熱處理工藝對耐磨Cr- Mo鑄鋼組織和硬度的影響

許 婕 陳湘茹 刁曉剛 張 偉 郭愛民

(1. 省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072; 2.中信重工機械股份有限公司，河南洛陽 471003；3.中信金屬有限公司，北京 100004)

熱處理工藝對耐磨Cr- Mo鑄鋼組織和硬度的影響

許 婕1陳湘茹1刁曉剛2張 偉3郭愛民3

(1. 省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072; 2.中信重工機械股份有限公司，河南洛陽 471003；3.中信金屬有限公司，北京 100004)

研究了熱處理工藝對含Nb耐磨Cr- Mo鑄鋼顯微組織和硬度的影響。試驗結果表明，在880或910 ℃正火，均可細化鋼的鑄態組織，并且經910 ℃正火的鋼的硬度更高，珠光體較細小均勻；910 ℃正火后分別在450、500和550 ℃回火，在500 ℃回火的鋼的硬度較高。該耐磨Cr- Mo鑄鋼的最佳熱處理工藝為910 ℃正火然后500～550 ℃回火。

Cr- Mo鑄鋼 熱處理 顯微組織 硬度

耐磨鑄鋼廣泛應用于電力、冶金、水泥、礦山、建材等工業部門，用于這些領域設備的耐磨鑄鋼的組織和性能直接影響工藝流程中的各個生產環節。作為一種常用耐磨鑄鋼，Cr- Mo鋼用來制造破碎機錘頭、挖掘機鏟齒以及各種大、中、小型球磨機襯板等[1]。襯板是球磨機中消耗量較大的部件，因為襯板的工況復雜，要適應礦山濕磨、干磨、混合磨和大沖擊等多種工作條件。因此，對于襯板材料而言，高的耐磨性、耐沖擊性能以及高強韌性是必須具備的。通常認為，材料的強度、硬度越高其耐磨性越好，所以高的硬度和良好的塑韌性是耐磨Cr- Mo鑄鋼具有高耐磨性的基礎[2]。

耐磨鑄鋼的強韌化途徑有合金化、熱處理及改善冶煉工藝等。大多數鑄鋼件都必須進行熱處理，考慮工廠的實際生產條件調整熱處理工藝參數比較方便且成本較低。熱處理是通過控制組織轉變和細化組織等途徑來改善耐磨鑄鋼件的強韌性，使零件獲得高的強度、硬度和良好的塑韌性[3]。在熱處理工藝方面，正火和回火可以消除鑄鋼件的缺陷并有效改善其組織、性能[4]。本文通過試驗探討正火和回火的溫度對含Nb耐磨Cr- Mo鋼組織和硬度的影響，找到合適的熱處理工藝，使其獲得較好的綜合力學性能，為工業應用提供可靠依據。

1 試驗材料與方法

試驗材料為鑄鋼廠生產的ZG85Cr2MnMo鑄鋼棒，添加了0.1%(質量分數)的Nb。采用電感耦合等離子體原子發射光譜儀分析試樣的化學成分，如表1所示。為了探究最佳熱處理工藝，采用DIL805A型熱膨脹快速相變儀測定材料的相變點。在鑄鋼棒心部切取φ20 mm×20 mm的試塊進行熱處理。熱處理后的試樣經過砂紙打磨、拋光，采用4%硝酸酒精溶液腐蝕，腐蝕時間5～6 s。采用過飽和苦味酸溶液腐蝕試樣，測定奧氏體晶粒度。腐蝕液的成分為100 ml去離子水、4 g苦味酸和2 g緩蝕劑，將拋光好的試樣在55 ℃浸蝕10 s。采用Carl Zeiss金相顯微鏡以及掃描電鏡觀察試樣顯微組織的特點和分布規律。采用洛氏硬度計測定材料熱處理后的硬度，每組試樣測7個點，排除最大值和最小值后取平均值作為材料的硬度值。

表1 試驗用鑄鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the investigated cast steel (mass fraction) %

