二次回火對23MnNiCrMo54鋼礦用接鏈環(huán)疲勞循環(huán)次數(shù)的影響

劉進(jìn)德, 盧俊玲, 王 亮, 馬 濤, 馬春亮, 孫永鵬

(寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司, 寧夏 石嘴山 753001)

隨著煤炭需求量的不斷增長[1],煤礦機械發(fā)展很快,礦用接鏈環(huán)作為礦井下綜合機械化、智能化采煤設(shè)備輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機等的主要零件,其結(jié)構(gòu)為弧齒型,傳統(tǒng)熱處理方式為鹽水淬火加中溫回火,由于鹽水腐蝕設(shè)備,隨著使用時間的延長,造成設(shè)備故障頻發(fā),經(jīng)常發(fā)生淬火工序中斷,不能連續(xù)生產(chǎn),影響工件熱處理質(zhì)量。為解決這一問題,采用一種新的淬火劑替代鹽水淬火,但按原工藝參數(shù)淬火、回火后,在性能測試中發(fā)現(xiàn)工件的疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求,通過試驗發(fā)現(xiàn)增加一次回火后,工件的疲勞壽命有很大提高,達(dá)到圖紙標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求,經(jīng)反復(fù)試驗分析,確定了接鏈環(huán)新的淬火和二次回火工藝參數(shù),解決了鹽水腐蝕設(shè)備影響熱處理質(zhì)量的問題,工件的熱處理質(zhì)量也達(dá)到圖紙標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求,取得良好效果。

1 試驗方法與性能測試結(jié)果

1.1 接鏈環(huán)技術(shù)要求

礦用接鏈環(huán)材料為23MnNiCrMo54鋼,是由德國最早發(fā)明使用的高級鏈條鋼,其主要的化學(xué)成分如表1 所示。

表1 23MnNiCrMo54鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

文獻(xiàn)[2]研究表明,23MnCrNiMo54鋼經(jīng)880 ℃奧氏體化后的相變點分別為Ac1=708 ℃,Ac3=816 ℃,Ms=332 ℃。由于奧氏體化溫度較高,基體溶入的合金元素多,未溶碳化物少,過冷奧氏體較穩(wěn)定,貝氏體轉(zhuǎn)變開始時間較長,馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度也較低,即使在空氣中冷卻,也可得到以貝氏體為主,含少許馬氏體及殘留奧氏體的組織,硬度為32～34 HRC;在冷速大于空氣的介質(zhì)中冷卻時,可得到以馬氏體為主,含少量貝氏體及殘留奧氏體的組織;水淬后硬度為45～46 HRC,顯微組織為具有位錯亞結(jié)構(gòu)的板條馬氏體。用這種鋼來制造煤機產(chǎn)品時,采用淬火加中溫回火的熱處理工藝,力學(xué)性能可達(dá)到MT/T 99—1997《礦用圓環(huán)鏈用扁平接鏈環(huán)》的技術(shù)要求,如表2所示。

表2 礦用接鏈環(huán)力學(xué)性能要求

文獻(xiàn)[3]研究表明,23MnCrNiMo鋼經(jīng)830 ℃奧氏體化后進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變時,相變點分別為Ac1=715 ℃,Ac3=785 ℃,Ms=355 ℃。由于奧氏體化溫度較低,奧氏體溶入的合金元素相對較少,未溶碳化物較多,過冷奧氏體穩(wěn)定性較差,貝氏體開始轉(zhuǎn)變時間較短(430 ℃ 時3 s左右),Ms點較高(355 ℃)。該鋼淬火后獲得板條馬氏體、貝氏體、少量未溶碳化物和殘留奧氏體?；鼗饡r,由于23MnCrNiMo54鋼含有較多的合金元素,有較高的抗回火穩(wěn)定性,在430 ℃回火時,會發(fā)生碳化物的析出,殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成貝氏體,形成回火馬氏體、回火下貝氏體和少量未溶碳化物。

1.2 接鏈環(huán)回火及性能測試

礦用接鏈環(huán)零件原采用5%～10%的氯化鈉鹽水溶液于880 ℃淬火,430 ℃一次回火即可滿足力學(xué)性能要求,檢測硬度為39.7、39.4、40.0 HRC,符合技術(shù)要求,隨機抽測的3批零件的疲勞循環(huán)次數(shù)分別為55 642、56 300、44 200、55 800、40 670、47 000次,力學(xué)性能滿足MT/T 99—1997要求;采用新的淬火劑淬火后,由于冷速低于鹽水,因此在回火試驗時,為保證硬度符合技術(shù)要求,使用了由低到高的溫度進(jìn)行回火,在性能檢測時發(fā)現(xiàn),不同回火次數(shù)的零件性能差異較大,但二次回火的零件性能達(dá)到技術(shù)要求。

