熱處理工藝對耐磨Cr- Mo鑄鋼組織和硬度的影響

許 婕 陳湘茹 刁曉剛 張 偉 郭愛民

(1. 省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072; 2.中信重工機(jī)械股份有限公司，河南洛陽 471003；3.中信金屬有限公司，北京 100004)

熱處理工藝對耐磨Cr- Mo鑄鋼組織和硬度的影響

許 婕1陳湘茹1刁曉剛2張 偉3郭愛民3

(1. 省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072; 2.中信重工機(jī)械股份有限公司，河南洛陽 471003；3.中信金屬有限公司，北京 100004)

研究了熱處理工藝對含Nb耐磨Cr- Mo鑄鋼顯微組織和硬度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在880或910 ℃正火，均可細(xì)化鋼的鑄態(tài)組織，并且經(jīng)910 ℃正火的鋼的硬度更高，珠光體較細(xì)小均勻；910 ℃正火后分別在450、500和550 ℃回火，在500 ℃回火的鋼的硬度較高。該耐磨Cr- Mo鑄鋼的最佳熱處理工藝為910 ℃正火然后500～550 ℃回火。

Cr- Mo鑄鋼 熱處理 顯微組織 硬度

耐磨鑄鋼廣泛應(yīng)用于電力、冶金、水泥、礦山、建材等工業(yè)部門，用于這些領(lǐng)域設(shè)備的耐磨鑄鋼的組織和性能直接影響工藝流程中的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。作為一種常用耐磨鑄鋼，Cr- Mo鋼用來制造破碎機(jī)錘頭、挖掘機(jī)鏟齒以及各種大、中、小型球磨機(jī)襯板等[1]。襯板是球磨機(jī)中消耗量較大的部件，因?yàn)橐r板的工況復(fù)雜，要適應(yīng)礦山濕磨、干磨、混合磨和大沖擊等多種工作條件。因此，對于襯板材料而言，高的耐磨性、耐沖擊性能以及高強(qiáng)韌性是必須具備的。通常認(rèn)為，材料的強(qiáng)度、硬度越高其耐磨性越好，所以高的硬度和良好的塑韌性是耐磨Cr- Mo鑄鋼具有高耐磨性的基礎(chǔ)[2]。

耐磨鑄鋼的強(qiáng)韌化途徑有合金化、熱處理及改善冶煉工藝等。大多數(shù)鑄鋼件都必須進(jìn)行熱處理，考慮工廠的實(shí)際生產(chǎn)條件調(diào)整熱處理工藝參數(shù)比較方便且成本較低。熱處理是通過控制組織轉(zhuǎn)變和細(xì)化組織等途徑來改善耐磨鑄鋼件的強(qiáng)韌性，使零件獲得高的強(qiáng)度、硬度和良好的塑韌性[3]。在熱處理工藝方面，正火和回火可以消除鑄鋼件的缺陷并有效改善其組織、性能[4]。本文通過試驗(yàn)探討正火和回火的溫度對含Nb耐磨Cr- Mo鋼組織和硬度的影響，找到合適的熱處理工藝，使其獲得較好的綜合力學(xué)性能，為工業(yè)應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為鑄鋼廠生產(chǎn)的ZG85Cr2MnMo鑄鋼棒，添加了0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Nb。采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀分析試樣的化學(xué)成分，如表1所示。為了探究最佳熱處理工藝，采用DIL805A型熱膨脹快速相變儀測定材料的相變點(diǎn)。在鑄鋼棒心部切取φ20 mm×20 mm的試塊進(jìn)行熱處理。熱處理后的試樣經(jīng)過砂紙打磨、拋光，采用4%硝酸酒精溶液腐蝕，腐蝕時間5～6 s。采用過飽和苦味酸溶液腐蝕試樣，測定奧氏體晶粒度。腐蝕液的成分為100 ml去離子水、4 g苦味酸和2 g緩蝕劑，將拋光好的試樣在55 ℃浸蝕10 s。采用Carl Zeiss金相顯微鏡以及掃描電鏡觀察試樣顯微組織的特點(diǎn)和分布規(guī)律。采用洛氏硬度計(jì)測定材料熱處理后的硬度，每組試樣測7個點(diǎn)，排除最大值和最小值后取平均值作為材料的硬度值。

表1 試驗(yàn)用鑄鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the investigated cast steel (mass fraction) %

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理工藝的確定

采用熱膨脹試驗(yàn)確定該鑄鋼的熱處理工藝參數(shù)。按照標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5127—93鋼的臨界點(diǎn)測定方法[5]將鑄態(tài)試樣以200 ℃/h的加熱速率從室溫加熱至1 000 ℃，再以10 ℃/s速率冷卻至室溫，加熱和降溫均在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。