2 結果與討論

2.1 熱處理工藝的確定

采用熱膨脹試驗確定該鑄鋼的熱處理工藝參數。按照標準YB/T 5127—93鋼的臨界點測定方法[5]將鑄態試樣以200 ℃/h的加熱速率從室溫加熱至1 000 ℃，再以10 ℃/s速率冷卻至室溫，加熱和降溫均在氬氣保護下進行。

根據測定的試樣熱膨脹曲線，得到該鑄鋼的Ac1=772.7 ℃，Acm=826.4 ℃。鋼的正火加熱溫度一般為Acm+(30～50) ℃，據此將鋼的正火溫度選定為880、910 ℃，根據試樣厚度將保溫時間定為1 h[4]。隨后另取試樣進行正火回火處理，回火溫度為450、500和550 ℃，保溫1 h后空冷。其工藝曲線如圖1所示。

圖1 試驗用鑄鋼的熱處理工藝Fig.1 Heat treatment process for the investigated cast steel

2.2 正火溫度對鑄鋼顯微組織和硬度的影響

2.2.1 顯微組織

圖2是試驗鋼的鑄態及880和910 ℃正火后的顯微組織。可以看出，鋼的鑄態組織為粗大的珠光體；正火后，其組織轉變為分布均勻且細小的珠光體。如圖2所示，不同熱處理工藝得到的顯微組織差別不大。

圖3是正火溫度對鑄鋼奧氏體晶粒尺寸的影響。圖3表明，隨著正火溫度的升高，鋼的奧氏體晶粒尺寸增大。從圖4統計結果可以看出，平均直徑小于5 μm的晶粒數隨著正火溫度的升高而減少，而平均直徑為5～10 μm及大于10 μm的晶粒數則隨著正火溫度的升高而增多。隨著正火溫度的升高，鋼的晶粒尺寸總體上是增大的。

圖5為不同溫度正火的試樣的SEM形貌。表2是正火溫度對鋼的珠光體片層間距的影響。采用垂直線段法[6]統計珠光體片層間距。選取多張圖片和多個視角，每個試樣的受檢面隨機取20個視場拍照，每個視場隨機取10個珠光體分布均勻的區域進行統計。先求得每個視場的平均隨機珠光體片層間距，然后計算出整個受檢面的平均隨機珠光體片間距，將其作為該試樣的珠光體片層間距。統計結果表明，鋼的珠光體片層間距隨著正火溫度的上升而減小。

圖2 試驗用鑄鋼的(a)鑄態和(b) 880 ℃和(c)910 ℃正火后的顯微組織Fig.2 Microstructures of the investigated cast steel in (a) cast condition and after being normalized at (b) 880 ℃ and (c)910 ℃

圖3 在(a)880 ℃和(b)910 ℃正火的試驗鋼的奧氏體晶粒Fig.3 Austenite grains of the investigated cast steel normalized at (a) 880 ℃ and (b)910 ℃

鋼的奧氏體晶粒度對珠光體片層間距的影響不大，主要影響因素是珠光體的形成溫度。過冷度越大，奧氏體轉變為珠光體的溫度越低，珠光體片層間距越小。碳鋼珠光體的片層間距S0(nm)與過冷度ΔT的關系可用經驗公式(1)表示[7]：

(1)

由此可知，珠光體片層間距與過冷度成反比，過冷度增大將導致珠光體片層間距減小。隨著奧氏體化溫度升高、過冷度增大，珠光體平均片層間距略有減小。

2.2.2 硬度

試樣在不同溫度正火后的硬度變化如圖6所示。可以發現，910 ℃正火的試樣硬度較高且數據穩定。根據Mott- Nabarro理論[8]，溶質原子在奧氏體中固溶度增大可以提高鑄鋼正火組織的硬度，并改善正火后組織的均勻性，從而進一步提高鋼的硬度。另外，隨著正火溫度的升高，珠光體片層間距減小，共析鋼的硬度隨片層間距的減小而增大[7]。

圖4 不同溫度正火的試驗鋼奧氏體晶粒尺寸的分布Fig.4 Distribution of austenite grain size of the investigated cast steel normalized at different temperatures

表2 不同溫度正火的試驗鋼的平均珠光體片層間距Table 2 Average lamellar spacing of pearlite in the investigated steel normalized at different temperatures

