合金元素及熱處理對(duì)新型槽幫鋼組織與性能的影響

徐海峰, 李 海, 李鳳敏, 付勝敏, 明科宇, 郁 言

(1. 中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司, 河北 張家口 075025;2. 鋼鐵研究總院有限公司 特殊鋼研究院, 北京 100081;3. 河北省高端智能礦山裝備技術(shù)創(chuàng)新中心, 河北 張家口 075025)

刮板輸送機(jī)是煤礦綜采的核心運(yùn)輸設(shè)備,也是使用量最大和消耗最多的設(shè)備[1-2]。中部槽是刮板輸送機(jī)的關(guān)鍵部件,不僅是工作面落煤運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ?還是整個(gè)輸送機(jī)的主要受力部位[3-4],其在綜采過(guò)程中受到?jīng)_擊、彎曲、拉壓、震動(dòng)及磨損等作用[5-6],復(fù)雜多變的服役環(huán)境要求中部槽必須具有足夠的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和良好的韌性[7],同時(shí)具備一定的耐蝕性[8]。中部槽由中板與槽幫兩部分組成,中板通常采用耐磨鋼,而傳統(tǒng)槽幫材為鑄鋼ZG30MnSi,其抗拉強(qiáng)度≥850 MPa,屈服強(qiáng)度≥720 MPa,伸長(zhǎng)率≥10%,室溫V型缺口沖擊吸收能量≥25 J[9],該槽幫鋼的強(qiáng)韌性已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代刮板輸送機(jī)的要求。

通過(guò)優(yōu)化成分和熱處理控制可以提升槽幫鋼的強(qiáng)韌性,如優(yōu)化C、Si、Mn配比或加入微量Cr、Mo、V等合金元素,同時(shí)輔以合適的熱處理工藝實(shí)現(xiàn)槽幫鋼綜合性能的提升,從而達(dá)到提高刮板輸送機(jī)應(yīng)用性能的目的。本文通過(guò)Cr、Mo微合金化設(shè)計(jì)槽幫試驗(yàn)鋼,利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、拉伸、沖擊試驗(yàn)機(jī)、布氏硬度計(jì)等對(duì)槽幫試驗(yàn)鋼不同熱處理下的組織性能進(jìn)行測(cè)試表征,分析槽幫鋼熱處理過(guò)程中的組織演變及力學(xué)性能變化規(guī)律,為新型槽幫鋼的工業(yè)生產(chǎn)提供一定試驗(yàn)和理論支持。

1 試驗(yàn)材料和方法

槽幫試驗(yàn)鋼經(jīng)中頻感應(yīng)爐冶煉,采用樹(shù)脂砂型澆鑄成形,尺寸為(26～50) mm×65 mm×250 mm的梯形橫截面試件,其化學(xué)成分如表1所示。

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

將鑄造件正火處理后線切試樣,隨后在900～920 ℃淬火30 min后水冷,450～550 ℃回火2 h,加工成φ5 mm×65 mm標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和10 mm×10 mm×55 mm(V型缺口)夏比沖擊試樣,利用MTS880拉伸試驗(yàn)機(jī)和JBN-300B擺鏈?zhǔn)經(jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸沖擊測(cè)試,采用TH608布氏硬度計(jì)測(cè)量試樣表面3點(diǎn)硬度并取平均值;利用JEOL JSM 7200F掃描電鏡進(jìn)行微觀組織和斷口形貌觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱處理工藝對(duì)微觀組織的影響

圖1為ZG-1試驗(yàn)鋼經(jīng)900、920 ℃淬火30 min水冷、不同溫度回火后的微觀組織?？梢钥闯?900 ℃淬火、450 ℃回火后,淬火馬氏體已完全分解,但部分組織仍保留著板條或針狀的特征,同時(shí)碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)榱顫B碳體,室溫下形成α相和滲碳體組成的回火屈氏體[10],如圖1(a)所示;隨著回火溫度的升高,馬氏體的位錯(cuò)開(kāi)始多邊化而形成亞晶粒,α相出現(xiàn)回復(fù)或再結(jié)晶,板條或針狀結(jié)構(gòu)向等軸晶轉(zhuǎn)變[11-12],同時(shí)粒狀滲碳體不斷聚集長(zhǎng)大,室溫下形成α相和滲碳體組成的回火索氏體,見(jiàn)圖1(b～d)。當(dāng)淬火溫度提高到920 ℃時(shí),在不同溫度回火后組織轉(zhuǎn)變與900 ℃淬火時(shí)基本一致,450 ℃回火后板條或針狀組織有所增加,500 ℃以上回火后板條或針狀特征完全消失,形成的回火索氏體結(jié)構(gòu)更加均勻,見(jiàn)圖1(e～h)。