1.2.1 回火試驗結(jié)果

選取規(guī)格為φ30 mm的零件10件,采用新淬火劑淬火,分2組做回火試驗。結(jié)合長期以來接鏈環(huán)零件的熱處理情況并考慮硬度的符合性,1～6號零件確定回火試驗參數(shù)為380 ℃保溫3.5 h,回火后檢測硬度高于技術(shù)要求,再提高至420 ℃保溫3.5 h進(jìn)行二次回火,硬度合格后進(jìn)行清理噴丸,按照MT/T 99—1997規(guī)定的試驗方法進(jìn)行性能測試,破斷負(fù)荷和疲勞循環(huán)次數(shù)都合格;對剩余的7～10號零件采取420 ℃保溫3.5 h一次回火,硬度合格后進(jìn)行清理噴丸,但是疲勞循環(huán)次數(shù)不符合技術(shù)要求,檢測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 第一次回火試驗的性能測試結(jié)果

通過本次回火試驗發(fā)現(xiàn),2組回火試樣中,雖然420 ℃一次回火后硬度符合技術(shù)要求,但是經(jīng)過380 ℃+420 ℃二次回火的試樣疲勞循環(huán)次數(shù)優(yōu)于一次回火的試樣,這說明二次回火對疲勞性能有影響。

1.2.2 二次回火驗證

為進(jìn)一步驗證二次回火的疲勞循環(huán)次數(shù)是否優(yōu)于一次回火,選取規(guī)格為φ34 mm的樣件6件,采用新淬火劑淬火(與第一次試驗方法相同),做二次回火試驗,實測性能如表4所示。

表4 第二次回火試驗的性能測試結(jié)果

通過本次試驗發(fā)現(xiàn),經(jīng)過380 ℃+420 ℃兩次回火的零件,6件零件的疲勞循環(huán)次數(shù)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求,其中4件疲勞試驗未斷,說明零件實際疲勞循環(huán)次數(shù)會更高,文獻(xiàn)[4]也證實了這一結(jié)論。

2 試驗結(jié)果與分析

為給礦用接鏈環(huán)批量生產(chǎn)提供依據(jù),確定批量生產(chǎn)工藝,對一次和二次回火試樣分別進(jìn)行顯微組織、非金屬夾雜物分析。

2.1 光學(xué)顯微鏡觀察與分析

對420 ℃×3.5 h一次回火和380 ℃×3.5 h+420 ℃×3.5 h二次回火的試樣分別進(jìn)行金相檢驗,結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出,一次(420 ℃)回火和二次(380 ℃+420 ℃)回火后的顯微組織都是馬氏體和貝氏體(深色部分),貝氏體含量較多,說明奧氏體化溫度不高,合金元素未完全溶入奧氏體,冷卻速度不快或試樣尺寸較大,冷卻速度線穿過了貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。因為鋼中Mn、Cr、Ni、Mo等合金元素含量較高,有較高的抗回火穩(wěn)定性,250～400 ℃回火時,由于馬氏體分解、正方度減小以及碳化物轉(zhuǎn)變和聚集長大,硬度趨于降低;在400 ℃以上回火,產(chǎn)生α相的回復(fù)與再結(jié)晶及碳化物聚集并球化,均使硬度下降,碳化物從馬氏體和貝氏體基體上析出聚集,馬氏體的正方度[5]下降,硬度下降,獲得的仍是回火馬氏體和回火貝氏體為主的組織,見圖1,因此,一次回火和二次回火的顯微組織沒有明顯差別。

圖1 回火后試樣的顯微組織

通常殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度是200～370 ℃,但在回火加熱過程中,在常規(guī)的加熱速度下,試樣在200～370 ℃期間停留時間較短,殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變量很少,大量殘留奧氏體會保留到回火的等溫溫度下轉(zhuǎn)變。420 ℃一次回火時,殘留奧氏體在420 ℃的保溫溫度下發(fā)生轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變溫度靠近上貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū),轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為碳化物加鐵素體(上貝氏體);對于380 ℃+420 ℃二次回火,殘留奧氏體是在第一次380 ℃回火的保溫期間發(fā)生轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變溫度靠近Ms點(355 ℃),轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是下貝氏體,上貝氏體和下貝氏體在力學(xué)性能上有差異。雖然該材料合金含量高,但碳含量較低,僅為0.23%,馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Mf為215 ℃,淬火后形成的殘留奧氏體量很少。殘留奧氏體一般在晶界附近,光學(xué)顯微鏡下沒有看到殘留奧氏體痕跡,因此殘留奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物不是影響疲勞壽命的主要因素。