2.2.3 回火溫度的影響

由上述正火試驗結果可知，試驗鑄鋼經910 ℃正火后硬度最高。另取一批試樣在910 ℃正火后，分別在不同溫度回火。回火溫度對鋼的顯微組織的影響如圖7和圖8所示。由于珠光體片層間距主要受過冷度影響，所以回火溫度對珠光體片層間距影響不大。但是，隨著回火溫度的升高，珠光體的展延比趨于減小，部分區域甚至出現顆粒狀滲碳體，如圖8(c)所示[9]。

圖5 (a)880 ℃和(b)910 ℃正火的試驗鋼的SEM圖Fig.5 SEM figures of the investigated cast steel normalized at (a) 880 ℃ and (b) 910 ℃

圖6 正火溫度對試驗鋼不同溫度回火后硬度的影響Fig.6 Effect of normalizing temperature on hardness of the investigated cast steel after being tempered at different temperatures

圖9為回火溫度對經910 ℃正火的耐磨鑄鋼硬度的影響。可以看出， 鋼的硬度隨著回火溫度的上升先增加后降低，增加幅度不大。由于粒狀滲碳體的出現，硬度開始下降，主要是因為與片狀珠光體相比，粒狀珠光體的硬度和強度較低[7]。

3 結論

(1)試驗鑄鋼的Ac1和Acm分別為772.7和826.4 ℃。在880或910 ℃正火，均可得到珠光體組織，且910 ℃正火的鋼具有較高的硬度，珠光體片層較細。

圖7 910 ℃正火隨后在(a) 450 ℃、(b)500 ℃和(c)550 ℃ 回火的試驗鋼的顯微組織Fig.7 Microstructures of the investigated cast steel normalized at 910 ℃ and then tempered at (a) 450 ℃, (b) 500 ℃ and (c) 550 ℃

圖8 910 ℃正火隨后在(a) 450 ℃、(b)500 ℃和(c)550 ℃ 回火的試驗鋼的SEM組織Fig.8 SEM structures of the investigated steel normalized at 910 ℃ and then tempered at (a) 450 ℃, (b) 500 ℃ and (c) 550 ℃

圖9 回火溫度對經910 ℃正火的試驗鋼硬度的影響Fig.9 Hardness as a function of tempering temperature for the investigated cast steel normalized at 910 ℃

(2)910 ℃正火后，450、500和550 ℃的回火溫度對鋼的組織和性能的影響不大。該鑄鋼的最佳熱處理工藝為910 ℃正火隨后500～550 ℃回火。

致謝：

本研究得到中信- CBMM鈮鋼研究開發基金(2014—D079)支持，在此表示感謝。

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收修改稿日期：2016- 12- 12

EffectofHeatTreatmentonMicrostructureandHardnessofWear-resistantCr-MoCastSteel

Xu Jie1Chen Xiangru1Diao Xiaogang2Zhang Wei3Guo Aimin3
(1. State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China; 2. CITIC Heavy Industry Machinery Co., Ltd., Luoyang Henan 471003, China; 3. CITIC Metal Co., Ltd., Beijing 100004, China)

Effect of heat treatment process on microstructure and hardness of a wear- resistant Nb- containing Cr- Mo cast steel were investigated. The results indicated that normalizing at 880 ℃ or 910 ℃ made it possible to render microstructure of the cast steel finer, and the cast steel normalized at 910 ℃ exhibited higher hardness and finer and more uniform pearlite relative to one normalized at 880 ℃, and that the cast steel normalized at 910 ℃ showed higher hardness after tempering at 500 ℃ than at 450 ℃ or 550 ℃. The optimum heat treatment practice for the Cr- Mo cast steel was normalizing at 910 ℃ followed by tempering at 500 ℃ to 550 ℃.

Cr- Mo cast steel，heat treatment，microstructure，hardness

中信- CBMM鈮鋼研究開發基金(2014—D079)

許婕，女，主要從事耐磨鉻鉬鑄鋼的研究，Email：shuxujie@163.com

陳湘茹，講師，主要從事鈮微合金化鑄鋼、鑄鐵以及雙相不銹鋼連鑄坯凝固熱模擬研究，Email： cxr16@shu.edu.com