低碳中合金鋼破碎機錘頭的研制

周鵬，劉蘭俊，王輝，劉建升，張其飛

(合肥工業大學材料科學與工程學院，合肥 230009)

在冶金、礦山、電力、建材和機械等行業中，耐磨材料都是在極其惡劣的條件下服役的。作為破碎各種物料的破碎機錘頭，在破碎物料過程中會承受很大的沖擊力以及物料對表面的擠壓，特別是礦石材料顆粒尖銳的部分，會直接刺入破碎機表面并將材料推向兩旁或者前緣，從而造成很大的磨損。由此，制備破碎機錘頭的材料必須具有較大的抗沖擊能力，防止斷裂，而且需要有較高的硬度，防止材料發生大的塑性變形而形成犁皺[1]。

1 破碎機錘頭

在20世紀70—80年代，破碎機錘頭普遍采用奧氏體高錳鋼材質，它的特點是組織為經過水韌處理的奧氏體，韌性值較高，一般能達到200 J/cm2以上，但硬度值特別低。在面對較高沖擊時，能夠發生加工硬化，使得材料的硬度值得到較大程度的提升;在中小沖擊工況下，由于加工硬化程度低，硬度很低，使得材料的耐磨性能非常差。近年來，低中合金鋼作為耐磨材料的應用越來越廣泛，人們也努力研究各種鑄造工藝和熱處理工藝以得到材料的最佳性能。文中以低碳中合金鋼為對象，研究熱處理工藝對其結構和顯微組織的影響，充分發揮材料的力學性能，為破碎機錘頭的使用提供參考。一般破碎機錘頭的尺寸如圖1所示[2]。

圖1 破碎機錘頭尺寸Fig.1 Size of crusher hammer

2 實驗材料

為了得到較好性能的新材料，首先要對鋼進行合金化，以提高其淬透性，降低奧氏體化溫度，以得到更多的奧氏體，從而在奧氏體轉變過程中得到更多的馬氏體，極大地提高鋼的硬度，細化晶粒，并對回火穩定性和回火脆性有很大影響[3]。

1)碳。碳含量直接影響到材料的硬度和韌性，當碳含量過低時，材料的淬透性差，韌性較高，硬度低不耐磨;反之則硬度高韌性差，材料易斷裂。碳的質量分數的多少還影響到奧氏體的形成以及基體的硬度。綜合考慮選擇碳質量分數在 0.25% ～0.35%較為合適。

2)鉻。鉻是一種強的碳化物形成元素，特別是Cr7C3對提高耐磨性有很大幫助，它易與碳形成難溶于奧氏體的合金碳化物，從而減緩奧氏體的形成速度，而碳化物形成元素也能阻礙晶粒長大。另外能顯著提高鋼的淬透性和回火抗力。確定鉻的質量分數在6.5% ～7.0%。

3)硅、錳。Si能抑制碳化物析出，并使C曲線右移，可阻止轉變過程中發生珠光體轉變;同時Si能延緩回火時碳化物晶核的形成和長大，提高鋼的抗回火軟化能力，防止因使用溫度升高引起碳化物析出，硬度降低;Si還能使鐵素體強化，在韌性不降低的情況下，提高金屬材料的耐磨性。Mn能減緩珠光體轉變時合金滲碳的形核長大，同時它又擴大了γ→α的轉變程度，故高的錳含量可有效提高奧氏體的穩定性。它和S很容易發生反應生成MnS，從而降低了硫的有害作用。確定Si的質量分數為0.8% ～1.0%，Mn 的質量分數為0.8% ～1.0%。

4)鉬、鎳、釩。Mo能提高材料的熱強性，防止回火脆性，在提高基體耐磨性的同時改善韌性。Ni可改變鋼種位錯滑移特點，使位錯易繞過某些障礙，避免產生大的應力集中，從而提高基體的韌性。V是強碳化物形成元素，能有效地細化奧氏體晶粒。少量的釩在加熱時可溶入奧氏體中，增加鋼的淬透性和提高回火穩定性。確定 Mo的質量分數為0.4% ～0.5%，Ni的質量分數為 0.6% ～ 0.8%，V的質量分數為0.4% ～0.5%。

5)磷、硫。P，S在耐磨鋼中一般是有害元素，在鋼中易形成晶界夾雜物，造成晶粒長大以及應力集中，增大鋼的脆性，因此要將其值盡量降低。考慮到凈化它們會大大提高材料的成本，故而確定P的質量分數＜0.03%，S的質量分數＜0.03%。

3 試樣制備

試驗采用中頻無芯感應電爐，將廢鋼、生鐵、鉻鐵、鎳、釩鐵以及鉬鐵依次加入，在鋼液熔化程度達到90%以上后加入鈦鐵和稀土對其進行復合變質處理，以達到凈化鋼液，增加非自發形核核心，細化鑄態晶粒，使夾雜物分布更加均勻的目的。在鋼液出爐前幾分鐘加入錳鐵和硅鐵對其進行脫氧處理，然后插鋁終脫氧。鋼液出爐溫度為1600～1650℃，出爐后澆注成楔形試塊。同時對澆注的材料取樣打磨后用光譜分析儀分析其成分，經分析鑄態試塊成分和設計的試樣成分基本符合。

4 熱處理工藝及性能分析

4.1 淬火工藝與性能

材料的鑄態組織為基體硬度不高的珠光體，且晶粒非常粗大，強韌性不足。材料經過硝酸(硝酸的質量分數為4%)酒精溶液腐蝕后在VHX－600K型金相顯微鏡上觀察到的鑄態金相顯微組織如圖2所示。

