礦山機(jī)械用 Cr-C 耐磨合金的組織性能研究

蘇興國，楊 光，李佳康，齊海龍，王永金

1鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司東鞍山燒結(jié)廠 遼寧鞍山 114000

2北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 北京 100083

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，礦山設(shè)備的磨損嚴(yán)重影響了設(shè)備的工作效率[1]。磨損作為鋼鐵材料失效的主要形式之一，每年直接導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)百億元以上[2]。Cr-C 耐磨合金具有硬度高、耐磨性好的特點(diǎn)，可用于制造耐磨襯板。其鑄態(tài)組織存在有網(wǎng)狀碳化物，且隨著含碳量的增加，凝固組織中會(huì)出現(xiàn)粗大的網(wǎng)狀共晶碳化物，且偏析嚴(yán)重，韌性較差[3-5]，經(jīng)合理的熱處理可以在保證耐磨性的前提下，提高其韌性。筆者圍繞 Cr-C 耐磨合金研究了熱處理工藝對(duì)其組織及性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

所用試驗(yàn)材料是在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行合金的冶煉，并澆入石墨坩堝中，空冷至室溫，試驗(yàn)用 Cr-C耐磨合金化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 如表 1 所列。

表1 Cr-C 耐磨合金化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Mass fraction of chemical composition of Cr-C wear resistant alloy %

1.2 熱處理

熱處理包括正火、淬火、回火。首先對(duì)鑄態(tài)試樣進(jìn)行 1 000、1 100、1 200 ℃ 正火處理，保溫 2 h，空冷至室溫，對(duì)正火后的試樣進(jìn)行顯微組織觀察及力學(xué)性能檢測(cè)。正火后的 Cr-C 耐磨合金力學(xué)性能如表 2所列。

表2 正火后 Cr-C 耐磨合金的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of Cr-C wear resistant alloy after normalizing

由表 2 可知，Cr-C 耐磨合金最佳的正火溫度為1 100 ℃。在 1 100 ℃ 正火后，進(jìn)行淬火+回火處理。其中，淬火處理為 900 ℃ 保溫 1 h，并設(shè)置了油冷和空冷 2 種不同的冷卻方式，對(duì)不同淬火處理后的試樣進(jìn)行回火處理，在 250 ℃ 保溫 2 h 空冷至室溫。

1.3 表征方法

試樣熱處理完成后，機(jī)加工為 U 形 55 mm×10 mm×10 mm，然后進(jìn)行常溫沖擊韌性檢測(cè)，采用洛氏硬度計(jì)對(duì)試樣的硬度進(jìn)行測(cè)定。同時(shí)，切取試樣制備 10 mm×10 mm×5 mm的金相，經(jīng)過鑲樣、磨樣、拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)為 4%的硝酸酒精進(jìn)行侵蝕后，使用 SEM 對(duì)其顯微組織進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cr-C 耐磨合金鑄態(tài)組織及性能

Cr-C 耐磨合金鑄態(tài)下硬度達(dá)到 43.6HRC，沖擊韌性為 2.2 J/cm2。通過 SEM 觀察發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)組織主要由粒狀珠光體和網(wǎng)狀碳化物組成，如圖 1 所示。其中，網(wǎng)狀碳化物的存在，降低了晶格之間的延續(xù)性，降低了 Cr-C 耐磨合金的性能，使 Cr-C 耐磨合金的沖擊韌性下降，脆性增加，在使用中發(fā)生疲勞失效。為了消除 Cr-C 耐磨合金中網(wǎng)狀碳化物帶來的不利影響，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)于過共析鋼，可以采用正火處理，消除網(wǎng)狀碳化物[6-7]。

圖1 Cr-C 耐磨合金鑄態(tài)組織Fig.1 As cast microstructure of Cr-C wear resistant alloy

2.2 正火處理對(duì) Cr-C 耐磨合金組織及性能的影響

Cr-C 耐磨合金在硬度方面，經(jīng) 1 000、1 100 ℃正火處理后，Cr-C 耐磨合金的硬度與鑄態(tài)相比分別提高了 21.0HRC、14.6HRC，其中在 1 000 ℃ 時(shí)，硬度達(dá)到最大值 64.6HRC，而經(jīng)過 1 200 ℃ 正火處理后，Cr-C 耐磨合金的硬度下降明顯，為 30.6HRC；在沖擊韌性方面，同鑄態(tài)時(shí)相比較，經(jīng)過 1 000 ℃ 正火處理后，沖擊韌性有所降低，經(jīng) 1 100、1 200 ℃ 正火處理后，沖擊韌性得到提高。在 1 100 ℃ 正火處理后，沖擊韌性達(dá)到最大值 4.9 J/cm2。

Cr-C 耐磨合金正火后的 SEM 組織如圖 2 所示。由圖 2 可以觀察到，經(jīng)過不同溫度正火處理后，Cr-C耐磨合金的組織發(fā)生了改變。隨著正火溫度的升高，網(wǎng)狀碳化物不斷溶解到基體組織中，網(wǎng)狀形態(tài)得到一定的緩解。在 1 000 ℃ 時(shí)，原網(wǎng)狀碳化物網(wǎng)出現(xiàn)溶斷，碳化物溶解為小顆粒，但仍可依稀看出原網(wǎng)狀碳化物的形貌；在 1 100 ℃ 時(shí)，可以看到，碳化物主要集中在部分晶界處，在部分位置可以看到晶粒周圍被碳化物包圍；在 1 200 ℃ 時(shí)，碳化物網(wǎng)基本消失，可以在晶界處看到顆粒狀的碳化物。在基體層組織方面，經(jīng) 1 000 ℃ 正火處理后，得到的原奧氏體晶粒更加細(xì)小，平均晶粒尺寸為 10 μm，同時(shí)在晶粒內(nèi)部有細(xì)小的二次碳化物析出，硬度最大；在 1 100 ℃ 時(shí)，奧氏體晶粒明顯粗大，平均晶粒尺寸＞20 μm，可以觀察到馬氏體的表面浮凸，硬度也降低；在 1 200 ℃，保溫過程中，奧氏體晶粒繼續(xù)長大，同時(shí)碳化物進(jìn)一步溶解，基體中 Cr 含量升高，Ms 點(diǎn)降低，最終奧氏體組織在室溫下得到保留。

