鍛造及熱處理工藝對耐磨鋼組織及耐磨性能的影響

張 衡， 張 迪， 劉馨宇， 王曉東， 高占勇， 陳 林

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院(稀土學(xué)院)， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

吊斗鏟在現(xiàn)代化大型露天煤礦巖土剝離工程中起著至關(guān)重要的作用，其中吊斗鏟的鏟齒齒尖是重要耐磨部件之一。由于挖掘機工作環(huán)境苛刻，鏟齒齒尖在周而復(fù)始的工作中與礦石不斷形成擠壓接觸，產(chǎn)生摩擦，隨著摩擦日積月累，鏟齒齒尖被磨損的現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，最后會形成“磨禿”的現(xiàn)象，也有極少數(shù)由于鏟齒齒尖和礦石接觸時沖擊過大而發(fā)生“斷齒”現(xiàn)象，因此鏟齒齒尖一直屬于易磨損易斷裂的消耗品[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，我國目前服役的超過2 m3的大型礦山挖掘機有2000～2500臺，鏟齒消耗造成的直接經(jīng)濟損失大約為每年3000萬元[3-4]。鏟齒齒尖結(jié)構(gòu)性能的好壞對挖掘機工作效率的影響非常重要，目前國內(nèi)還沒有其他可替代的產(chǎn)品。

現(xiàn)階段我國生產(chǎn)的挖掘機鏟齒與國外鏟齒相比有兩大問題：一是國產(chǎn)鏟齒的化學(xué)成分與進口鏟齒相近，性能也很接近，但使用壽命遠(yuǎn)低于進口鏟齒；二是國產(chǎn)鏟齒與進口鏟齒的性能相近或高于進口鏟齒的性能，但使用壽命卻遠(yuǎn)低于進口鏟齒。因此，綜合國內(nèi)外鏟齒材料的組織、熱處理工藝和生產(chǎn)成本來看，我國鏟齒用鋼的發(fā)展前景廣闊[5-6]。近年來，鍛造鏟齒的發(fā)展正逐步解決此類問題。與鑄造鏟齒相比，鍛造鏟齒的組織更細(xì)密，具有更高的力學(xué)性能，生產(chǎn)成本雖略有提高，但產(chǎn)品壽命卻大幅提升[7]。

針對國內(nèi)鏟斗齒尖存在的問題，本文通過成分設(shè)計開發(fā)出一種新型超強耐磨鋼，探究不同鍛造變形量及不同熱處理工藝對其組織及耐磨性能的影響，以期通過適當(dāng)?shù)腻懺旒盁崽幚砉に囀蛊湓诟邲_擊載荷下具有良好抗磨損能力，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品壽命。

1 試驗材料及方法

試驗材料為新型鏟齒齒尖用鋼，該鋼屬于中碳耐磨鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示，原始鑄態(tài)微觀組織為粒狀貝氏體+馬氏體+少量殘留奧氏體，硬度為26 HRC。為研究不同變形量對組織及硬度的影響，從耐磨鋼未鍛造部分加工出尺寸為φ8 mm×15 mm的試樣，利用Gleeble-3500D模擬試驗機進行熱模擬試驗，確定最優(yōu)鍛造變形量，熱變形工藝如圖1所示。首先將試樣以10 ℃/s的加熱速度加熱至1200 ℃保溫5 min，使試樣中的所有元素充分固溶，再以3 ℃/s的冷速冷至950 ℃進行變形，變形量分別為30%、50%和70%，變形速率為1 s-1。變形后以3 ℃/s的冷速冷至330 ℃(Ms點以上)保溫1 min，消除鋼中部分塊狀殘留奧氏體，再以3 ℃/s冷至260 ℃保溫10 min，然后空冷至室溫，使貝氏體充分轉(zhuǎn)變。

表1 新型耐磨鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of the new wear-resistant steel (mass fraction, %)

圖1 熱變形工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of the thermal deformation process

根據(jù)熱模擬試驗結(jié)果，將鑄態(tài)耐磨鋼在900～950 ℃進行模鍛，鍛造比例為70%，鍛造后空冷至室溫。從鍛造后的耐磨鋼上加工出尺寸為13 mm×13 mm×80 mm 和52 mm×50 mm×12 mm的兩種試樣，該尺寸可為熱處理后的試樣留有加工余量，有利于加工成磨損試樣。熱處理工藝如圖2所示，其中工藝1由Bhadeshia[8]和Garcia-Mateo等[9]研發(fā)，該工藝可得到貝氏體+馬氏體組織，目前得到了廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用，其原理是以鋼中較高的C和Si含量作為支撐，進一步降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度(200～300 ℃)，并采取較長的保溫時間從而得到尺寸較小的板條狀貝氏體、鐵素體和殘留奧氏體。試樣以10 ℃/s的加熱速度在馬弗爐中隨爐加熱，當(dāng)溫度達(dá)到950 ℃時保溫20 min，然后對試樣控制冷卻，以3 ℃/s的冷速冷至260 ℃時將試樣放入鹽浴爐中保溫90 min。工藝2與工藝1唯一的不同點在于控制冷卻時冷至Ms點以上的330 ℃時將試樣放入箱式爐中保溫5 min，之后再冷至260 ℃放入鹽浴爐保溫90 min，其原理是中碳貝氏體鋼經(jīng)過二階等溫轉(zhuǎn)變，可以減少塊狀的未轉(zhuǎn)變奧氏體來避免形成淬火馬氏體，將進一步提高韌性以及其他力學(xué)性能[10]。