由圖2可以看到大量的魏氏體組織，晶粒內成分分布不均勻。由于澆注時溫度梯度的影響造成了粗大樹枝晶廣泛分布，因而材料的性能很差，需要進行熱處理。

圖2 鑄態組織(×400)Fig.2 As-cast microstructure(×400)

鋼的臨界溫度通過經驗公式[4]和材料的DSC實驗切線法分析確定為Ac3在820℃左右，一般奧氏體化溫度要高于Ac390～120℃，取奧氏體化溫度分別為920，940，960，980，1000 ℃，在 SSX-16-13 箱式電阻爐內進行熱處理，保溫3 h后在10%PQL淬火液中進行淬火處理，完成后對其表面進行打磨。然后在HR-150A型洛氏硬度計上完成硬度測試，硬度為6個點的平均值。不同奧氏體化溫度熱處理下的硬度平均值分別為 43.8，46.2，53.5，51.9，49.7 HRC。由此可以看出，奧氏體化溫度在960℃以下時，材料的硬度隨溫度的升高而升高;反之材料的硬度逐漸降低。原因是在較低的奧氏體化溫度時，組織沒有完全轉變為奧氏體，導致淬火后組織中仍殘留有部分鐵素體，使得材料的硬度值不高。在960℃和980℃時，材料的奧氏體化完全，試樣的組織非常均勻，在淬火后完全轉變為淬火馬氏體，基體組織很硬。奧氏體化溫度為1000℃時，過熱度太大，使奧氏體形成速度加快，奧氏體形核后迅速長大，先長大的奧氏體晶粒與后長大的奧氏體晶粒尺寸不一致，且它們內部的合金成分也不相同，使得淬火后的馬氏體組織性能很差。由于奧氏體組織比容小，溫度過高時，其在淬火轉變為馬氏體時體積急劇膨脹，造成很大的殘余應力，使得試樣組織變形和開裂。綜上所述，其奧氏體化溫度范圍應為960～980℃，最終，選取材料的奧氏體化溫度為960℃進行分析。

4.2 回火工藝與性能

材料經過淬火后，內部應力較大，韌性不足，需要對其進行相應的回火處理，使不穩定的組織轉化為穩定的組織。選取220，250，280，310℃等4個回火溫度，回火保溫4 h后空冷至室溫。熱處理結束后將試樣打磨成10 mm×10 mm×55 mm的標準沖擊試樣，沖擊韌性測試參照GB 229－63《金屬常溫沖擊韌性試驗方法》在JB-300擺錘式沖擊試驗機上進行[5]。經過硬度和韌性測試后，試樣的力學性能值見表1，其中沖擊韌性值為3個試樣的平均值。

表1 耐磨鋼性能數據Tab.1 Mechanical properties data of wear resistant steel

由表1中可以看出，回火后材料的硬度下降很少，表明鋼的回火穩定性很高。硬度呈緩慢下降的趨勢，而韌性先增加后減小再增加。這主要是由于回火溫度較低時，馬氏體分解析出彌散的ε碳化物，隨溫度的升高淬火馬氏體逐漸轉變使得韌性值增大。當溫度繼續升高時，由于合金含量較高造成Ms和Mf點下降，相當于部分馬氏體在這個過程中由于溫度較高而在冷卻時部分轉化為貝氏體，形成馬/貝晶粒并逐漸長大，沖擊韌性值降低，并且在回火溫度進入第一類回火脆性區內時，材料的韌性值急劇下降。在材料溫度進一步上升時，材料跳出脆性區后韌性值又有一定程度的上升。960℃淬火時不同回火溫度對材料力學性能的影響曲線如圖3所示。

圖3 960℃淬火時不同回火溫度對材料力學性能的影響Fig.3 Mechanical property of material with quenching at 960℃and different tempering temperatures

由此可見，耐磨鋼材在250℃時綜合力學性能較好，硬度值為 51.1HRC，韌性值為 141.4 J/cm2。該熱處理狀態下的金相顯微組織如圖4所示，其組織為板條狀馬氏體+殘余奧氏體+少量彌散的碳化物。可以看出，相對于鑄態組織，粗大的樹枝晶消失，夾雜物的尺寸較小而且分布均勻，薄膜狀的殘余奧氏體分布于馬氏體板條間，能顯著提高韌性。

圖4 960℃淬火、250℃回火溫度下的金相組織Fig.4 Metallographic structure of material with quenching at 950℃and tempering at 250℃

5 結語

1)實驗耐磨鋼的淬透性很強，回火穩定性較好，在250℃到310℃之間回火時，硬度值下降較少。材料的金相組織為回火馬氏體+殘余奧氏體+彌散的碳化物。

2)材料在經過960℃淬火3 h，250℃回火4 h的熱處理工藝后綜合力學性能最佳，硬度超過51HRC，韌性值大于141 J/cm2，完全滿足現有物料磨損的工況要求，可以在絕大多數沖擊狀態下使用。

[1]符寒光，邢建東.耐磨鑄件制造技術[M].北京:機械工業出版社，2009:5.

[2]范春起，王忠民.低合金耐磨鋼破碎機板錘的研究[J].鑄造技術，2006，28(9):931 －934.

[3]崔占全，王昆林，吳潤.金屬學與熱處理[M].北京:北京大學出版社，2010:314－322.

[4]林惠國，傅代直.鋼的奧氏體轉變曲線－原理、測試與應用[M].北京:機械工業出版社，1988:15－18.

[5]張細菊，吳潤，夏先平，等.低鉻耐磨鑄鐵球組織及性能研究[J].武漢冶金科技大學學報(自然科學版)，1997，20(1):49 －53.