合金鋼的顯微組織及抗高溫氧化性能的研究

摘 要：合金鋼的鑄態(tài)和熱處理態(tài)組織均為奧氏體+碳化物，實驗表明隨著含碳量的增加，合金鋼的碳化物數(shù)量增多，含鎳量的增加，奧氏體穩(wěn)定性提高，合金鋼的碳化物數(shù)量減少。1100℃水淬同溶處理合金鋼的碳化物數(shù)量明顯少于1050℃水淬固溶處理合金鋼，文章重點就合金鋼的顯微組織及抗高溫氧化性能的進(jìn)行了研究和分析。

關(guān)鍵詞：合金鋼;顯微組織;抗高溫氧化性能

目前，關(guān)于高溫沖擊磨料磨損工況用耐熱耐磨鋼的研究報道很少，尚缺乏專門用于高溫沖擊磨料磨損工況的耐熱耐磨合金鋼。耐熱耐磨合金鋼研究開發(fā)已列入行業(yè)高級研發(fā)項目，研發(fā)用于高溫沖擊磨料磨損工況的耐熱耐磨合金鋼具有工業(yè)應(yīng)用和學(xué)術(shù)價值。針對高溫沖擊磨料磨損工況設(shè)計了一組合金鑄鋼，研究了含碳量和含鎳量對鑄態(tài)和水淬同溶處理態(tài)合金鋼顯微組織和沖擊韌性的影響，及水淬固溶處理對合金鋼抗高溫氧化性能的影響。而對于燒結(jié)礦齒輥式破碎機(jī)齒輥等高溫沖擊磨料磨損工況用耐熱耐磨鋼件，還需具有較高的沖擊韌性。目前高溫沖擊磨料磨損工況用零部件大多采用耐磨高錳鋼和抗氧化高鉻鎳耐熱鋼制造，高錳鋼沖擊磨損硬化性能優(yōu)異，但是抗氧化性能較差;高鉻鎳耐熱鋼抗氧化性能優(yōu)異，但沖擊磨損硬化性能較差。

1.合金鋼的鑄態(tài)組織

合金鋼的鑄態(tài)組織為奧氏體+碳化物，鑄態(tài)碳化物成孤島狀、塊狀和針狀分布在晶內(nèi)和晶界。當(dāng)含鎳量一定時，隨著含碳量的增加，合金鋼組織中的碳化物數(shù)量和顆粒尺寸呈遞增趨勢，這是由于合金鋼中有大量的鉻和錳元素，鉻和錳元素是碳化物形成元素，隨著含碳量的增加，則容易形成碳化物。這說明含鎳量的增加，提高奧氏體的穩(wěn)定性，抑制鑄態(tài)碳化物析出，同時析出碳化物尺寸也減小。合金鋼1050℃水淬固溶處理后的基體組織仍然是奧氏體，但在晶界上析出了大量的孤島狀，塊狀及針狀的碳化物組織。通過與鑄態(tài)組織的對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過1050℃水淬固溶處理后的組織中有少量未溶碳化物，呈較大塊孤島狀分布在晶界上，而其余小顆粒碳化物均為析出碳化物。由于合金鋼中含有大量的鉻、錳元素，特別是較強(qiáng)碳化物形成元素鉻，借助于較高的鉻碳比，容易形成結(jié)合強(qiáng)度較高的M7C3或M23C6。型碳化物。而在1050℃保溫的過程中，由于保溫溫度不夠高，只能溶解一部分鑄態(tài)碳化物，且合金成分?jǐn)U散和均勻化不夠，基體中固溶合金成分有限，導(dǎo)致大量的碳化物析出。

