采掘機械用高強度無碳化物貝氏體鋼齒座的研制與應用

程巨強

采掘機械用高強度無碳化物貝氏體鋼齒座的研制與應用

程巨強

（西安工業(yè)大學 材料與化工學院，陜西 西安 710021）

為了提高大功率采掘機械用齒座截齒耐磨性和使用壽命，研制了一種新型無碳化物貝氏體鋼齒座材料，進行了齒座滲碳熱處理實驗，測試了滲碳后齒座表面硬度及其滲碳層顯微硬度的變化，觀察了滲碳層的顯微組織。結(jié)果表明，無碳化物貝氏體鋼齒座滲碳后空冷低溫回火表面可以獲得較高的硬度，滲碳層外層硬度在58 HRC以上，心部硬度HRC 40，心部沖擊韌性a92 J/cm2。滲碳后空冷低溫回火齒座滲碳層最外層的組織為回火馬氏體、殘余奧氏體，過渡層的組織為回火馬氏體、貝氏體鐵素體、殘余奧氏體，心部非滲碳層的組織為貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組織。滲碳處理齒座的實體力學性能超過行業(yè)標準要求，應用于采掘機齒座具有良好的應用效果。

無碳化物貝氏體鋼；齒座；滲碳；組織；性能

齒座是掘進機、采煤機、刨路機等機械切割頭體上安裝截齒刀具的底座，齒座通過一定的順序焊接在切割頭體上，截齒與齒座通過彈性擋圈連接成一體，工作時通過切割頭體的旋轉(zhuǎn)進行采掘工作[1]。采掘工作中，齒座和截齒是主要的損耗件，使用量較大。為了提高掘進機械用齒座的使用壽命，提高采掘效率和降低采掘企業(yè)的生產(chǎn)成本，要求齒座材料具有高的強韌性、耐磨性及疲勞抗力和良好的焊接性能。常用的齒座材料主要有中碳合金鋼及低合金碳滲碳鋼。中碳合金鋼的代表材料主要有42CrMo，35CrMo、30-35CrMnSi[2-3]等，其齒座的生產(chǎn)工藝主要為模鍛－機械加工－調(diào)質(zhì)熱處理，調(diào)質(zhì)處理的齒座材料具有良好的強韌性，為了提高齒座的耐磨性需要對齒座表面進行感應淬火或堆焊耐磨材料[4]，由于齒座要焊接在切割體或滾筒上，中碳合金鋼由于其碳量較高，焊接性能較差，在焊接或表面感應淬火過程容易產(chǎn)生裂紋[5-6]，易造成齒座的早期失效。隨著采掘機械設(shè)備功率的提高，越來越多的齒座采用焊接性能優(yōu)良的低碳合金滲碳鋼，如20CrNiMo、15-20CrNi3Mo、23MnNiMoCr54等材料[7-8]，低合金鋼材料齒座的生產(chǎn)工藝為模鍛－機械加工－滲碳及熱處理，雖然該類合金鋼強韌性良好，改善了焊接性能，但由于該類滲碳鋼中含有較高的鎳等元素產(chǎn)品的成本相對較高, 應用受到限制。高強度無碳化物貝氏體鋼及滲碳鋼是一種不含鎳的經(jīng)濟型滲碳鋼，具有良好的強韌性[9-10]。本文研究了無碳化物貝氏體齒座材料的組織和性能，為這種高強度材料在采掘機械用齒座的應用提供參考。

1 實驗材料及方法

無碳化物貝氏體滲碳鋼材料的牌號為18CrMn2SiMoV，屬于低碳低合金鋼。齒座鋼的冶煉及其軋制過程為，電爐冶煉＋LF精煉＋VD處理，澆鑄成鋼錠，鋼錠加熱軋制成直徑為70 mm的棒料。齒座加工采用70 mm棒料，通過下料、加熱、模鍛成截齒毛坯，進行機械加工成某型號的截齒。掘進機用齒座的滲碳熱處理工藝如圖1所示。

成品的齒座實體取樣根據(jù)采掘機械用齒座相關(guān)標準進行，取樣位置如圖2所示，所取的試樣類型主要有硬度試樣、沖擊試樣及其有效硬化層檢測試樣。沖擊試樣線切割取樣后加工成尺寸為10 mm×10 mm×55 mm帶U型缺口的試樣，缺口深度為2 mm。齒座的組織觀察試樣采用沖斷后的沖擊試樣，用Nikon EPIPHOT 300金相顯微鏡，組織腐蝕液為4%硝酸酒精溶液。用型號為XRD-6000的X射線衍射儀對滲碳層及非滲碳層試樣進行物相分析，用HRC-150洛氏硬度計測試滲碳后不同熱處理工藝試樣的滲層和心部硬度，用402MVDTM數(shù)顯顯維維氏硬度計測試滲碳層顯微硬度。用JB-30型沖擊試驗機檢測齒座取樣的沖擊值。用QUANTA 400F掃描電子顯微鏡觀察無碳化物貝氏體鋼的顯微組織，用JEM-2010F型透射電子顯微鏡觀察鋼的微觀組織。