在試樣的熱處理過程中,都經(jīng)歷了相同的淬火過程,只是回火不同,而本試驗條件下的回火,即420 ℃×3.5 h一次回火和380 ℃×3.5 h +420 ℃×3.5 h二次回火,回火的溫度在中溫回火區(qū)間,但鋼的合金元素Mn、Cr、Ni、Mo含量較高,提高了鋼的回火穩(wěn)定性,獲得的仍是回火馬氏體和回火貝氏體,馬氏體或貝氏體基體析出的碳化物很細(xì)小。由此可以認(rèn)為,兩種回火工藝下的其它組織形態(tài)差別不大,其差別主要在于碳化物的形態(tài)和分布。

2.2 掃描電鏡觀察與分析

為了進(jìn)一步分析碳、合金元素和碳化物的形態(tài)和分布,利用ZEISS EVO 18掃描電鏡對一次回火和二次回火后的試樣分別進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 420 ℃×3.5 h下一次回火后試樣的SEM圖和微區(qū)元素分布

圖3 380 ℃+420 ℃二次回火后試樣的SEM圖和微區(qū)元素分布

圖2為420 ℃×3.5 h一次回火后的試樣,圖2(a,b)為SEM照片,可看到馬氏體和貝氏體基體上的細(xì)小碳化物,照片凹凸感較強;圖2(c)顯示C、Fe和Mo元素的分布;圖2(d)顯示碳化物(紅色部分),碳化物數(shù)量較多(約70%)。圖2(e)中碳化物數(shù)量比圖2(d)稍低,碳化物呈球狀或條狀,有少部分奧氏體化時未溶的碳化物(較清晰的球狀);圖2(f)中碳化物數(shù)量少,只有圖2(d)的1/3左右,碳化物與基體的邊界清晰,沒有邊界模糊的碳化物,碳化物大多呈球狀,少量呈條狀。圖2(f)中碳化物數(shù)量少,可能與溶入基體的合金元素不均勻有關(guān),邊界清晰的碳化物可能是奧氏體化時未溶解的碳化物;邊界清晰的碳化物與邊界模糊的碳化物可能具有不同的結(jié)構(gòu)。420 ℃一次回火時,碳化物的析出有的以未溶碳化物為核心聚集長大,有的重新形核再聚集長大。

圖3為380 ℃×3.5 h+420 ℃×3.5 h二次回火后的試樣,比較圖2(a,b)和圖3(a,b)發(fā)現(xiàn),圖3(a,b)組織較平整,浮凸和下凹程度較輕。在微區(qū)范圍各元素分布均勻(見圖3(c)),沒有發(fā)現(xiàn)如圖2(f)所示碳化物有明顯減少的區(qū)域,圖3(d,e)的大部分紅色碳化物邊界模糊,呈絮狀紅色,只有少數(shù)碳化物(紅色)邊界清晰,碳化物數(shù)量比圖2(d,e)的略多,因此,二次回火試樣韌性比一次回火好,對提高疲勞性能有益[6-7]。