圖2 熱處理工藝示意圖(a)工藝1；(b)工藝2Fig.2 Schematic diagrams of the heat treatment processes(a) process 1； (b) process 2

試樣經(jīng)熱變形和熱處理之后，采用ZEISS雙離子束場發(fā)射掃描電鏡觀察顯微組織，并用Image Pro-Plus軟件測量貝氏體板條的厚度[11]，每種變形量選擇5張圖片，每張圖片選取5～10個板條進行厚度測量，最終結(jié)果取平均值。利用彩色金相法定量分析其貝氏體含量以及馬氏體+殘留奧氏體含量，其方法為：首先使用4%硝酸酒精溶液對試樣進行預(yù)腐蝕，之后用Lepera試劑[12](10 g/L偏重酸鈉水溶液和40 g/L苦味酸無水乙醇溶液，按體積比1∶1混合)進行染色，最后用無水酒精擦拭表面殘留的腐蝕劑。利用三目倒置光學(xué)顯微鏡觀察在上述處理后試樣的同一位置拍攝不同倍數(shù)的彩色金相圖片，再利用二值法進行定量分析，即在試樣同一位置選擇4張不同倍數(shù)的圖片，利用Image Pro-Plus軟件分別對不同染色區(qū)域進行標(biāo)記，再將標(biāo)記區(qū)域面積進行累加計算占比，最后將不同倍數(shù)圖片的占比結(jié)果取平均值作為最終結(jié)果[13]。

為了模擬鏟齒在挖礦時的實際運行狀態(tài)，先對耐磨鋼在950 ℃進行變形量為70%的模鍛，鍛造后分別進行工藝1和工藝2的熱處理，在試樣心部未發(fā)生碳大量固溶的部分取樣，分別用石油醚和酒精進行超聲波清洗以去除試樣表面油污，然后在M-2000型環(huán)塊磨損試驗機上進行磨損試驗，選用兩種相同熱處理后的耐磨鋼作為對磨材料，采用圓盤式的滑動摩擦磨損方式，試驗力為600 N，磨損時間為2 min，轉(zhuǎn)速為240 r/min。

由于硬度大小對磨損能力好壞有著主要的作用，因此在磨損試驗后，利用洛氏硬度計對磨損后的試樣進行硬度檢測，在兩組試樣上分別測量7～10個點，去除最大值以及最小值后取平均值作為結(jié)果。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 變形量對顯微組織的影響

圖3為不同變形量下耐磨鋼的顯微組織，可以看出，組織均為板條貝氏體(B)+馬氏體(M)組織，即貝馬復(fù)合相。變形量為30%、50%和70%時，貝氏體板條厚度分別為524、382和292 nm。貝氏體板條厚度的精細(xì)程度對性能的影響很大，貝氏體板條厚度越大，力學(xué)性能越差，板條厚度越精細(xì)，力學(xué)性能越優(yōu)異[14]。70%變形量時貝氏體板條厚度最小，比30%變形量的貝氏體板條厚度小232 nm，其對應(yīng)的耐磨性能最好。其原因可能是在進行較大的變形時，耐磨鋼內(nèi)部也會產(chǎn)生較大的塑性變形，而這些變形會產(chǎn)生較大的畸變能，為晶粒再結(jié)晶提供驅(qū)動力，形成較多的再結(jié)晶晶核。因此晶粒會變的更細(xì)小，從而貝氏體板條厚度也會精細(xì)[15]。

圖3 不同變形量下耐磨鋼的SEM圖片F(xiàn)ig.3 SEM images of the wear-resistant steel under different deformation amounts(a,b) 30%； (c,d) 50%； (e,f) 70%

圖4為不同變形量下耐磨鋼的彩色金相照片，其中貝氏體呈綠色，馬氏體和殘留奧氏體呈棕黃色，定量分析結(jié)果如表2所示。可見，馬氏體+殘留奧氏體的含量由30%變形量的25.4%增加至70%變形量的41.1%。在奧氏體化溫度950 ℃進行塑性變形會促使奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，這是因為形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，應(yīng)變?yōu)轳R氏體相變提供相變驅(qū)動力。隨著變形量的增加，造成應(yīng)變增加，導(dǎo)致馬氏體及殘留奧氏體含量逐漸增加[16-17]。

圖4 不同變形量下耐磨鋼的彩色金相照片F(xiàn)ig.4 Color metallographic photos of the wear-resistant steel under different deformation amounts(a) 30%； (b) 50%； (c) 70%

表2 不同變形量下耐磨鋼中貝氏體和馬氏體+殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)Table 2 Volume fraction of bainite and martensite+retained austenite of the wear-resistant steel under different deformation amounts

