熱處理工藝對低合金耐磨鋼組織和硬度的影響*

孫學(xué)賢，張戈，袁林，孫輝，高占勇，馮佃臣

(1.山東坤能環(huán)?？萍加邢薰?，山東 濟(jì)南 250010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000；3.山東鋼鐵集團(tuán)研究院共性所，山東 濟(jì)南 250010；4.山東鋼鐵集團(tuán) 濟(jì)鋼集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250010)

低合金高強(qiáng)耐磨鋼中的合金元素含量低、強(qiáng)度、硬度都高于高錳鋼，沖擊韌性稍低于高錳鋼，其熱加工工藝(軋制、鍛造、鑄造)性能較高錳鋼好.此外，部分低合金耐磨鋼焊接加工性能也好，其在制作復(fù)雜形狀的耐磨零件方面優(yōu)于高錳鋼，因此，低合金耐磨鋼在礦山機(jī)械、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械和鐵路運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1-3].低合金耐磨鋼經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，國外生產(chǎn)和應(yīng)用耐磨鋼己經(jīng)趨于穩(wěn)定[4].發(fā)達(dá)國家的一些鋼鐵公司已經(jīng)有了自己的系列耐磨鋼產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn).例如瑞典奧克隆德的HARDOX系列耐磨鋼[5]、德國蒂森克虜伯的XAR系列耐磨鋼[4]、日本JFE的EVERHARD系列耐磨鋼等[6].從上世紀(jì)五六十年代，這些廠家就開始生產(chǎn)高強(qiáng)度耐磨鋼,能夠穩(wěn)定生產(chǎn)出厚度為6～100 mm、布氏硬度為HB300～600各級別耐磨鋼產(chǎn)品，這些產(chǎn)品能夠滿足大多數(shù)使用環(huán)境的需求,高強(qiáng)度耐磨鋼在高磨損環(huán)境中已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用[4].

由于我國在低合金高強(qiáng)度耐磨鋼的研發(fā)起步較晚，目前工業(yè)應(yīng)用的低合金耐磨鋼板主要是NM450以下級別為主，雖然有部分企業(yè)可以生產(chǎn)NM500鋼板，但是在綜合性能和穩(wěn)定性上與國外同級別耐磨鋼板還存在著比較大的差距[7].高級別的耐磨鋼仍主要依賴進(jìn)口.因此，我國需要研發(fā)高級別的低合金耐磨鋼.

1 實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)一種低合金耐磨鋼的成份如表1所示.按照設(shè)計(jì)成分，采用ZQ-0.01型真空感應(yīng)熔煉爐熔煉5 kg的合金鋼錠.將直徑為80 mm的圓柱鋼錠加熱1 200 ℃后鍛造，終鍛溫度為800 ℃，鍛后為長600 mm，寬60 mm，厚15 mm的鋼板.鍛后進(jìn)行了加熱溫度為930 ℃，保溫3 h后隨爐冷卻的完全退火，其退火工藝曲線如圖1(a)所示.退火后的淬火工藝為920，930和940 ℃溫度加熱，保溫30 min后水淬.淬火后選取150，200及250 ℃ 3個(gè)溫度回火，保溫時(shí)間1 h.其淬火和回火工藝曲線見圖1(b).

用PDA-7000A合金光譜分析儀定量測出試樣中各個(gè)合金元素的含量，利用Axiovert25蔡司顯微鏡觀察鍛態(tài)和熱處理后的低合金耐磨鋼的金相組織，借助洛氏硬度計(jì)測試樣的洛氏硬度值.奧氏體晶粒度分析實(shí)驗(yàn)選用的試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×15 mm，其熱處理按中國原冶金工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)YB—77規(guī)定[8]，將試樣加熱至930 ℃，保溫3 h后，出爐水冷.然后磨去脫碳層制成金相試樣，直接采用過飽和苦味酸水溶液+海鷗洗滌劑(兩者體積比為4∶1)在已加熱到60 ℃的恒溫水浴鍋浸泡30 s左右，取出后用棉球不斷擦拭試樣的表面，再進(jìn)行拋光處理，將試樣表面上的黑色腐蝕產(chǎn)物除去.采用截距法和比較法對試樣的奧氏體晶粒大小進(jìn)行了測量和評級.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分分析

測定試樣的化學(xué)成分如表1所示.由表1可以看出，鋼實(shí)際化學(xué)成分和設(shè)計(jì)的化學(xué)成分差別不大，符合試驗(yàn)研究要求.

表1 鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 金相組織觀察與分析

2.2.1鍛造和退火后的組織

將鍛造后和完全退火后的試樣在蔡氏顯微鏡下觀察其顯微組織.其顯微組織如圖2所示.

從圖2中可以看出，低合金耐磨鋼經(jīng)過鍛造后的組織為：大量的板條馬氏體+少量的下貝氏體+極少量的碳化物，并且通過鍛造使得錠料經(jīng)受了塑性變形和動態(tài)再結(jié)晶，粗大的樹枝狀結(jié)晶組織被破碎，縮孔和孔隙被壓實(shí)、焊合.經(jīng)退火后和獲得了平衡組織珠光體+鐵素體組織.為后續(xù)的淬火提供了合適的組織.

