熱處理工藝對830E卡車大梁母材組織影響研究

孫 利

（神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司設(shè)備維修中心 內(nèi)蒙古鄂爾多斯）

830E礦用卡車是美國小松公司生產(chǎn)的電動(dòng)輪自卸卡車，此款卡車目前是神華準(zhǔn)能黑岱溝露天煤礦剝離黃土的主要運(yùn)輸設(shè)備，由于坑下路況復(fù)雜，因此，小松公司在設(shè)計(jì)過程中廣泛使用了集強(qiáng)度、硬度、耐磨性、抗疲勞性能于一體的Cr12MoV。由于坑下路況復(fù)雜再加上氣候惡劣，因此，在日常使用過程中，卡車上的某些重要結(jié)構(gòu)件容易開焊。本文主要研究熱處理工藝對Cr12MoV鋼組織及性能的影響。

一、理論依據(jù)-馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)理

鋼經(jīng)奧氏體化后超過一定的冷卻速度冷卻，抑制其擴(kuò)散性分解，在較低的溫度下發(fā)生的無擴(kuò)散型相變?yōu)轳R氏體轉(zhuǎn)變。這是過冷奧氏體的低溫轉(zhuǎn)變，要冷至上馬氏體點(diǎn)Ms（奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度）以下。例如共析鋼的Ms點(diǎn)約203℃。在這樣低的溫度下，不僅鐵原子已無擴(kuò)散能力，碳原子也難以擴(kuò)散。

共析鋼奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變可表示為：A0.77%C面心立方→M0.77%C體心正方。顯然，相變時(shí)只發(fā)生點(diǎn)陣重構(gòu)，而無化學(xué)成分變化。在平衡狀態(tài)下，體心立方結(jié)構(gòu)的α-Fe中，碳的最大溶解度為0.0218%C，而馬氏體保留了奧氏體中全部的碳量，所以馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，是一種單相的亞穩(wěn)組織。

二、實(shí)驗(yàn)過程

1.實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

（1）主要材料和試劑。主要材料Cr12MoV鋼試樣（長20 mm，寬8 mm，高8 mm的長方體）若干個(gè)。

試劑，4%HNO3酒精溶液，無水乙醇，苦味酸，洗潔精，拋光液和水。

（2）主要設(shè)備及儀器。UJ-α型直流電位差計(jì)；鉑銠-鉑熱電偶；箱式電阻爐（型號(hào)SPJX-8-13）、KSY電爐溫度控制器；箱式電阻爐（型號(hào)SX2-4-10）、KSD-K溫度控制器；倒置式金相顯微鏡（OLYMPOS）；砂輪機(jī)；拋光機(jī)；砂紙若干張。

2.熱處理工藝參數(shù)的確定

由于Cr12MoV鋼中存在大量碳化物，且偏析嚴(yán)重，因此不同的熱處理工藝對該鋼的性能有很大的影響。通過預(yù)處理可以細(xì)化和均勻碳化物組織，為以后的熱處理工藝提供基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)對Cr12MoV鋼制定了3個(gè)預(yù)處理工藝。

（1）球化退火。860 ℃×2 h→（爐冷）730 ℃×3 h→（爐冷）500℃→（空冷）室溫。

（2）高溫固溶淬火+高溫回火。1100℃×40 min→（油冷）室溫＋690 ℃×0.5 h+750 ℃×2.5 h→（爐冷）500 ℃→（空冷）室溫。

（3）高溫調(diào)質(zhì)處理。1100℃×12 min→（油冷）室溫+680℃×1 h→（空冷）室溫+680 ℃×1 h→（空冷）室溫。

3.球化退火預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)采用的是一次球化法，此種退火工藝是目前生產(chǎn)上最常用的球化退火工藝，實(shí)際上是一種不完全退火。但由于其僅是一次加熱，因而要求退火前的原始組織為細(xì)片狀珠光體，不允許有網(wǎng)狀滲碳體存在。這樣，在加熱稍高于Ac1的溫度時(shí)，使殘余奧氏體中只殘存有尚未來得及溶解的滲碳體粒子或碳的富集區(qū)。在以后冷至低于Ar1的溫度過程中，以這些滲碳體粒子或碳的富集區(qū)作為珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)的結(jié)晶核心，形成球狀珠光體。因此，為了獲得上述原始組織，一般在退火前要進(jìn)行一次正火處理。

加熱溫度對碳化物的球化影響很大。加熱溫度越高，奧氏體越容易出現(xiàn)片狀珠光體，而且不易球化，因此選擇860℃加熱。

在加熱溫度下的保溫時(shí)間，對球化退火有與加熱溫度類似的影響。延長保溫時(shí)間，使奧氏體中碳濃度趨于均勻，故會(huì)使片狀珠光體出現(xiàn)，但其影響要比溫度的作用弱得多。一般球化退火保溫時(shí)間為2～4 h左右，因此本實(shí)驗(yàn)選擇了2 h。

加熱后，在Ar1點(diǎn)附近的冷卻速度也很重要。隨著冷卻速度增大，碳化物的直徑減小。冷卻速度過大，珠光體轉(zhuǎn)變溫度過低，會(huì)出現(xiàn)片狀組織，故一般球化退火的冷卻速度應(yīng)該控制在20℃/h為了縮短球化退火總過程的時(shí)間，可采用在700℃附近的等溫退火的工藝，等溫時(shí)間為5～10 h。合金元素較多的鋼，奧氏體穩(wěn)定性較大，宜采用較長的等溫時(shí)間。但是本實(shí)驗(yàn)中的試樣較小，所以在730℃只保溫3 h。