圖1 ZG-1試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度淬火和回火后的顯微組織

圖2為ZG-2試驗(yàn)鋼經(jīng)900、920 ℃淬火30 min水冷、不同溫度回火后的微觀組織。從圖2可看出,ZG-2試驗(yàn)鋼淬回火過(guò)程中的組織演變規(guī)律與ZG-1試驗(yàn)鋼基本一致,經(jīng)450～550 ℃回火后組織結(jié)構(gòu)由回火屈氏體向回火索氏體過(guò)渡,由于Mo的加入,奧氏體化保溫時(shí)基體固溶度增加,過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性提高,試驗(yàn)鋼的C曲線右移且Ms點(diǎn)降低,淬火后馬氏體多且穩(wěn)定性高,而且添加Mo促進(jìn)含Mo碳化物彌散析出,抑制碳化物聚集長(zhǎng)大,細(xì)化晶粒尺寸,同時(shí)延緩馬氏體分解和α相回復(fù)再結(jié)晶,因此ZG-2試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度回火后板條組織更加明顯,碳化物含量多,尺寸小且分布更均勻。

圖2 ZG-2試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度淬火和回火后的顯微組織

2.2 熱處理工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

ZG-1和ZG-2試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度淬火、回火后的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線如圖3所示?？梢钥闯?在不同溫度淬火、回火時(shí),兩種試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)基本一致,在拉伸過(guò)程中存在明顯的屈服平臺(tái),回火溫度越高,屈服平臺(tái)越寬,這主要是溶質(zhì)原子釘扎位錯(cuò)引起的[13-14]。隨著回火溫度的升高,試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度不斷降低,斷后伸長(zhǎng)率不斷升高,淬火溫度對(duì)回火后強(qiáng)度與塑性的影響不明顯。ZG-2試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度更高,而ZG-1試驗(yàn)鋼的塑性更好。

圖3 不同淬火和回火溫度下ZG-1試驗(yàn)鋼(a,b)和ZG-2試驗(yàn)鋼(c,d)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4為試驗(yàn)鋼經(jīng)900 ℃和920 ℃淬火30 min水冷、不同溫度回火后的力學(xué)性能。從圖4(a,b)可以看出,隨著回火溫度的升高,試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度不斷降低,而斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率不斷提高。當(dāng)回火溫度為450 ℃時(shí),由于淬火馬氏體完全分解、碳化物析出及滲碳體形成,ZG-1試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度為1134 MPa 和1076 MPa,當(dāng)回火溫度提高到500 ℃以上時(shí),α相回復(fù)再結(jié)晶及滲碳體聚集長(zhǎng)大[15],固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用進(jìn)一步減弱,ZG-1試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度由500 ℃回火時(shí)的999 MPa和931 MPa下降至550 ℃回火時(shí)的920 MPa和840 MPa;而ZG-2試驗(yàn)鋼中Mo元素細(xì)化了組織結(jié)構(gòu),提高了鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性[16],促進(jìn)含Mo碳化物析出、抑制碳化物聚集長(zhǎng)大[17-18],因此在回火過(guò)程中仍具有較高的固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用,特別是高溫回火時(shí)更明顯,ZG-2試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度明顯高于ZG-1試驗(yàn)鋼,隨著回火溫度的升高,抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度由450 ℃回火時(shí)的1158 MPa和1107 MPa逐漸下降至550 ℃回火時(shí)的964 MPa和894 MPa,如圖4(a)所示。而ZG-1試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率略高于ZG-2試驗(yàn)鋼,在450～550 ℃回火時(shí),ZG-1試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率由11.8%提高到17.3%,斷面收縮率由44%提高到54%;ZG-2試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率由11.8%提高至15.5%,斷面收縮率由42%提高到46%,如圖4(b)所示。

圖4 試驗(yàn)鋼經(jīng)900 ℃(a,b)和920 ℃(c,d)淬火30 min和不同溫度回火后的力學(xué)性能

由圖4(c,d)可知,920 ℃淬火后試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的變化與900 ℃淬火時(shí)一致,因此淬火溫度對(duì)回火后的力學(xué)性能影響不明顯,兩者性能相差不大。隨著回火溫度的升高,ZG-1試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度由1126 MPa和1066 MPa逐漸降至924 MPa和843 MPa,斷后伸長(zhǎng)率由12.8%提高到17.3%,斷面收縮率由40%提高到50%;ZG-2試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度由1159 MPa和1106 MPa逐漸降至965 MPa和895 MPa,斷后伸長(zhǎng)率由13.8%提高到15.5%,斷面收縮率由49%提高到51%。

