steel[J].Materials Characterization,1997(4).

[6]Vinokur Bertold B,Vinokur Alexandr,Shtessel Victoriya E.Dependence of complex alloyed steel propertieson quenching and tempering conditions[J].Metallurgical and Materials Transactions,1996(9).

[7]榮守范,張寅,郭繼偉.鑄造低合金貝氏體抗磨鋼挖掘機(jī)鏟齒材質(zhì)的研究[J].鑄造,2007(4):416～418.

[8]J E Fernández,R V ijande,R Tucho,et al.Mart’1n..Materials selection to excavator teeth in mining industry[J].Wear,2001,250:11～18.

[9]張懿,張香平，等.熱處理對(duì)中碳低合金耐磨鋼力學(xué)性能的影響[J].鑄造技術(shù),2010(12)1596～1598.

[10]溫浩宇,馬瑜,王聯(lián)波，等.熱處理對(duì)中碳低合金耐磨鋼組織與耐磨性的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2011（12）73-77.