4.高溫固溶淬火+高溫回火

固溶處理是為了溶解基體內(nèi)碳化物、γ＇相等以得到均勻的過飽和固溶體，便于時(shí)效時(shí)重新析出顆粒細(xì)小、分布均勻的碳化物和γ＇等強(qiáng)化相，同時(shí)消除由于冷熱加工產(chǎn)生的應(yīng)力，使合金發(fā)生再結(jié)晶。其次，固溶處理是為了獲得適宜的晶粒度，以保證合金高溫抗蠕變性能。固溶處理的溫度范圍大約在980～1250℃，主要根據(jù)各個(gè)合金中相析出和溶解規(guī)律及使用要求來選擇，以保證主要強(qiáng)化相必要的析出條件和一定的晶粒度。對于長期高溫使用的合金，要求有較好的高溫持久和蠕變性能，應(yīng)選擇較高的固溶溫度以獲得較大的晶粒度；對于中溫使用并要求較好的室溫硬度、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度的合金，可采用較低的固溶溫度，保證較小的晶粒度。高溫固溶處理時(shí)，各種析出相都逐步溶解，同時(shí)晶粒長大。對于過飽和度低的合金，通常選擇較快的冷卻速度；對于過飽和度高的合金，通常為空氣中冷卻。

5.高溫調(diào)質(zhì)預(yù)處理

調(diào)質(zhì)預(yù)處理的目的在于改善金屬組織，獲得均勻細(xì)小的碳化物顆粒，減少網(wǎng)狀和片狀碳化物析出及其它缺陷等，為模具成形后減少變形、防止開裂，防止模具在服役中失效有很好的作用。上述工藝中有較高的淬火加熱溫度有利于小塊狀碳化物的溶解和大塊狀碳化物尖角形態(tài)的改變，減緩和減輕了碳化物數(shù)量多和呈尖角形態(tài)時(shí)易造成應(yīng)力集中的不利影響，降低了模具的脆性、增加了模具的韌度；調(diào)質(zhì)處理之后由于不要求獲得索氏體組織及性能，故回火溫度可高于正常回火溫度，以利于精加工成形。

將經(jīng)上述3種熱處理工藝后磨制成金相的試樣置于OLYMPUS晶相顯微鏡下觀察，比較其組織中碳化物大小及分布，在它們當(dāng)中確定一種合理的預(yù)處理工藝。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.試樣的原始組織

試樣名稱Cr12MoV；編號(hào)YS；熱處理經(jīng)過，原始態(tài)；浸蝕劑4%HNO3酒精溶液；放大倍數(shù)400X；組織，P+碳化物。從金相照片中可以發(fā)現(xiàn)，原始組織中含有大量的共晶碳化物，可能是由于鍛壓的原因而呈一個(gè)方向排列。

2.預(yù)處理后的組織比較

圖1 原始態(tài)組織

圖2 球化退火組織

圖3 高溫固溶淬火+高溫回火組織

圖4 高溫調(diào)質(zhì)處理組織

（1）球化退火后的組織，試樣名稱Cr12MoV；編號(hào)1A；熱處理經(jīng)過，球化退火；浸蝕劑4%HNO3酒精溶液；放大倍數(shù)400X；組織，S+碳化物。

（2）高溫固溶淬火+高溫回火后的組織。試樣名稱Cr12MoV；編號(hào)1B；熱處理經(jīng)過，高溫固溶淬火+高溫回火；浸蝕劑，4%HNO3酒精溶液；放大倍數(shù)400X；組織，S回火+碳化物。

（3）高溫調(diào)質(zhì)處理。試樣名稱Cr12MoV；編號(hào)1C；熱處理經(jīng)過，高溫調(diào)質(zhì)處理；浸蝕劑，4%HNO3酒精溶液；放大倍數(shù)400X；組織，S回火+碳化物。

上述3張金相照片是由不同種預(yù)處理工藝后得到的組織。由圖可見，經(jīng)（1）和（2）兩種工藝處理后，碳化物顆粒細(xì)小，分別均勻彌散。（3）工藝得到的碳化物也很細(xì)小，但與（1）和（2）兩種工藝相比較，碳化物的分布效果不很理想。對（1）和（2）兩種工藝的晶相組織比較后發(fā)現(xiàn)，（2）工藝的球化效果更好。這是因?yàn)椋?）工藝奧氏體化溫度較高，碳化物溶解充分，其大小、形態(tài)、分布有所改善，而且（2）工藝奧氏體化后是按淬火方式冷卻，這樣就能形成許多晶體缺陷及亞結(jié)構(gòu)，并形成了熱應(yīng)力，這些都有利于碳化物的高度彌散析出，使球化過程加速。（3）工藝和（2）工藝相比較，前者回火溫度較低且時(shí)間較短，碳化物析出不充分，因而分布效果不如（2）工藝好。故為達(dá)到較好的球化效果，選用（2）工藝比較合適。

四、結(jié)語

熱處理工藝對830E卡車大梁母材組織的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果給日常檢修工作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)以及可靠的理論依據(jù)，保證了神華準(zhǔn)能黑岱溝露天礦的穩(wěn)定運(yùn)行。