熱處理工藝對Cr15Ni2MnMoCuNbRE鑄鋼組織及性能的影響

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(1. 海南科技職業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 海南 ?？?570100； 2. 河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 洛陽 471023)

磨損是引起機械零件失效的主要原因之一，工業(yè)機械零件有一半以上的損耗是由于摩擦磨損導(dǎo)致的，隨著科技進步和工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，機器設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度越來越快，運轉(zhuǎn)精度越來越高，零件之間的摩擦磨損也相對越來越嚴(yán)重，機器的服役周期降低，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率，尤其在礦山和煤炭行業(yè)服役的大型耐磨設(shè)備，它們不僅承受礦石和煤炭的磨損，而且還承受弱酸性礦漿和煤泥漿料的腐蝕。盡管人們通過成分設(shè)計和熱處理工藝優(yōu)化對耐磨材料進行了大量開發(fā)研究，研究領(lǐng)域涉及奧氏體錳鋼[1-3]、耐磨合金鑄鋼[4-7]和耐磨合金鑄鐵[8-12]以及復(fù)合耐磨材料[13-15]等不同類型的耐磨材料, 且已取得顯著的成果，但對礦山、煤炭行業(yè)濕磨工況下使用的大型耐磨部件(如大型球磨機襯板、旋流器襯板等弱酸性介質(zhì)中工作的部件)，仍然存在耐磨耐蝕性差、韌性不足、部件使用壽命低等問題，不能令用戶滿意[16]。因此，開發(fā)高效、節(jié)能、降耗的金屬耐蝕耐磨材料，提高產(chǎn)品使用壽命，降低生產(chǎn)成本一直是材料科學(xué)工作者追求的目標(biāo)。

Cr15Ni2MnMoCuNbRE鑄鋼是針對礦山濕磨工況開發(fā)的一種新型耐磨材料，為了充分挖掘該鋼種的潛能，滿足礦山、煤炭等行業(yè)濕磨工況下大型耐磨件工作的要求，提高其韌性和耐磨性，本文研究了Cr15Ni2MnMoCuNbRE鑄鋼經(jīng)不同熱處理工藝處理后的組織和性能，以達到提高其韌性和濕磨工況下抗腐蝕磨損性能的目的。

1 試驗材料與方法

試驗材料使用KGPT 2000-25型50 kg中頻感應(yīng)爐在非真空條件下熔煉。試驗原材料為廢鋼、鉻鐵、鉬鐵、電解鎳板、鈮鐵、電解銅、稀土硅鐵合金等，熔煉前根據(jù)合金成分要求進行配料。試驗鋼成分見表1。熔煉時先將廢鋼、鉬鐵、鎳板、電解銅、低/高碳鉻鐵依次加入爐中，待爐料熔清后加入硅鐵、錳鐵進行預(yù)脫氧，然后加入Nb鐵合金，當(dāng)試驗鋼液溫度達到1550～1580 ℃時，加入0.12%Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)進行終脫氧后出鋼，0.12%Re在爐前包中加入；處理后的試驗鋼液澆注成標(biāo)準(zhǔn)“Y”型試塊，澆注溫度為1500～1530 ℃。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

所有試樣均采用線切割方法在經(jīng)860 ℃×2 h空冷(AC)，860 ℃×1 h+920 ℃×1 h空冷，860 ℃×1 h+1000 ℃×1 h空冷，860 ℃×1 h+1050 ℃×1 h空冷4種不同熱處理后的“Y”型標(biāo)準(zhǔn)試塊上切取。沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm無缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣，在JB-300B型擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行沖擊性能測試；硬度試驗在HR-150A型洛氏硬度計上進行；腐蝕磨損試驗在MCF-30型腐蝕磨損試驗機上進行，磨損試驗轉(zhuǎn)速200 r/min，磨損試樣尺寸φ20 mm×40 mm，裝配示意圖見圖1。腐蝕磨損介質(zhì)為石英砂(40～70目)+水，砂漿的水砂質(zhì)量比4∶3，pH值5.0～6.5，每組腐蝕試樣為2根。腐蝕磨損時間360 h，每磨損24 h將試樣取出清洗，采用BS210s萬分之一電子天平稱量磨損試樣的質(zhì)量，并計算兩次磨損間的質(zhì)量損失，每組試驗數(shù)據(jù)均為2根試樣磨損量的平均值。試驗鋼的微觀組織和腐蝕磨損表面形貌均采用JSM-5610LV掃描電鏡進行觀察。