2.2 熱處理工藝對顯微組織的影響

圖5為兩種熱處理工藝下耐磨鋼的顯微組織，通過對比可以看出，兩種工藝下試樣的微觀組織基本相同，均以貝馬復(fù)合相為主。相較于工藝1，工藝2的貝氏體板條厚度進一步細(xì)化。經(jīng)測量，工藝1和工藝2的貝氏體板條平均厚度分別為772.1 nm和414.9 nm。因此可以定量地說明，工藝2的組織比工藝1的組織細(xì)化了357.2 nm，在組織上，工藝2優(yōu)于工藝1。其原因為熱處理工藝2相比較工藝1多了一步在330 ℃保溫5 min 的過程，目的是通過縮短貝氏體相變所需要的時間，降低塊狀殘留奧氏體的體積分?jǐn)?shù)，導(dǎo)致晶粒細(xì)化[18]。

圖5 不同熱處理工藝下耐磨鋼的SEM圖片(a,b)工藝1；(c,d)工藝2Fig.5 SEM images of the wear-resistant steel under different heat treatment processes(a,b) process 1； (c,d) process 2

通過彩色金相法定量分析不同熱處理工藝下耐磨鋼貝馬復(fù)合相的組織占比情況，結(jié)果如圖6和表3所示?？梢钥闯?，工藝1的貝氏體含量為75.9%，比工藝2的貝氏體含量71.2%多了4.7%，工藝2的馬氏體+殘留奧氏體含量比工藝1的多4.7%。馬氏體+殘留奧氏體越多，說明其硬度會更高。

圖6 不同熱處理工藝下耐磨鋼的彩色金相圖片(a)工藝1；(b)工藝2Fig.6 Color metallographic photos of the wear resistant steel under different heat treatment processes(a) process 1； (b) process 2

表3 不同熱處理工藝下耐磨鋼中貝氏體和馬氏體+殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)Table 3 Volume fraction of bainite and martensite+retained austenite of the wear-resistant steel under different heat treatment processes

2.3 耐磨性能分析

在摩擦磨損試驗中，硬度是表征材料抵抗塑性變形及加工硬化的主要指標(biāo)，磨損量是評定材料耐磨性能的主要指標(biāo)，磨損量的大小對材料是否能長期有效的工作有著重要的影響，而平均摩擦因數(shù)的大小能直接反映材料的抗磨損能力[19]。表4所示為兩種不同的熱處理工藝下耐磨鋼的硬度、磨損量和平均摩擦因數(shù)，圖7為對應(yīng)的摩擦因數(shù)曲線?？梢钥闯?，工藝2的硬度(50.1 HRC)要比工藝1(45.8 HRC)提高約10%，磨損量降低約50%。硬度是影響材料耐磨性最重要的因素，大量摩擦磨損試驗表明，隨著硬度的上升，材料的總磨損率下降[20]。在本次磨損試驗中，工藝1的平均摩擦因數(shù)為0.311，工藝2的平均摩擦因數(shù)為0.212，在相同的試驗條件下，平均摩擦因數(shù)越低，其抗磨損能力越強，因此工藝2的耐磨性能優(yōu)于工藝1，結(jié)合顯微組織分析可以發(fā)現(xiàn)，工藝2的貝氏體板條更細(xì)，馬氏體+殘留奧氏體更多，抗磨損性能更好。因此，耐磨鋼的最佳變形量為70%，最佳熱處理工藝為圖2(b)所示的工藝2。

表4 不同熱處理工藝下耐磨鋼的硬度、磨損量和摩擦因數(shù)Table 4 Hardness,wear loss and friction factor of the wear-resistant steel under different heat treatment processes

圖7 不同熱處理工藝下耐磨鋼的摩擦因數(shù)Fig.7 Friction factor of the wear-resistant steel under different heat treatment processes

3 結(jié)論

1) 變形量分別為30%、50%和70%時，耐磨鋼的貝氏體板條厚度隨著變形量增加逐漸遞減，由30%變形量的524 nm降低到70%變形量對應(yīng)的292 nm。組織變得更細(xì)且板條馬氏體更加均勻地分布在貝氏體中間。同時，隨著變形量增加，馬氏體+殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)由25.4%增加至41.1%。

2) 耐磨鋼經(jīng)熱處理之后的組織均為馬氏體+貝氏體雙相組織。采用先在Ms點以上的330 ℃保溫5 min之后再進行260 ℃等溫轉(zhuǎn)變的工藝2時，與直接進行260 ℃等溫轉(zhuǎn)變的工藝1相比，貝氏體板條厚度由772.1 nm降低至414.9 nm，且工藝2的馬氏體+殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)比工藝1高約4.7%，說明工藝2的組織更加精細(xì)且均勻。

3) 耐磨鋼經(jīng)工藝1和工藝2熱處理后的平均硬度分別為45.8 HRC和50.1 HRC，在相同磨損條件下的磨損量分別為0.04 g和0.02 g，平均摩擦因數(shù)分別為0.311和0.212。工藝2的硬度更高，磨損量更小，平均摩擦因數(shù)也更小，說明工藝2下耐磨鋼的抗磨損性能更好。