圖5為試驗(yàn)鋼經(jīng)900、920 ℃淬火、不同溫度回火后的硬度和沖擊性能。由圖5可以看出,隨著回火溫度的升高,試驗(yàn)鋼的室溫硬度不斷下降,而沖擊吸收能量呈連續(xù)上升趨勢(shì)。在900 ℃淬火、450～550 ℃回火時(shí),ZG-1試驗(yàn)鋼的室溫硬度由331 HBW下降至269 HBW,沖擊吸收能量由52.0 J上升至70.5 J,而ZG-2試驗(yàn)鋼的室溫硬度由336 HBW下降至283 HBW,沖擊吸收能量由45.5 J上升至68.5 J,如圖5(a)所示。當(dāng)淬火溫度從900 ℃提高到920 ℃時(shí),試驗(yàn)鋼的室溫硬度僅有小幅波動(dòng),ZG-1試驗(yàn)鋼的室溫硬度由333 HBW下降至274 HBW,沖擊吸收能量由53.5 J提高至69.0 J;而添加Mo使得碳化物形核位置增加,碳化物析出增多、尺寸細(xì)化且不易聚集長(zhǎng)大,在回火過(guò)程中碳化物的彌散強(qiáng)化可抵消基體的回復(fù)軟化[19-20],因此ZG-2試驗(yàn)鋼的室溫硬度緩慢下降,特別是高溫回火階段的回火抗力更加明顯,試驗(yàn)鋼的室溫硬度由338 HBW逐漸下降至286 HBW;此外添加Mo細(xì)化了奧氏體晶粒,淬回火后微觀組織更加細(xì)小均勻。ZG-2試驗(yàn)鋼經(jīng)920 ℃淬火、不同溫度回火后的沖擊性能優(yōu)于900 ℃淬火,ZG-2試驗(yàn)鋼經(jīng)920 ℃淬火、450～550 ℃回火后沖擊吸收能量由45.5 J提高至71.0 J,如圖5(b)所示。

圖5 試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度淬火和回火后的硬度和沖擊吸收能量

ZG-1和ZG-2試驗(yàn)鋼經(jīng)900、920 ℃淬火30 min、不同溫度回火后的沖擊斷口形貌分別如圖6和圖7所示?？梢钥闯?兩種試驗(yàn)鋼的沖擊斷口以韌性斷裂為主,回火溫度越高,韌窩數(shù)量越多,韌窩越大越深。當(dāng)回火溫度為450 ℃時(shí),ZG-1試驗(yàn)鋼的室溫組織為α相和滲碳體組成的回火屈氏體,斷口形貌中韌窩較多,局部存在少量的解理平臺(tái),如圖6(a, d)所示;由于Mo元素的加入,ZG-2試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度與硬度明顯提高,而沖擊性能小幅下降,斷口形貌中存在較多的解理平臺(tái),如圖7(a, d)所示。隨著回火溫度升高至500 ℃以上,室溫組織由回火屈氏體過(guò)渡為回火索氏體,兩種試驗(yàn)鋼斷口形貌中韌窩數(shù)量明顯增加,而且韌窩大而深,試驗(yàn)鋼的沖擊性能明顯提升,斷口為韌性斷裂。

圖6 ZG-1試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度淬火和回火后的沖擊斷口形貌

圖7 ZG-2試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度淬火和回火后的沖擊斷口形貌

綜合分析熱處理后的組織和性能可知,ZG-1試驗(yàn)鋼經(jīng)900、920 ℃淬火、500 ℃回火后可獲得較高的綜合性能,抗拉強(qiáng)度999～1002 MPa,屈服強(qiáng)度931～933 MPa,斷后伸長(zhǎng)率15.0%～14.0%,室溫硬度296～298 HBW,沖擊吸收能量61.0～63.0 J。而添加Mo、Cr提高了淬透性和回火穩(wěn)定性,細(xì)化了組織結(jié)構(gòu),改變了碳化物類(lèi)型、尺寸及分布,因此ZG-2試驗(yàn)鋼的綜合力學(xué)性能得到了顯著提高,920 ℃淬火、500～520 ℃回火后獲得良好的強(qiáng)韌性匹配,抗拉強(qiáng)度1039～1011 MPa,屈服強(qiáng)度981～947 MPa,斷后伸長(zhǎng)率15.0%～15.3%,室溫硬度305～298 HBW,沖擊吸收能量64.5～67.5 J。

3 結(jié)論

1) 添加Cr、Mo等合金元素提高了槽幫鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性,細(xì)化了組織,促進(jìn)碳化物析出并抑制碳化物聚集長(zhǎng)大,不同溫度淬、回火后槽幫鋼的微觀組織更加均勻、細(xì)化。

2) 通過(guò)Cr、Mo等元素微合金化使槽幫鋼的強(qiáng)韌性匹配得到明顯改善,隨著回火溫度的升高,兩種試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度與硬度不斷降低,塑性和韌性呈連續(xù)上升趨勢(shì)。

3) ZG-1試驗(yàn)鋼經(jīng)900、920 ℃淬火、500 ℃回火后的抗拉強(qiáng)度為999～1002 MPa,屈服強(qiáng)度931～933 MPa,斷后伸長(zhǎng)率15.0%～14.0%,室溫硬度296～298 HBW,沖擊吸收能量61.0～63.0 J;ZG-2試驗(yàn)鋼經(jīng)920 ℃淬火、500～520 ℃回火時(shí)獲得更優(yōu)的強(qiáng)韌性匹配,抗拉強(qiáng)度1039～1011 MPa,屈服強(qiáng)度981～947 MPa,斷后伸長(zhǎng)率15.0%～15.3%,室溫硬度305～298 HBW,沖擊吸收能量64.5～67.5 J。