圖1 沖蝕磨損試樣裝配圖Fig.1 Assembly drawing of erosion wear specimen

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熱處理工藝對組織的影響

圖2為Cr15Ni2MnMoCuNbRE鑄鋼經(jīng)不同熱處理后的顯微組織。由圖2可以看出，Cr15Ni2MnMoCuNbRE鑄鋼經(jīng)860 ℃×2 h熱處理后的組織為奧氏體+晶界碳化物，碳化物呈網(wǎng)狀分布在奧氏體晶界上，數(shù)量較多(見圖2(a))。隨著加熱溫度的升高，晶界碳化物減少，碳化物形態(tài)也得到了一定的改善(見圖2(b))。當(dāng)加熱溫度提高至1000 ℃時，晶界碳化物明顯減少，碳化物形態(tài)也由聚集的粗大網(wǎng)狀變?yōu)榧?xì)棒狀(見圖2(c))，加熱溫度繼續(xù)提高至1050 ℃后，試驗鋼中晶界碳化物數(shù)量和形態(tài)均變化不大(見圖2(d))。這是因為，隨著熱處理加熱溫度升高，合金元素擴散能力增強，晶界碳化物的分解和溶入奧氏體的速度加快，使晶界碳化物減少，形態(tài)改善，熱處理溫度超過1000 ℃后晶界碳化物分解基本上達到了平衡?？梢?，熱處理工藝對試驗鋼晶界碳化物的分布形態(tài)有明顯影響。

圖2 不同熱處理后試驗鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of the tested steel treated by different heat treatment processes(a) 860 ℃×2 h, AC; (b) 860 ℃×1 h+920 ℃×1 h, AC; (c) 860 ℃×1 h+1000 ℃×1 h, AC; (d) 860 ℃×1 h+1050 ℃×1 h, AC

2.2 熱處理工藝對力學(xué)性能的影響

表2為不同工藝熱處理后試驗鋼的硬度和沖擊性能。由表2可以看出，試驗鋼的硬度和沖擊性能均隨熱處理加熱溫度升高而增加，當(dāng)加熱溫度由860 ℃增加到1000 ℃時，試驗鋼的硬度由54.3 HRC增加到57.5 HRC，沖擊吸收能量也由23.7 J提高到35.5 J，加熱溫度繼續(xù)提高，試驗鋼硬度變化不大，沖擊性能略有下降。這是因為隨著加熱溫度升高，合金元素的擴散能力增強，晶界碳化物溶入奧氏體的速度加快，奧氏體中的C和合金元素含量增加，固溶強化作用增強，奧氏體的硬度提高。晶界碳化物的分解和形態(tài)的改善又減小了其對晶界的脆化作用，使試驗鋼的韌性提高。當(dāng)加熱溫度超過1000 ℃后，由于晶界碳化物的溶解和析出基本達到平衡，奧氏體基體內(nèi)合金元素含量基本穩(wěn)定，鋼的力學(xué)性能變化不大。可見，熱處理加熱溫度對試驗鋼的硬度和沖擊性能均有不同程度的影響。相比之下，經(jīng)860 ℃×1 h+1000 ℃×1 h空冷處理后的試驗鋼，其硬度和沖擊吸收能量比860 ℃×2 h空冷處理的試驗鋼分別提高了5.9%和49.8%，為57.5 HRC和35.5 J，試驗鋼的硬度和韌性達到了良好匹配。

表2 熱處理工藝對試驗鋼力學(xué)性能的影響

2.3 熱處理工藝對耐腐蝕磨損性能的影響

熱處理工藝對試驗鋼腐蝕磨損性能的影響見表3。由表3可知，熱處理加熱溫度對試驗鋼的腐蝕磨損性能同樣也有顯著影響。隨著加熱溫度升高，耐腐蝕磨損性能提高，當(dāng)加熱溫度由860 ℃增加到1000 ℃時，試驗鋼的耐腐蝕磨損性能由0.17增加到0.49，耐腐蝕磨損性提高了1.88倍，加熱溫度繼續(xù)升高，耐腐蝕磨損性能變化不大?？梢?，試驗鋼經(jīng)1000 ℃奧氏體化處理后，其耐腐蝕磨損性能達到了優(yōu)良水平。

表3 熱處理工藝對試驗鋼耐腐蝕磨損性能的影響

圖3 不同工藝熱處理后試驗鋼的表面腐蝕磨損形貌Fig.3 Corrosion wear morphologies of the tested steel treated by different heat treatment processes(a) 860 ℃×2 h, AC; (b) 860 ℃×1 h+920 ℃×1 h, AC; (c) 860 ℃×1 h+1000 ℃×1 h, AC; (d) 860 ℃×1 h+1050 ℃×1 h, AC