根據(jù)測定的試樣熱膨脹曲線，得到該鑄鋼的Ac1=772.7 ℃，Acm=826.4 ℃。鋼的正火加熱溫度一般為Acm+(30～50) ℃，據(jù)此將鋼的正火溫度選定為880、910 ℃，根據(jù)試樣厚度將保溫時間定為1 h[4]。隨后另取試樣進(jìn)行正火回火處理，回火溫度為450、500和550 ℃，保溫1 h后空冷。其工藝曲線如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用鑄鋼的熱處理工藝Fig.1 Heat treatment process for the investigated cast steel

2.2 正火溫度對鑄鋼顯微組織和硬度的影響

2.2.1 顯微組織

圖2是試驗(yàn)鋼的鑄態(tài)及880和910 ℃正火后的顯微組織?？梢钥闯觯摰蔫T態(tài)組織為粗大的珠光體；正火后，其組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉植季鶆蚯壹?xì)小的珠光體。如圖2所示，不同熱處理工藝得到的顯微組織差別不大。

圖3是正火溫度對鑄鋼奧氏體晶粒尺寸的影響。圖3表明，隨著正火溫度的升高，鋼的奧氏體晶粒尺寸增大。從圖4統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，平均直徑小于5 μm的晶粒數(shù)隨著正火溫度的升高而減少，而平均直徑為5～10 μm及大于10 μm的晶粒數(shù)則隨著正火溫度的升高而增多。隨著正火溫度的升高，鋼的晶粒尺寸總體上是增大的。

圖5為不同溫度正火的試樣的SEM形貌。表2是正火溫度對鋼的珠光體片層間距的影響。采用垂直線段法[6]統(tǒng)計(jì)珠光體片層間距。選取多張圖片和多個視角，每個試樣的受檢面隨機(jī)取20個視場拍照，每個視場隨機(jī)取10個珠光體分布均勻的區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。先求得每個視場的平均隨機(jī)珠光體片層間距，然后計(jì)算出整個受檢面的平均隨機(jī)珠光體片間距，將其作為該試樣的珠光體片層間距。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，鋼的珠光體片層間距隨著正火溫度的上升而減小。

圖2 試驗(yàn)用鑄鋼的(a)鑄態(tài)和(b) 880 ℃和(c)910 ℃正火后的顯微組織Fig.2 Microstructures of the investigated cast steel in (a) cast condition and after being normalized at (b) 880 ℃ and (c)910 ℃

圖3 在(a)880 ℃和(b)910 ℃正火的試驗(yàn)鋼的奧氏體晶粒Fig.3 Austenite grains of the investigated cast steel normalized at (a) 880 ℃ and (b)910 ℃

鋼的奧氏體晶粒度對珠光體片層間距的影響不大，主要影響因素是珠光體的形成溫度。過冷度越大，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的溫度越低，珠光體片層間距越小。碳鋼珠光體的片層間距S0(nm)與過冷度ΔT的關(guān)系可用經(jīng)驗(yàn)公式(1)表示[7]：

(1)

由此可知，珠光體片層間距與過冷度成反比，過冷度增大將導(dǎo)致珠光體片層間距減小。隨著奧氏體化溫度升高、過冷度增大，珠光體平均片層間距略有減小。

2.2.2 硬度

試樣在不同溫度正火后的硬度變化如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，910 ℃正火的試樣硬度較高且數(shù)據(jù)穩(wěn)定。根據(jù)Mott- Nabarro理論[8]，溶質(zhì)原子在奧氏體中固溶度增大可以提高鑄鋼正火組織的硬度，并改善正火后組織的均勻性，從而進(jìn)一步提高鋼的硬度。另外，隨著正火溫度的升高，珠光體片層間距減小，共析鋼的硬度隨片層間距的減小而增大[7]。

圖4 不同溫度正火的試驗(yàn)鋼奧氏體晶粒尺寸的分布Fig.4 Distribution of austenite grain size of the investigated cast steel normalized at different temperatures

表2 不同溫度正火的試驗(yàn)鋼的平均珠光體片層間距Table 2 Average lamellar spacing of pearlite in the investigated steel normalized at different temperatures

2.2.3 回火溫度的影響

由上述正火試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)鑄鋼經(jīng)910 ℃正火后硬度最高。另取一批試樣在910 ℃正火后，分別在不同溫度回火。回火溫度對鋼的顯微組織的影響如圖7和圖8所示。由于珠光體片層間距主要受過冷度影響，所以回火溫度對珠光體片層間距影響不大。但是，隨著回火溫度的升高，珠光體的展延比趨于減小，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)顆粒狀滲碳體，如圖8(c)所示[9]。