在380 ℃第一次回火時,部分碳化物以未溶碳化物為核心聚集生長,另一部分重新形核聚集生長,由于回火溫度較低,碳的擴散相對困難,碳化物聚集長大的驅(qū)動力小,形成的碳化物尺寸較一次回火(420 ℃)小,在進(jìn)行420 ℃第二次回火時,由于380 ℃第一次回火時碳化物析出降低了馬氏體和貝氏體基體的碳含量,一部分碳化物會以第一次形成的碳化物為核心生長,另一部分重新形核生長。以第一次析出的碳化物為核心繼續(xù)長大的碳化物(見圖3(d,e),中間為邊界清晰的紅色球狀碳化物,周圍包裹邊界模糊的紅色絮狀部分),因基體碳含量較低,不能形成第一次380 ℃低溫回火時已形成原碳化物的結(jié)構(gòu),而是形成了介于基體和碳化物之間的較高碳濃度區(qū)的準(zhǔn)碳化物或過渡碳化物,這類碳化物保持了與基體和碳化物的共格關(guān)系,因此成像為邊界模糊不清晰的絮狀,由于420 ℃第二次回火的碳化物是在第一次380 ℃回火形成的碳化物和基體之間,碳含量較380 ℃第一次回火形成的碳化物低,可以形成尺寸較大的過渡碳化物,見圖3(d,e)紅色絮狀部分,過渡碳化物的晶格結(jié)構(gòu)從基體的馬氏體或貝氏體結(jié)構(gòu)過渡到一次回火形成的碳化物結(jié)構(gòu),碳化物和基體保持了一種連續(xù)的共格結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)沒有割裂馬氏體或貝氏體基體,因此具有較高的抗疲勞性能。另一部分為重新形核的碳化物,因380 ℃第一次回火碳化物的析出,基體碳含量較低,碳化物形核后基體沒有足夠的碳濃度形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的碳化物,而是形成了碳濃度較高的過渡碳化物或準(zhǔn)碳化物,見圖3(d,e)邊界模糊的紅色絮狀部分,這些準(zhǔn)碳化物保持了和基體的共格關(guān)系,沒有割裂基體,疲勞壽命也很高。邊界清晰的碳化物,晶體結(jié)構(gòu)與基體差異較大,割裂了基體,容易成為疲勞裂紋源,因此疲勞壽命低。

如果繼續(xù)延長二次回火時間,過渡碳化物也會聚集形成尺寸較小的穩(wěn)定碳化物,不再和基體保持共格關(guān)系,工件的疲勞強度也會降低。

2.3 夾雜物觀察與分析

零件疲勞壽命往往與應(yīng)力集中、零件尺寸、表面狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)、加載順序和頻率等因素有關(guān),微觀上除了與顯微組織相關(guān)之外,還可能與材料中的非金屬夾雜物相關(guān)。本試驗采用光學(xué)顯微鏡和蔡司(ZEISS)EVO 18掃描電鏡,分析了試樣的非金屬夾雜物,利用掃描電鏡配置的能譜功能對420 ℃×3.5 h一次回火試樣和380 ℃×3.5 h +420 ℃×3.5 h二次回火試樣分別進(jìn)行了面掃描,兩個試樣中的夾雜物未見有明顯差異,結(jié)果如圖4所示。

圖4 試樣一次回火和二次回火后的非金屬夾雜物形貌

根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》,對夾雜物形態(tài)的描述可知,420 ℃×3.5 h一次回火和380 ℃×3.5 h+420 ℃×3.5 h二次回火試樣中的夾雜物均為硫化錳,有以球形夾雜物為中心的細(xì)長硫化錳,存在鋁的氧化物與硫化錳的復(fù)合夾雜,除此之外,未觀察到較為明顯的其它類型夾雜物,總的看來,兩個試樣夾雜物數(shù)量少,未見有明顯差異,對疲勞壽命的影響是一樣的。

綜合光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析,420 ℃×3.5 h一次回火的顯微組織為回火馬氏體、少量貝氏體和碳化物,合金元素分布均勻,碳化物邊界較清晰、尺寸較細(xì)小、有分布不均勻現(xiàn)象;380 ℃×3.5 h+420 ℃×3.5 h 二次回火的顯微組織為回火馬氏體、少量貝氏體和碳化物,碳化物數(shù)量較多、碳化物邊界為絮狀模糊態(tài)、尺寸較大,沒有發(fā)現(xiàn)殘留奧氏體,非金屬夾雜物沒有明顯差異;23MnNiCrMo54鋼接鏈環(huán)工件采用380 ℃×3.5 h+420 ℃×3.5 h二次回火能顯著提高疲勞壽命,可能與二次回火時形成的過渡碳化物與基體保持了共格結(jié)構(gòu)有關(guān)。

3 結(jié)論

1) 23MnNiCrMo54鋼的接鏈環(huán)工件,使用380 ℃×3.5 h+420 ℃×3.5 h二次回火工藝,成功解決了420 ℃×3.5 h一次回火疲勞壽命低且不合格的問題。

2) 掃描電鏡及能譜分析結(jié)果顯示,420 ℃一次回火試樣與380 ℃+420 ℃二次回火試樣的碳化物具有不同的結(jié)構(gòu)形態(tài),是二次回火后工件具有更高疲勞壽命的主要原因。

3) 觀察顯微組織可知,殘留奧氏體不是引起疲勞循環(huán)次數(shù)降低的主要因素。

4) 材料的非金屬夾雜物硫化錳、鋁氧化物與硫化錳的復(fù)合夾雜物,不是引起疲勞循環(huán)次數(shù)差異的原因。