圖3為經(jīng)不同工藝熱處理后試驗鋼的腐蝕磨損表面形貌。由圖3可以看出，經(jīng)860 ℃熱處理的試驗鋼，其腐蝕磨損表面出現(xiàn)大量的沖蝕剝落坑，剝落坑大且較深(見圖3(a))。隨著熱處理加熱溫度的提高，試樣表面腐蝕磨損剝落坑減少，腐蝕磨損坑深度變淺，腐蝕磨損表面形貌改善。當(dāng)熱處理加熱溫度達到1000 ℃時，磨損表面形貌進一步改善，試樣腐蝕磨損剝落坑較淺，腐蝕磨損表面平坦(見圖3(c))，熱處理加熱溫度超過1000 ℃后，磨損腐蝕試樣表面形貌變化不大(見圖3(d))?？梢?，熱處理工藝對試驗鋼腐蝕磨損表面形貌也有較大影響。

眾所周知，腐蝕磨損并不是簡單的腐蝕與磨料磨損量的疊加，而是磨損過程中材料的磨料磨損、腐蝕和沖擊共同作用的結(jié)果。文獻[17]指出，在腐蝕磨損過程中，磨料的機械作用可使材料的腐蝕速度提高2～4個數(shù)量級，材料腐蝕磨損的速度可達腐蝕與磨損速度的8～35倍。這充分說明濕磨條件下的磨損要比干磨條件下的磨損嚴(yán)重的多。

熱處理工藝之所以對試驗鋼腐蝕磨損性能有較大影響，主要是因為在較低的熱處理溫度下，合金元素擴散速度較慢，晶界碳化物分解速度較低，基體成分偏析不能完全消除，晶界碳化物較多，處于晶界上的這些網(wǎng)狀碳化物，其電極電位高于基體而使其通過漿料與基體形成原電池，成分偏析也導(dǎo)致基體內(nèi)存在電位差，這均使得磨損過程中電化學(xué)腐蝕通過碳化物與基體界面進行，這種電化學(xué)腐蝕的結(jié)果使支撐碳化物周圍的基體不斷被腐蝕而失去其對碳化物的支撐作用，使孤立的硬、脆碳化物相在腐蝕磨損過程中受磨料沖擊作用被折斷或剝落失去了抗磨作用而形成剝落坑。同時，試樣磨損表面的腐蝕產(chǎn)物在磨料的沖蝕作用下也不斷流失，新的活性基體不斷暴露于漿料中，這又促使腐蝕磨損進一步發(fā)生。加熱溫度提高，合金元素的擴散能力增強，晶界碳化物溶解速度加快、數(shù)量減少，這使得原電池數(shù)減少，電化學(xué)腐蝕磨損減慢，耐磨性提高。另一方面，加熱溫度提高，碳化物中的Cr、C等合金元素不斷溶入奧氏體基體，使基體固溶強化作用增強，硬度提高，耐磨性改善。由于熱處理加熱溫度提高，基體內(nèi)合金元素通過擴散使成分偏析減小，晶粒內(nèi)和晶粒間的成分更加均勻，電位差減小，電極電位提高，腐蝕磨損進一步減小，耐磨性能提高。另外，碳化物的分解使溶入基體中Cr含量不斷增加，這加速了對腐蝕磨損表面起保護作用的Cr2O3鈍化膜的形成，從而抑制了腐蝕速度，提高了基體表面的耐腐蝕磨損能力，使試驗鋼的耐腐蝕磨損性能得到改善。

3 結(jié)論

1) 熱處理工藝對Cr15Ni2MnMoCuNbRE鑄鋼晶界碳化物有明顯影響，熱處理加熱溫度提高，晶界碳化物數(shù)量減少，碳化物形態(tài)改善，碳化物形貌由860 ℃處理的網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)?000 ℃處理后的棒狀。

2) 熱處理加熱溫度對試驗鋼的硬度和沖擊性能均有不同程度的影響，加熱溫度升高，試驗鋼的性能改善，當(dāng)加熱溫度提高到1000 ℃時，試驗鋼硬度和沖擊吸收能量分別提高到57.5 HRC和35.5 J，與加熱溫度860 ℃處理的試驗鋼相比，分別提高了5.9%和49.8%。加熱溫度超過1000 ℃，試驗鋼的力學(xué)性能變化不大。

3) 熱處理工藝對試驗鋼耐腐蝕磨損性能有顯著影響，隨著熱處理加熱溫度升高，試驗鋼的耐腐蝕磨損性能提高，當(dāng)熱處理加熱溫度升高至1000 ℃時，試驗鋼熱處理后的耐腐蝕磨損性也提高到0.49，較860 ℃處理的試驗鋼提高了1.88倍。