圖5 (a)880 ℃和(b)910 ℃正火的試驗(yàn)鋼的SEM圖Fig.5 SEM figures of the investigated cast steel normalized at (a) 880 ℃ and (b) 910 ℃

圖6 正火溫度對試驗(yàn)鋼不同溫度回火后硬度的影響Fig.6 Effect of normalizing temperature on hardness of the investigated cast steel after being tempered at different temperatures

圖9為回火溫度對經(jīng)910 ℃正火的耐磨鑄鋼硬度的影響。可以看出， 鋼的硬度隨著回火溫度的上升先增加后降低，增加幅度不大。由于粒狀滲碳體的出現(xiàn)，硬度開始下降，主要是因?yàn)榕c片狀珠光體相比，粒狀珠光體的硬度和強(qiáng)度較低[7]。

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)鑄鋼的Ac1和Acm分別為772.7和826.4 ℃。在880或910 ℃正火，均可得到珠光體組織，且910 ℃正火的鋼具有較高的硬度，珠光體片層較細(xì)。

圖7 910 ℃正火隨后在(a) 450 ℃、(b)500 ℃和(c)550 ℃ 回火的試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.7 Microstructures of the investigated cast steel normalized at 910 ℃ and then tempered at (a) 450 ℃, (b) 500 ℃ and (c) 550 ℃

圖8 910 ℃正火隨后在(a) 450 ℃、(b)500 ℃和(c)550 ℃ 回火的試驗(yàn)鋼的SEM組織Fig.8 SEM structures of the investigated steel normalized at 910 ℃ and then tempered at (a) 450 ℃, (b) 500 ℃ and (c) 550 ℃

圖9 回火溫度對經(jīng)910 ℃正火的試驗(yàn)鋼硬度的影響Fig.9 Hardness as a function of tempering temperature for the investigated cast steel normalized at 910 ℃

(2)910 ℃正火后，450、500和550 ℃的回火溫度對鋼的組織和性能的影響不大。該鑄鋼的最佳熱處理工藝為910 ℃正火隨后500～550 ℃回火。

致謝：

本研究得到中信- CBMM鈮鋼研究開發(fā)基金(2014—D079)支持，在此表示感謝。

[1] 周平安.耐磨材料的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào), 2005, 11(6):40- 42.

[2] 楊雪松.中低合金耐磨鋼綜述[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2007, 18(3): 34- 71．

[3] 張國慶.含Nb低合金高強(qiáng)度耐磨鋼強(qiáng)韌化與沖擊磨損性能研究[D].北京:北京科技大學(xué),2015.

[4] 夏立芳. 金屬熱處理工藝學(xué)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2008.

[5] 中華人民共和國冶金工業(yè)部.鋼的臨界點(diǎn)測定方法.YB/T 5127—93[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1994．

[6] 趙堅(jiān), 黃孝瑛, 張文萊. 鈮對碳素軌鋼組織和性能的影響[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào), 1987,7(1): 45- 50.

[7] 崔忠圻, 覃耀春. 金屬學(xué)與熱處理[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

[8] 石德珂.材料物理[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[9] 楊景紅, 劉剛. 回火工藝對連軋10MnNiCr鋼板組織性能的影響[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用, 2012,27(5):8- 11.

收修改稿日期：2016- 12- 12

EffectofHeatTreatmentonMicrostructureandHardnessofWear-resistantCr-MoCastSteel

Xu Jie1Chen Xiangru1Diao Xiaogang2Zhang Wei3Guo Aimin3
(1. State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China; 2. CITIC Heavy Industry Machinery Co., Ltd., Luoyang Henan 471003, China; 3. CITIC Metal Co., Ltd., Beijing 100004, China)

Effect of heat treatment process on microstructure and hardness of a wear- resistant Nb- containing Cr- Mo cast steel were investigated. The results indicated that normalizing at 880 ℃ or 910 ℃ made it possible to render microstructure of the cast steel finer, and the cast steel normalized at 910 ℃ exhibited higher hardness and finer and more uniform pearlite relative to one normalized at 880 ℃, and that the cast steel normalized at 910 ℃ showed higher hardness after tempering at 500 ℃ than at 450 ℃ or 550 ℃. The optimum heat treatment practice for the Cr- Mo cast steel was normalizing at 910 ℃ followed by tempering at 500 ℃ to 550 ℃.

Cr- Mo cast steel，heat treatment，microstructure，hardness

中信- CBMM鈮鋼研究開發(fā)基金(2014—D079)

許婕，女，主要從事耐磨鉻鉬鑄鋼的研究，Email：shuxujie@163.com

陳湘茹，講師，主要從事鈮微合金化鑄鋼、鑄鐵以及雙相不銹鋼連鑄坯凝固熱模擬研究，Email： cxr16@shu.edu.com