礦山機械用 Cr-C 耐磨合金的組織性能研究

蘇興國，楊 光，李佳康，齊海龍，王永金

1鞍山鋼鐵集團有限公司東鞍山燒結廠 遼寧鞍山 114000

2北京科技大學材料科學與工程學院 北京 100083

隨著科學技術的飛速發展和工業規模不斷擴大，礦山設備的磨損嚴重影響了設備的工作效率[1]。磨損作為鋼鐵材料失效的主要形式之一，每年直接導致的經濟損失達百億元以上[2]。Cr-C 耐磨合金具有硬度高、耐磨性好的特點，可用于制造耐磨襯板。其鑄態組織存在有網狀碳化物，且隨著含碳量的增加，凝固組織中會出現粗大的網狀共晶碳化物，且偏析嚴重，韌性較差[3-5]，經合理的熱處理可以在保證耐磨性的前提下，提高其韌性。筆者圍繞 Cr-C 耐磨合金研究了熱處理工藝對其組織及性能的影響。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

所用試驗材料是在真空感應爐中進行合金的冶煉，并澆入石墨坩堝中，空冷至室溫，試驗用 Cr-C耐磨合金化學成分 (質量分數) 如表 1 所列。

表1 Cr-C 耐磨合金化學成分 (質量分數)Tab.1 Mass fraction of chemical composition of Cr-C wear resistant alloy %

1.2 熱處理

熱處理包括正火、淬火、回火。首先對鑄態試樣進行 1 000、1 100、1 200 ℃ 正火處理，保溫 2 h，空冷至室溫，對正火后的試樣進行顯微組織觀察及力學性能檢測。正火后的 Cr-C 耐磨合金力學性能如表 2所列。

表2 正火后 Cr-C 耐磨合金的力學性能Tab.2 Mechanical properties of Cr-C wear resistant alloy after normalizing

由表 2 可知，Cr-C 耐磨合金最佳的正火溫度為1 100 ℃。在 1 100 ℃ 正火后，進行淬火+回火處理。其中，淬火處理為 900 ℃ 保溫 1 h，并設置了油冷和空冷 2 種不同的冷卻方式，對不同淬火處理后的試樣進行回火處理，在 250 ℃ 保溫 2 h 空冷至室溫。

1.3 表征方法

試樣熱處理完成后，機加工為 U 形 55 mm×10 mm×10 mm，然后進行常溫沖擊韌性檢測，采用洛氏硬度計對試樣的硬度進行測定。同時，切取試樣制備 10 mm×10 mm×5 mm的金相，經過鑲樣、磨樣、拋光后，采用體積分數為 4%的硝酸酒精進行侵蝕后，使用 SEM 對其顯微組織進行觀察。

2 結果與分析

2.1 Cr-C 耐磨合金鑄態組織及性能

Cr-C 耐磨合金鑄態下硬度達到 43.6HRC，沖擊韌性為 2.2 J/cm2。通過 SEM 觀察發現鑄態組織主要由粒狀珠光體和網狀碳化物組成，如圖 1 所示。其中，網狀碳化物的存在，降低了晶格之間的延續性，降低了 Cr-C 耐磨合金的性能，使 Cr-C 耐磨合金的沖擊韌性下降，脆性增加，在使用中發生疲勞失效。為了消除 Cr-C 耐磨合金中網狀碳化物帶來的不利影響，需要對其進行預處理。對于過共析鋼，可以采用正火處理，消除網狀碳化物[6-7]。

圖1 Cr-C 耐磨合金鑄態組織Fig.1 As cast microstructure of Cr-C wear resistant alloy

2.2 正火處理對 Cr-C 耐磨合金組織及性能的影響

Cr-C 耐磨合金在硬度方面，經 1 000、1 100 ℃正火處理后，Cr-C 耐磨合金的硬度與鑄態相比分別提高了 21.0HRC、14.6HRC，其中在 1 000 ℃ 時，硬度達到最大值 64.6HRC，而經過 1 200 ℃ 正火處理后，Cr-C 耐磨合金的硬度下降明顯，為 30.6HRC；在沖擊韌性方面，同鑄態時相比較，經過 1 000 ℃ 正火處理后，沖擊韌性有所降低，經 1 100、1 200 ℃ 正火處理后，沖擊韌性得到提高。在 1 100 ℃ 正火處理后，沖擊韌性達到最大值 4.9 J/cm2。

