熱處理對(duì)一種新型耐磨鑄鋼組織與性能的影響

程騰飛 孫 浩 徐 京 陳 卓 韋習(xí)成 劉騰軾

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，耐磨鑄鋼在挖掘機(jī)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因而對(duì)耐磨鑄鋼熱處理工藝的設(shè)計(jì)與優(yōu)化也顯得愈發(fā)重要[1]。挖掘機(jī)廣泛應(yīng)用在礦山機(jī)械、土建工程，水利工程以及市政工程中，斗齒是挖掘機(jī)的關(guān)鍵易損部件。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的斗齒材料主要為鑄造高錳鋼，而國(guó)外引進(jìn)的斗齒材料多為鍛造低合金鋼[2]。斗齒的性能要求與其工作條件密切相關(guān)，斗齒在工作過(guò)程中會(huì)直接與礦石、砂土等物料接觸，不僅承受物料的沖擊，還承受一定的彎矩，并可能磨損或脫落，因此在選擇斗齒材料時(shí)，一定要在滿(mǎn)足其使用工況的前提下盡量提高其耐磨性，還要有一定的強(qiáng)度和韌性[3- 4]。

研究出一種可用于挖掘機(jī)斗齒、且綜合性能良好的耐磨鑄鋼，一直是眾多科研工作者研究的重點(diǎn)。本文在以Si- Mn為主的成分體系的耐磨鑄鋼基礎(chǔ)上添加一定量的Cr元素，得到一種新型含鉻低鉬耐磨鑄鋼，并著重研究了其經(jīng)不同工藝熱處理后的組織、性能及耐磨性，以便優(yōu)化出新研制耐磨鑄鋼的最佳熱處理工藝。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

計(jì)算配比所需合金元素，采用15 kg真空感應(yīng)爐熔煉紐扣錠，共熔煉6塊試樣。利用PMI- MASTER PRO移動(dòng)式直讀光譜儀進(jìn)行成分分析，紐扣錠試樣的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 紐扣錠試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the button ingot sample (mass fraction) %

配料分確定化學(xué)成分和計(jì)算爐料兩個(gè)步驟。采用CP225D電子天平稱(chēng)重，最大值為220 g，儀器精度為0.01 mg。

紐扣錠的熔煉步驟為：原料準(zhǔn)備、裝爐、抽真空、充氬氣、熔煉、反復(fù)再次熔煉、取出合金錠、關(guān)機(jī)。原料表面需清理干凈，熔煉過(guò)程中伴隨電磁攪拌。最終熔煉出6塊質(zhì)量約150 g的紐扣錠試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

試樣熔煉后先進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火，以改善成分偏析[5]。退火溫度為1 100 ℃，保溫3 h后隨爐冷卻至室溫；用砂輪機(jī)去除退火后試樣表面的氧化層。隨后對(duì)其中3組試樣進(jìn)行淬火處理，另3組試樣進(jìn)行淬火加回火處理。采用高溫箱式爐進(jìn)行淬火加熱，回火設(shè)備為箱式電阻爐。淬火溫度為850、880和910 ℃，保溫2 h，水冷；回火溫度為200、250、300 ℃，保溫2 h，空冷至室溫。

熱處理前，利用JmatPro軟件對(duì)該成分耐磨鑄鋼進(jìn)行熱力學(xué)和相轉(zhuǎn)變的計(jì)算，以確定相關(guān)的熱處理工藝參數(shù)。

熱處理后的試樣經(jīng)磨、拋和4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕，用金相顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行顯微組織觀察。使用洛氏硬度計(jì)測(cè)量試樣的宏觀硬度，試驗(yàn)力為150 kg，每個(gè)試樣測(cè)量7個(gè)點(diǎn)，去除最大值與最小值后取平均值；使用MH- 3型顯微硬度計(jì)測(cè)量試樣的顯微硬度。拉伸試驗(yàn)在MTS C45.305電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用非標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，具體尺寸如圖1所示。

圖1 非標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣的尺寸Fig.1 Dimention of nonstandard tensile specimen

采用DX- NPO11 POD銷(xiāo)盤(pán)磨損試驗(yàn)儀進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)為壓力50 N，轉(zhuǎn)速477 r/min，時(shí)間3 600 s，對(duì)磨材料為φ5 mm的SiC球。每組取3個(gè)試樣，測(cè)量磨損前后質(zhì)量差。以3個(gè)試樣的平均失重作為最終磨損量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 相圖計(jì)算

從試驗(yàn)鋼的CCT和TTT曲線(xiàn)(見(jiàn)圖2)可知，淬火后要獲得完全馬氏體組織，其冷卻速度至少應(yīng)大于10 ℃/s，因此優(yōu)先選用水為淬火介質(zhì)。

2.2 淬火組織和硬度

圖3是從850、880和910 ℃淬火的鑄鋼試樣的顯微組織?？梢钥闯?，不同溫度淬火后鋼的組織均為板條馬氏體。硬度測(cè)試結(jié)果得出，850、880和910 ℃淬火試樣的硬度分別為52.1、52.4和51.0 HRC?？梢?jiàn)，隨著淬火溫度的升高，洛氏硬度先升高后降低。