2.2.2淬火溫度對組織的影響

完全退火后的試樣在920，930和940 ℃溫度下保溫30 min后水淬，在200 ℃回火后，觀察其金相顯微組織如圖3所示.

從圖3(a)中可以看出，試樣經(jīng)過920 ℃淬火+200 ℃回火的組織為：回火板條馬氏體、少量下貝氏體、多邊形鐵素體和一些未溶碳化物存在.由于淬火溫度低，奧氏體中的碳原子和合金原子很難得到充分?jǐn)U散，組織中有一些未溶碳化物.另外，由于低合金耐磨鋼的奧氏體化溫度Ac3為909 ℃，淬火溫度為920 ℃的試樣在出爐進(jìn)行淬火時(shí)，在空氣中很容易冷到Ac3以下，進(jìn)入奧氏體+鐵素體相區(qū)，從組織上看，形成一些多邊形鐵素體；從圖3(b)中可以看出，試樣經(jīng)過930 ℃淬火+200 ℃回火的組織形貌與920 ℃淬火試樣基本相同，但試樣的組織中，鐵素體的量和未溶碳化物的量較920 ℃淬火試樣中的少；從圖3(c)中可以看出，試樣經(jīng)940 ℃淬火+200 ℃回火的金相組織比較粗大，其組織為板條馬氏體和極少量的鐵素體.

2.2.3回火溫度對組織的影響

920 ℃淬火后的鋼在150，200，250 ℃溫度下回火后金相顯微組織如圖4所示.該鋼在150～250 ℃回火屬于低溫回火，馬氏體在低溫回火過程中會發(fā)生碳原子的偏聚和析出.不同碳含量馬氏體的回火轉(zhuǎn)變，析出的碳化物是不同的.在回火過程中θ-Fe3C，ε-Fe2.4C，η-Fe2C都成了該合金馬氏體脫溶時(shí)的過渡相.全過程的沉淀貫序?yàn)閇5]：

另回火過程，殘余奧氏體則轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體或下貝氏體.所以低溫回火后的組織主要為回火馬氏體、少量下貝氏體和一些鐵素體.

因?yàn)榈秃辖鹉湍ヤ摶鼗饻囟确謩e為：150，200及250 ℃屬于低溫回火，而合金碳化物的析出發(fā)生在400～500 ℃，所以，該鋼在250 ℃以下回火時(shí)，只形成碳原子的柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)(Hc)、弘津氣團(tuán)(Dc)以及析出過渡相η-Fe2C(或ε-Fe2.4C)，并沒有合金碳化物的析出[9].

2.3 奧氏體晶粒度分析

鋼的奧氏體晶粒度對其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能有著重要的影響.按照鋼的質(zhì)量技術(shù)要求,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、機(jī)械零件用鋼、彈簧鋼、滲碳軸承鋼和高速鋼等都要進(jìn)行奧氏體晶粒度的試驗(yàn)和評級，通常要求5級以上[10].

圖5為低合金耐磨鋼經(jīng)過加熱到930 ℃，保溫3 h，水冷后的奧氏體晶粒的顯微組織.并且采用截距法和比較法對試樣的奧氏體晶粒大小進(jìn)行了測量和評級，得出該鋼的奧氏體晶粒度為6級，即為細(xì)晶粒鋼.因此，該鋼具有較高的強(qiáng)度和塑韌性，符合試驗(yàn)研究要求.

2.4 淬火溫度對硬度的影響

試樣在920，930和940 ℃不同溫度淬火，200 ℃回火后的硬度值HRC分別是49.1，48.9，47.5，其變化曲線見圖6.可以看出，920，930和940 ℃溫度淬火后，硬度相差不大.因?yàn)樵撲撛?20 ℃淬火后得到的組織馬氏體組織，其硬度較高.而在930 ℃和940 ℃溫度淬火后得到組織的硬度較920 ℃淬火后的硬度低，其原因是隨著淬火溫度的提高，奧氏體成分的更加均勻，奧氏體晶粒長大，從而提高了奧氏體的穩(wěn)定性，淬火后組織中殘余奧氏體含量增加，降低鋼的硬度.

2.5 回火溫度對硬度的影響

試樣在920 ℃溫度淬火后，經(jīng)150，200和250 ℃不同溫度回火時(shí)的硬度值HRC分別是52.8，49.1，47.1，其變化曲線見圖7.因?yàn)殡S著回火溫度的升高，過飽和碳從馬氏體中很快析出，馬氏體基體中的含碳量不斷降低，馬氏體的硬度主要取決于馬氏體中的含碳量，回火溫度升高后，馬氏體中的位錯密度和孿晶數(shù)量都減少，因此隨回火溫度升高，鋼的硬度降低.

3 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)低合金耐磨鋼成分冶煉后獲得的鋼錠成分基本一致.

(2)設(shè)計(jì)低合金耐磨鋼加熱到930 ℃，保溫3 h后奧氏體晶粒度為6級，為細(xì)晶粒鋼.

(3)設(shè)計(jì)的低合金高強(qiáng)度耐磨鋼，最佳熱處理工藝為920 ℃保溫30 min水淬+150 ℃保溫1 h回火.該工藝處理后晶粒細(xì)小，其顯微組織為回火板條馬氏體+少量下貝氏體+鐵素體，并且其硬度達(dá)到52.8HRC.