圖1 齒座滲碳及熱處理工藝

圖2 實體齒座的取樣位置

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 無碳化物貝氏體滲碳鋼組織和性能

表1是無碳化物貝氏體滲碳鋼的力學性能?？梢钥闯?，不同規(guī)格的無碳化物貝氏體鋼滲碳鋼具有較高強度的同時具有較高的韌性，力學性能能夠達到高級鉻鎳型性滲碳鋼的力學性能[9]。

圖3是無碳化物貝氏體滲碳鋼920℃加熱空冷200℃低溫回火的金相組織。

表1 無碳化物貝氏體滲碳鋼材料力學性能

圖3 無碳化物貝氏體滲碳鋼的組織

可以看出，光學顯微鏡觀察無碳化物貝氏體鋼組織形貌主要為板條狀（圖3a），掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）觀察，920℃加熱空冷、200℃回火組織由貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成，殘余奧氏體分布在貝氏體鐵素體板條之間（圖3b）或板條之上（圖3c）。無碳化物貝氏體組織中的殘余奧氏體取代了典型貝氏體組織中的碳化物，克服了典型貝氏體鋼中滲碳體脆性相降低鋼韌性的作用，加之奧氏體是韌性相，在應力作用下易發(fā)生塑性變形，消耗應力，阻礙裂紋的擴展，因此無碳化物貝氏體鋼顯著的改善了典型貝氏體鋼的韌性，具有良好的強韌性[10]。

2.2 無碳化物貝氏體齒座的性能

為了防止截齒在應用過程發(fā)生斷裂、變形、磨損等早期的失效，采掘機械用齒座質(zhì)量檢驗時要求進行實體取樣，測試齒座實體的沖擊韌性a、硬度和有效硬化層深度。根據(jù)煤炭行業(yè)標準[11]規(guī)定，齒座實體取樣的a要大于49，以防止因a不足而發(fā)生過載斷裂。表2是按照圖1滲碳熱處理生產(chǎn)的齒坐實體取樣沖擊性能實驗結(jié)果?？梢钥闯觯X座實體取樣a最低值為85.3，平均值為92.3，遠高于煤炭行業(yè)標準要求，說明無碳化物貝氏體鋼齒座滲碳后具有良好的沖擊性能，a指標滿足齒座行業(yè)標準的要求，能夠作為掘進機等設(shè)備的齒坐材料。圖4是實體取樣沖擊試樣斷口宏觀形貌?？梢钥闯鰶_擊試樣斷口出現(xiàn)較多剪的切唇，為韌性斷口特征，說明齒座的沖擊韌性較高。

表2 齒座實體取樣沖擊韌性測試結(jié)果

圖4 沖擊斷口宏觀形貌

由于掘進機等設(shè)備工作時，切割刀具截齒是安裝在齒座上，工作時齒座的安裝面與截齒接觸，非安裝面直接與礦物接觸，因此要求齒座安裝截齒的工作面和齒座表面具有較高的耐磨性，滲碳熱處理通過提高齒座表面材料的含碳量，熱處理空冷后提高齒座與截齒接觸的表面硬度和非工作面表面的硬度，提高齒座的耐磨性。煤炭行業(yè)標準[11]規(guī)定齒座安裝截齒表面的硬度在HRC 47～57。表3是無碳化物貝氏體鋼齒座920℃滲碳空冷、200℃低溫回火實體取樣滲碳層及心部硬度檢測結(jié)果。從表中可以看出，齒座與截齒的安裝面硬度檢測HRC60，具有較高的硬度，說明無碳化物貝氏體鋼滲碳后空冷齒座材料具有較高的淬硬性，硬度高于掘進機用齒座技術(shù)要求的硬度值。齒座非安裝面滲碳硬度檢測HRC58、HRC59，具有很高的硬度，能夠提高齒座工作時表面的耐磨性能及使用壽命。