當(dāng)淬火溫度較低時(shí)，溶于高溫奧氏體中的碳和合金元素含量較少，奧氏體穩(wěn)定性較差。因此，850 ℃淬火形成的馬氏體大小不均、 硬度較低，組織為馬氏體和殘留奧氏體(見(jiàn)圖3(a))；淬火溫度升高到880 ℃，高溫奧氏體中溶解的碳和合金元素含量增加，馬氏體板條變得細(xì)小且分布均勻，排列也愈加規(guī)整(見(jiàn)圖3(b))，硬度有所提高；當(dāng)淬火溫度達(dá)到910 ℃時(shí)，奧氏體晶粒尺寸增大，淬火形成的馬氏體板條大小不均，且較為粗大(見(jiàn)圖3(c))，同時(shí)淬火組織中殘留奧氏體含量增加，硬度降低。

圖2 鑄鋼試樣的CCT和TTT圖Fig.2 CCT and TTT diagrams of the tested cast steel

圖3 不同溫度淬火后鑄鋼試樣的顯微組織Fig.3 Microstructures of the tested cast steel quenched from different temperatures

2.3 回火組織和力學(xué)性能

圖4為鑄鋼試樣從880 ℃淬火并于不同溫度回火后的顯微組織?？梢钥闯?，不同溫度回火試樣的組織差異不大，均為回火馬氏體。

圖4 從880 ℃淬火并于不同溫度回火后鑄鋼試樣的顯微組織Fig.4 Microstructures of the tested cast steel quenched from 880 ℃ and tempered at different temperatures

200 ℃回火溫度較低，組織中殘留奧氏體較多，因此硬度不高。隨著回火溫度升高到250 ℃，殘留奧氏體量減少，硬度提高。當(dāng)回火溫度繼續(xù)升高到300 ℃時(shí)，一些雜質(zhì)元素可能會(huì)在原奧氏體晶界上偏聚，導(dǎo)致硬度下降[6- 8]。

圖5為鑄鋼試樣從880 ℃淬火并于不同溫度回火后的SEM照片。圖5中，白色的相為碳化物，不同溫度回火試樣的組織形貌無(wú)明顯區(qū)別。當(dāng)回火溫度為250 ℃時(shí)，組織中含有少量貝氏體，因此該溫度回火的試樣具有較好的韌性。

圖5 鑄鋼試樣從880 ℃淬火并于不同溫度回火后的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM photos of the tested cast steel quenched from 880 ℃ and tempered at different temperatures

回火時(shí)，合金元素對(duì)馬氏體的分解及碳化物的析出及長(zhǎng)大都有一定的影響。對(duì)于普通碳鋼，當(dāng)回火溫度高于250 ℃時(shí)，馬氏體中的碳化物開(kāi)始溶解，隨即析出其他形態(tài)的碳化物；而對(duì)于含Cr合金鋼，由于合金元素的作用，當(dāng)回火溫度從250 ℃提高到350 ℃左右時(shí)，馬氏體中碳濃度的下降速度減慢，從而延緩了合金碳化物的長(zhǎng)大過(guò)程[9]。

圖6為鑄鋼試樣從880℃淬火并于不同溫度回火后的力學(xué)性能。隨著回火溫度的升高， 試樣的硬度先升高后降低，250 ℃回火的試樣硬度最高；抗拉強(qiáng)度逐漸升高。摩擦磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著回火溫度的升高，試樣的磨損量先減小后增加，250 ℃回火試樣的磨損量最少，并與摩擦因數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果相一致(見(jiàn)圖7)。因此， 250 ℃左右回火的試樣，硬度和抗拉強(qiáng)度均較高，耐磨性也較好，綜合力學(xué)性能最佳。

圖6 鑄鋼試樣從880 ℃淬火并回火后的硬度、抗拉強(qiáng)度和磨損量隨回火溫度的變化Fig.6 Hardness,tensile strength and wear loss of the tested cast steel quenched from 880 ℃ and then tempered as a function of tempering temperatures

圖7 從880 ℃淬火并于不同溫度回火的鑄鋼試樣的摩擦因數(shù)隨摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.7 Variation of friction coefficient of the tested cast steel quenched from 880 ℃ and tempered at different temperatures with duration of fractional wear test

3 結(jié)論

(1)新型耐磨鑄鋼經(jīng)不同溫度淬火后的組織均為板條馬氏體；隨著淬火溫度的升高，試樣的硬度先升高后降低，880 ℃淬火的試樣硬度最高。

(2)經(jīng)880 ℃淬火、不同溫度回火的鑄鋼試樣的組織均為回火馬氏體；隨著回火溫度的升高，試樣的硬度先增加后減小，抗拉強(qiáng)度逐漸升高，磨損量先減小后增加；250 ℃回火試樣的綜合力學(xué)性能最佳。