圖2 不同溫度正火后 Cr-C 耐磨合金的顯微組織Fig.2 Microstructure of Cr-C wear resistant alloy after normalizing at various temperatures

綜合分析，在 1 000 ℃ 時(shí)，細(xì)小的奧氏體晶粒和大量未溶的斷網(wǎng)碳化物，使得此時(shí)硬度保持在較高水平，同時(shí)大量的細(xì)小顆粒碳化物集中分布于某些晶界處，不利于沖擊韌性的提高；在 1 100 ℃ 時(shí)，在晶界處保留了部分碳化物，同時(shí)奧氏體長大，冷卻后得到馬氏體組織，二者的相互作用使得試驗(yàn)鋼的硬度和沖擊韌性均處于較高水平；在 1 200 ℃ 時(shí)，較高的保溫溫度促進(jìn)了奧氏體的長大，同時(shí)，網(wǎng)狀碳化物的溶解使得奧氏體中合金元素含量增多，Ms 點(diǎn)降低，在室溫下得到奧氏體組織，粗大的奧氏體晶粒使得此溫度下硬度急劇下降，不利于沖擊韌性的進(jìn)一步提高。

2.3 淬火+回火處理對(duì) Cr-C 耐磨合金組織及性能的影響

淬火+回火后的 Cr-C 耐磨合金的力學(xué)性能如圖3 所示。Cr-C 耐磨合金經(jīng)空冷淬火+回火后，硬度為 55.7HRC，沖擊韌性為 3.2 J/cm2，其硬度和沖擊韌性較正火后均有所降低，性能未能實(shí)現(xiàn)再次提升；而經(jīng)油冷淬火+回火后，Cr-C 耐磨合金的硬度提高到 58.9HRC，但沖擊韌性下降明顯，沖擊韌性由正火態(tài)的 4.9 J/cm2降低為 2.7 J/cm2。

圖3 淬火+回火后 Cr-C 耐磨合金的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of Cr-C wear resistant alloy after quenching+tempering

不同熱處理后的 Cr-C 耐磨合金組織如圖 4 所示。由圖 4 可以看到，空冷淬火+回火后，基體組織為馬氏體組織，晶界處初生碳化物得到細(xì)化，同時(shí)可以看到部分晶粒內(nèi)存在更加細(xì)小的顆粒狀碳化物。油冷淬火+回火后，基體組織為回火馬氏體組織，晶界處碳化物較為粗大，基體上的二次碳化物呈現(xiàn)出顆粒狀。

圖4 不同熱處理后的 Cr-C 耐磨合金組織Fig.4 Microstructure of Cr-C wear resistant alloy after various heat treatment

綜合分析，空冷淬火+回火后，初生碳化物溶入基體，碳化物含量降低，且由于馬氏體硬度要低于碳化物的硬度，最終表現(xiàn)為硬度降低。油冷淬火+回火后，初生碳化物粗大，二次碳化物增多，硬度提高。

3 結(jié)論

(1) Cr-C 耐磨合金鑄態(tài)組織中存在明顯的網(wǎng)狀碳化物，基體組織為粒狀珠光體，經(jīng)正火處理后，網(wǎng)狀碳化物部分溶解到基體組織中，網(wǎng)狀形態(tài)得到一定的緩解，性能得到改善。正火后進(jìn)行淬火+回火，晶界處碳化物得到保留，基體中開始析出二次碳化物。

(2) 經(jīng) 1 000 ℃ 正火處理后，所得到的奧氏體晶粒更加細(xì)小，平均晶粒尺寸為 10 μm，正火溫度超過1 100 ℃ 之后，奧氏體晶粒明顯粗大，平均晶粒尺寸＞20 μm。經(jīng)不同正火溫度處理后，Cr-C 耐磨合金的基體組織也發(fā)生改變，在 1 000 ℃ 和 1 100 ℃ 時(shí)，基體組織為馬氏體組織；正火溫度為 1 200 ℃ 時(shí)，碳化物進(jìn)一步溶解，基體中 Cr 含量升高，Ms 點(diǎn)降低，最終在室溫下獲得奧氏體組織。

(3) 正火后經(jīng)淬火+回火的熱處理，可以保證Cr-C 耐磨合金的硬度保持在較高水平，硬度均＞55 HRC，但其沖擊韌性較 1 100 ℃ 正火后，均表現(xiàn)為降低，且經(jīng)油冷淬火+回火處理的試樣沖擊韌性最低，為 2.7 J/cm2。

(4) Cr-C 耐磨合金最佳的熱處理工藝為 1 100 ℃正火，保溫 2 h。在此條件下，Cr-C 耐磨合金的沖擊韌性最好，為 4.9 J/cm2，同時(shí)也保證其有較高的硬度，為 58.2HRC。