表3 齒坐取樣滲碳層及心部硬度檢測結(jié)果

滲碳熱處理的特點是使?jié)B碳件的表面層通過滲碳提高其碳含量，熱處理后滲碳層具有高硬度和高的耐磨性，而滲碳件心部非滲碳層保持著低的碳含量和高的韌性和塑性，是滲碳結(jié)構(gòu)件呈現(xiàn)外硬內(nèi)韌的特點，以提高使用壽命。對于滲碳件，一般規(guī)定有一定的有效滲碳層深度，有效滲碳層深度是指離表面顯微硬度HV為550的滲碳層深度，規(guī)定有效滲碳層深度是為了保證滲碳件滲碳層具有一定深度的高硬度距離，以提高滲碳件的耐磨性和疲勞強度。圖5是無碳化物貝氏體齒座滲碳后滲碳層硬度分布，可以看出，最高硬度出現(xiàn)在離表面0.5 mm處，表面層硬度偏低，這是因為滲碳熱處理時表面的碳含量較高，較高的含碳量提高齒座表面組織中的奧氏體穩(wěn)定性，正火后表面存在較多的殘余奧氏體，使表面硬度有所降低，隨離表面距離的增加，殘余奧奧氏體量有所減少，硬度增加，遠離表面，其碳含量降低，熱處理后硬度降低。從圖5還可以看出，無碳化物貝氏體齒座滲碳層顯微硬度分布平緩，有效滲碳硬化層HV 550的距離為2.0 mm，說明按照圖1的滲碳熱處理工藝，齒座滲碳層的有效滲碳層硬度值滿足齒座標準的要求[11]規(guī)定有效深層為1.5～3 mm），也說明無碳化物貝氏體滲碳后空冷、低溫回火具有較高的淬透性，可以用滲碳后空冷替代淬火熱處理，以減小淬火件的變形及避免淬火裂紋。用無碳化物貝氏體鋼按照圖1的滲碳熱處理工藝生產(chǎn)的45只齒座在某型號的掘進機上使用，使用結(jié)果表明，無碳化物貝氏體滲碳鋼齒座與掘進機切割頭焊接，焊接性良好，齒座實際應用具有良好的耐磨性和使用效果。

圖5 齒座滲碳空冷低溫回火滲碳層硬度的變化

2.3 無碳化物貝氏體齒座的組織

圖6是無碳化物貝氏體鋼齒座920℃滲碳空冷、200℃低溫回火實體取樣滲碳層和非滲碳層XRD衍射圖譜。

從圖6可看出，齒座表面滲碳層XRD衍射峰主要有鐵素體（α）和奧氏體（γ）衍射峰（圖6a），齒座心部（非滲碳層）的XRD衍射峰和滲碳層一樣主要為鐵素體（α）和奧氏體（γ）衍射峰（圖6b），結(jié)合齒座的熱處理工藝，滲碳后空冷、低溫回火齒座滲碳層的組織應為回火馬氏體（M）＋奧氏體（γ）組織，滲碳層不存在碳化物相，為回火馬氏體和殘余奧氏體復相組織，非滲碳層為貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組織，不存在碳化物相，為無碳化物貝氏體組織。研究表明，滲碳層組織中的殘余奧氏體在齒座使用過程會發(fā)生TRIP效應，即在應力和應變的作用下誘發(fā)馬氏體相變，發(fā)生殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，吸收能量，降低應力，提高塑性及疲勞壽命[12]，TRIP效應形成的高碳馬氏體組織，提高鋼的硬度及齒座的使用壽命。

圖7是無碳化物貝氏體鋼齒座按照圖1的滲碳熱處理工藝進行滲碳處理、按照圖2進行實體取樣加工成沖擊試樣的金相組織。

結(jié)合圖5的XRD衍射物相分析，滲碳空冷齒座實體取樣外表面滲碳層的組織為回火高碳馬氏體＋殘余奧氏體，最外層滲碳層組織中，黑灰色組織為回火高碳馬氏體組織，白色小塊狀組織為殘余奧氏體，滲碳層組織相貌良好，無粗大塊狀組織或網(wǎng)狀分布的組織（圖7a）。過渡區(qū)的組織為馬氏體＋貝氏體＋殘余奧氏體，組織中呈深黑色片板條狀的組織為貝氏體組織，灰白色板條為回火馬氏體組織，白色小塊狀組織為殘余奧氏體組織（圖7b）。心部的板條狀組織為無碳化物貝氏體組織，呈板條狀分布（圖7c）。滲碳層及心部金相組織按照滲碳淬火回火金相檢驗標準[13]的規(guī)定，檢測滲碳層馬氏體級別為1級、奧氏體級別為1級，心部鐵素體級別為2級，滿足重載齒輪滲碳金相檢驗標準[14]對馬氏體級別（1～4級合格）、碳化物（1～3級合格）、奧氏體級別（1～4級合格）及心部鐵素體級別（1～4級合格）的要求。

