熱處理工藝對中碳合金鋼組織與力學(xué)性能的影響

關(guān)志強

沈陽特種設(shè)備檢測研究院 遼寧沈陽 110000

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的耐磨材料一直是人們關(guān)注的重點，廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、建材、電力和機械等行業(yè)。主要的耐磨材料有高錳鋼，高鉻鑄鐵和合金耐磨鑄鋼。其中，高錳鋼由于本身的耐磨機理，在中低工況下和使用初期磨損十分嚴重，使得高錳鋼的耐磨性不能充分發(fā)揮出來。因此研究綜合力學(xué)性能優(yōu)良的耐磨材料對社會的發(fā)展具有重大的意義。中碳低合金耐磨鋼具有綜合力學(xué)性能優(yōu)良，生產(chǎn)效率高，價格低廉等特點，越來越受到使用單位的重視[1-5]。然而工程用挖掘機斗齒，破碎機等設(shè)備在實際工作中，由于耐磨構(gòu)件使用工況不同，其磨損失效機理不同，對構(gòu)件的強韌性及耐磨性的要求也不同。因此研究與磨損條件相匹配的耐磨鋼的強韌性與耐磨性的關(guān)系，對合理選用耐磨構(gòu)件用鋼，延長構(gòu)件使用壽命，具有一定的現(xiàn)實意義。

設(shè)計了中碳低合金耐磨鑄鋼，研究了熱處理工藝對其組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 試驗材料及方法

本研究用鋼為SiMnCrMo 系低合金鑄鋼，碳含量為0．50%。采用中頻感應(yīng)電爐熔煉，用Al 脫氧，經(jīng)V，RE 變質(zhì)處理。實驗采用箱式電阻爐對試驗鋼進行相關(guān)熱處理。熱處理后的試樣經(jīng)研磨，用4%硝酸酒精腐蝕觀察其金相組織。試樣為55mm×10mm×10mm 的無缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣，經(jīng)過不同的熱處理后，進行金相組織觀察，在HR-150 洛式硬度計測試硬度，在JB30A型擺錘式?jīng)_擊試驗機上測試沖擊韌度，在MLD-10 型動載磨料磨損試驗機機上進行沖擊磨損試驗，在JSM-5900LV 型掃描電鏡下，分析試樣沖擊斷口和磨損表面的形貌特征。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試淬火溫度對試驗鋼組織與力學(xué)性能的影響

試驗鋼經(jīng)不同溫度淬火（900℃-1100℃），250℃回火后的金相組織如圖1 所示。由圖可見當(dāng)淬火溫度低于1050℃時，隨著溫度的升高，馬氏體板條束變得愈加清晰，組織的均勻性也得到了改善，同時晶粒沒有出現(xiàn)明顯的長大，說明Cr、Mo 等合金元素起到了一定的細化晶粒的作用。當(dāng)淬火溫度超過1050℃時，晶粒有明顯的粗化，分析認為溫度達到一定值繼續(xù)升高時奧氏體出現(xiàn)了明顯的長大現(xiàn)象。圖2 為淬火溫度對硬度和沖擊韌度的影響，由圖可見，硬度隨淬火溫度的升高沒有明顯的變化，保持在56～58HRC 之間，在1050℃時取得最大值58HRC，沖擊韌性隨著淬火溫度的升高有增加的趨勢，這是由于淬火溫度升高，淬火后位錯板條馬氏體的數(shù)量增加，板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為高密度為錯，可動位錯能緩和局部應(yīng)力集中，減少裂紋形核傾向，同時殘余奧氏體增加且以薄膜形式存在馬氏體板條間，不利于裂紋的形成和擴展，因此韌性會增高。

2.2 預(yù)處理試驗對鋼力學(xué)性能的影響

采用直接淬火+回火的熱處理工藝，試驗鋼雖具有較高的硬度，但其韌性不夠優(yōu)良，所以選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)處理工藝對試驗鋼增韌。圖3為試驗鋼在不同溫度下退火，1050 淬火，250 回火后的硬度和沖擊韌性。由圖可見，隨著退火溫度的變化，試驗鋼的硬度沒有出現(xiàn)明顯的變化趨勢，保持在57～58HRC 之間，而沖擊韌性得到了一定的改善，在950℃出現(xiàn)最大值110J。分析認為，退火預(yù)處理對硬度的影響不大，主要決定硬度的因素是淬火工藝，而退火工藝可以細化晶粒，使組織趨于均勻化，起到了一定的增韌作用。圖4 為不同溫度退火，1050淬火，250℃回火后沖擊斷口形貌特征。由圖可知，斷口均為韌窩形態(tài)，經(jīng)950℃退火的試驗鋼相比其它溫度韌窩較深，尺寸較大，這與其較高的沖擊韌度值是相對應(yīng)的。試驗鋼耐磨性能檢測試驗原理如圖5所示。圖6 為退火溫度對試驗鋼的耐磨性的影響，由圖可知，950℃退火后的失重量值最小，為43mg，表明該溫度下退火的耐磨性相對其它溫度下好。分析表明，在硬度不變的情況，韌性對耐磨性有一定的影響，韌性越好，耐磨性越好。

3 實驗結(jié)論

（1）試驗鋼經(jīng)不同溫度淬火，250℃回火后，金相組織均以板條馬氏體為主，隨著淬火溫度的升高，馬氏體板條束變得愈加清晰，組織的均勻性也得到了改善；（2）淬火溫度對試驗鋼的硬度影響不大，沖擊韌性隨淬火溫度的升高而得到改善；（3）退火預(yù)處理在保證試驗鋼硬度的同時，能明顯提高鋼的韌性；（4）沖擊磨料磨損試驗表明，試驗鋼在保持較高硬度的前提下，同時兼具良好的韌性，耐磨損性能才會更優(yōu)良[6]。