Cr-C 耐磨合金正火后的 SEM 組織如圖 2 所示。由圖 2 可以觀察到，經過不同溫度正火處理后，Cr-C耐磨合金的組織發生了改變。隨著正火溫度的升高，網狀碳化物不斷溶解到基體組織中，網狀形態得到一定的緩解。在 1 000 ℃ 時，原網狀碳化物網出現溶斷，碳化物溶解為小顆粒，但仍可依稀看出原網狀碳化物的形貌；在 1 100 ℃ 時，可以看到，碳化物主要集中在部分晶界處，在部分位置可以看到晶粒周圍被碳化物包圍；在 1 200 ℃ 時，碳化物網基本消失，可以在晶界處看到顆粒狀的碳化物。在基體層組織方面，經 1 000 ℃ 正火處理后，得到的原奧氏體晶粒更加細小，平均晶粒尺寸為 10 μm，同時在晶粒內部有細小的二次碳化物析出，硬度最大；在 1 100 ℃ 時，奧氏體晶粒明顯粗大，平均晶粒尺寸＞20 μm，可以觀察到馬氏體的表面浮凸，硬度也降低；在 1 200 ℃，保溫過程中，奧氏體晶粒繼續長大，同時碳化物進一步溶解，基體中 Cr 含量升高，Ms 點降低，最終奧氏體組織在室溫下得到保留。

圖2 不同溫度正火后 Cr-C 耐磨合金的顯微組織Fig.2 Microstructure of Cr-C wear resistant alloy after normalizing at various temperatures

綜合分析，在 1 000 ℃ 時，細小的奧氏體晶粒和大量未溶的斷網碳化物，使得此時硬度保持在較高水平，同時大量的細小顆粒碳化物集中分布于某些晶界處，不利于沖擊韌性的提高；在 1 100 ℃ 時，在晶界處保留了部分碳化物，同時奧氏體長大，冷卻后得到馬氏體組織，二者的相互作用使得試驗鋼的硬度和沖擊韌性均處于較高水平；在 1 200 ℃ 時，較高的保溫溫度促進了奧氏體的長大，同時，網狀碳化物的溶解使得奧氏體中合金元素含量增多，Ms 點降低，在室溫下得到奧氏體組織，粗大的奧氏體晶粒使得此溫度下硬度急劇下降，不利于沖擊韌性的進一步提高。

2.3 淬火+回火處理對 Cr-C 耐磨合金組織及性能的影響

淬火+回火后的 Cr-C 耐磨合金的力學性能如圖3 所示。Cr-C 耐磨合金經空冷淬火+回火后，硬度為 55.7HRC，沖擊韌性為 3.2 J/cm2，其硬度和沖擊韌性較正火后均有所降低，性能未能實現再次提升；而經油冷淬火+回火后，Cr-C 耐磨合金的硬度提高到 58.9HRC，但沖擊韌性下降明顯，沖擊韌性由正火態的 4.9 J/cm2降低為 2.7 J/cm2。

圖3 淬火+回火后 Cr-C 耐磨合金的力學性能Fig.3 Mechanical properties of Cr-C wear resistant alloy after quenching+tempering

不同熱處理后的 Cr-C 耐磨合金組織如圖 4 所示。由圖 4 可以看到，空冷淬火+回火后，基體組織為馬氏體組織，晶界處初生碳化物得到細化，同時可以看到部分晶粒內存在更加細小的顆粒狀碳化物。油冷淬火+回火后，基體組織為回火馬氏體組織，晶界處碳化物較為粗大，基體上的二次碳化物呈現出顆粒狀。

圖4 不同熱處理后的 Cr-C 耐磨合金組織Fig.4 Microstructure of Cr-C wear resistant alloy after various heat treatment

綜合分析，空冷淬火+回火后，初生碳化物溶入基體，碳化物含量降低，且由于馬氏體硬度要低于碳化物的硬度，最終表現為硬度降低。油冷淬火+回火后，初生碳化物粗大，二次碳化物增多，硬度提高。

3 結論

(1) Cr-C 耐磨合金鑄態組織中存在明顯的網狀碳化物，基體組織為粒狀珠光體，經正火處理后，網狀碳化物部分溶解到基體組織中，網狀形態得到一定的緩解，性能得到改善。正火后進行淬火+回火，晶界處碳化物得到保留，基體中開始析出二次碳化物。

(2) 經 1 000 ℃ 正火處理后，所得到的奧氏體晶粒更加細小，平均晶粒尺寸為 10 μm，正火溫度超過1 100 ℃ 之后，奧氏體晶粒明顯粗大，平均晶粒尺寸＞20 μm。經不同正火溫度處理后，Cr-C 耐磨合金的基體組織也發生改變，在 1 000 ℃ 和 1 100 ℃ 時，基體組織為馬氏體組織；正火溫度為 1 200 ℃ 時，碳化物進一步溶解，基體中 Cr 含量升高，Ms 點降低，最終在室溫下獲得奧氏體組織。

(3) 正火后經淬火+回火的熱處理，可以保證Cr-C 耐磨合金的硬度保持在較高水平，硬度均＞55 HRC，但其沖擊韌性較 1 100 ℃ 正火后，均表現為降低，且經油冷淬火+回火處理的試樣沖擊韌性最低，為 2.7 J/cm2。

(4) Cr-C 耐磨合金最佳的熱處理工藝為 1 100 ℃正火，保溫 2 h。在此條件下，Cr-C 耐磨合金的沖擊韌性最好，為 4.9 J/cm2，同時也保證其有較高的硬度，為 58.2HRC。