3 結(jié)論

（1）無碳化物貝氏體鋼滲碳鋼具有良好強韌性，920℃正火200℃回火獲得力學性能為R1248～1290 MPa，R0.21060～1080 MPa，a147～155 J/cm2。用無碳化物貝氏體滲碳制造的掘進機用齒座920℃滲碳空冷200℃回火，實體取樣齒座的a平均值為92 J/cm2，安裝面的硬度為HRC60，非安裝面硬度在58HRC以上，具有良好的淬硬性和淬透性，有效硬化層深度為2 mm，齒座實體a、硬度及硬化層深度滿足行業(yè)標準要求。

（2）用無碳化物貝氏體鋼制造的掘進機用齒座滲碳后空冷低溫回火，滲碳層組織形態(tài)良好，無網(wǎng)狀及其塊狀等不良組織，滲碳層最外層的組織為回火高碳馬氏體＋殘余奧氏體，過渡區(qū)組織為為回火馬氏體、貝氏體鐵素體和殘余奧氏體，心部非滲碳層組織為貝氏體鐵素體和殘余奧氏體，應用與掘進機齒座具有良好的應用效果。

[1]高長生，劉曉輝，楊瑞鋒. 采煤機破碎部截齒座分析研究[J].煤礦機械，2012，33（6）：59-61.

[2]王云霞. 采煤機齒座選材分析[J]. 煤，2003（2）：46，52.

[3]呂鳳雷.采煤機滾筒齒座淬火工藝優(yōu)化設(shè)計[J].金屬加工， 2010（13）：42-43.

[4]張勇，周煒翔，周曉琴，等. 堆焊技術(shù)在熱工試驗裝置穩(wěn)壓器上應用的可行性分析[J]. 機械，2017，44（11）：54-59.

[5]朱忠文. 采煤機滾筒齒座開裂分析[J]. 雞西大學學報，2012，12（2）：46-47.

[6]曾振鵬，張惠娟，戴嘉維. 齒座裂紋分析[J]. 理化檢驗-物理分冊，2000，36（12）：562-564.

[7]袁博，鄭洋. 23MnNiMoCr54 材料在采煤機螺旋滾筒齒座上的應用[J]. 煤礦機械，2019，40（1）：70-72.

[8]段進東. 采煤機滾筒失效及零部件材料選擇研究[J]. 煤炭科技，2018（1）：64-66.

[9]程巨強，賀自強，楊延清，等. 新型準貝氏體滲碳鋼及應用[J]. 鋼鐵，2000，35（2）：47-50.

[10]程巨強，劉志學. 新型貝氏體鋼及在礦山機械領(lǐng)域的應用[J]. 礦山機械，2004（7）：88-89.

[11]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會. 采掘機械用齒座：MT/T247－2016[S]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.

[12]徐偉，黃明浩，王金亮,等. 綜述：鋼中亞穩(wěn)奧氏體組織與疲勞性能關(guān)系[J]. 金屬學報，2020，56（4）：459-475.

[13]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 鋼件滲碳淬火回火金相檢驗：GB/T 25744－2010 [S]. 北京：中國標準出版社，2011.

[14]中華人民共和國機械電子工業(yè)部. 重載齒輪滲碳金相檢驗：JB/T 6141.3－1992[S]. 北京：機械科學研究院，1992.

Development and Application of High Strength Carbide Free Bainite Steel Pick Seat for Mining Machinery

CHENG Juqiang

( College of Materials Science and Chemical Engineering, Xi'an Technological University, Xi' an 710021, China )

To improve the wear resistance and service life of the pick seat for high-power mining machinery, a new carbide-free bainite steel pick seat material was developed, and the carburizing heat treatment experiment of the pick seat was carried out. The surface hardness of the tooth holder and the microhardness of the carburized layer after carburizing were tested, and the microstructure of the carburized layer was observed. The results showed that high hardness can be obtained on the carburized surface of carbide-free bainitic steel gear seat after air cooling and tempering at low temperature. The hardness of the carburized layer is above 58HRC, the hardness of the core is HRC40, and the impact toughness of the core isa92 J/cm2. After carburizing, the microstructure of the outermost layer of carburized layer of air-cooled low-temperature tempered gear seat is tempered martensite and retained austenite, the microstructure of transition layer is tempered martensite, bainite ferrite and retained austenite, and the microstructure of the non-carburized layer in the center is bainite ferrite and retained austenite. The solid mechanical properties of carburized pick seats exceed the requirements of industry standards, and it has a good application effect when applied to mining machine pick seats.

carbide free bainitic steel；pick seat；carburization；microstructure；property

TD421

A

10.3969/j.issn. 1006-0316.2021.06.003

1006-0316 (2021) 06-0014-06

2020-01-14

程巨強（1963－），男，工學博士，教授，主要研究方向為高強度鋼鐵材料及非鐵合金耐磨材料，Email：chengjuqiang@163.com。