2.熱處理合金鋼的沖擊韌性

鑄態(tài)、1050℃水淬固溶處理、1100℃水淬固溶處理合金鋼的沖擊吸收能變化趨勢基本一致，呈波浪線型波動。但經(jīng)過1100℃水淬固溶處理合金鋼的沖擊吸收能量明顯高于鑄態(tài)和1050℃水淬固溶處理合金鋼，這是因為經(jīng)過1100℃水淬固溶處理后，合金鋼的組織成分更加均勻，碳化物相對較少，因而沖擊韌性較高。多數(shù)鑄態(tài)合金鋼沖擊韌性高于1050℃水淬固溶處理鋼，是由于水淬固溶處理溫度1 050℃不夠高，合金鋼成分還較不均勻，析出的碳化物增多，導(dǎo)致沖擊韌性降低。經(jīng)過1100℃水淬固溶處理的合金鋼，1號和2號合金鋼含碳量較低，組織中碳化物較少，因而韌性較好。其中2號合金鋼含有鎳元素，進(jìn)一步穩(wěn)定奧氏體，能抑制碳化物析出，因此2號合金鋼沖擊韌性更高，沖擊吸收能量為138J;經(jīng)過l100℃水淬固溶處理的合金鋼，3號、4號和5號合金鋼含鎳量基本相當(dāng)，隨著含碳量的增加，碳和合金元素形成的碳化物增多，合金鋼沖擊韌性明顯下降。其中3號合金鋼碳和鎳匹配較好，沖擊韌性明顯高于4號和5號合金鋼。試驗研究表明，含碳0.225%～0.306%的合金鋼經(jīng)l100℃水淬固溶處理后沖擊韌性較高，沖擊吸收能量為130～138J。

3.合金鋼的抗高溫氧化性能

取含碳量為0.306%，含鎳量為4.11%的3號合金鋼進(jìn)行抗高溫氧化性能試驗，試驗結(jié)果可知，在900℃高溫中經(jīng)過20 h和40 h的保溫，1100℃水淬固溶處理合金鋼的氧化增重較少，即抗高溫氧化性能較好。而在經(jīng)過60 h、80 h、100 h的保溫后，鑄態(tài)合金鋼的氧化增重較少，抗高溫氧化性能較好。在整個抗高溫氧化性能試驗中，l 050℃水淬固溶處理合金鋼的抗高溫氧化性能較差。合金鋼中合金元素的含量較高，1 050℃的熱處理溫度不能使組織中的合金元素均勻溶解在基體中，而且在水淬過程中析出了大量的碳化物，相當(dāng)于基體中的含鉻量下降。鉻元素的一個重要的作用是形成氧化鉻，具有非常優(yōu)秀的抗氧化性能，當(dāng)含鉻量降低了，合金鋼的抗高溫氧化性能也下降了。經(jīng)過1100℃水淬固溶處理的合金鋼，成分比較均勻，但在900℃的高溫抗氧化試驗中，相當(dāng)于將試塊重新進(jìn)行升溫和保溫?zé)崽幚?，特別是較長時間的保溫導(dǎo)致了碳化物的重新析出，基體中的鉻元素下降，合金鋼抗高溫氧化性能下降;而對于鑄態(tài)合金鋼，因其碳化物數(shù)量較少，基體中含有較多的鉻元素，提高了抗高溫氧化性能，且隨著保溫時間的延長，鑄態(tài)合金鋼的抗高溫氧化性能相對于l 100℃水淬固溶處理鋼的優(yōu)勢越來越明顯。

4.結(jié)束語

本文研究了含碳量和含鎳量對鑄態(tài)和水淬固溶處理態(tài)合金鋼顯微組織和沖擊韌性的影響，及水淬固溶處理對合金鋼抗高溫氧化性能的影響。研究結(jié)果表明。合金鋼的鑄態(tài)和熱處理態(tài)組織均為奧氏體+碳化物。隨著含碳量的增加，合金鋼的碳化物數(shù)量增多。隨著含鎳量的增加，奧氏體穩(wěn)定性提高，合金鋼的碳化物數(shù)量減少：1100℃水淬固溶處理合金鋼的碳化物數(shù)量明顯少于l 050℃水淬因溶處理合金鋼。l100℃水淬固溶處理合金鋼的沖擊韌性高于鑄態(tài)和1 050℃水淬閻溶處理合金鋼。含碳0.225%～0.306%的合金鋼經(jīng)1 100℃水淬固溶處理后沖擊韌性較高，沖擊吸收功130～138J。碳化物數(shù)量是影響合金鋼沖擊韌性的重要因素。鑄態(tài)合金鋼的抗高溫氧化性能高于1100℃水淬固溶處理合金鋼，兩者抗高溫氧化性能均高于l050℃水淬固溶處理合金鋼。基體含鉻量是影響合金鋼抗高溫氧化性能的重要因素。

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