合金元素及熱處理對新型槽幫鋼組織與性能的影響

徐海峰, 李 海, 李鳳敏, 付勝敏, 明科宇, 郁 言

(1. 中煤張家口煤礦機械有限責任公司, 河北 張家口 075025;2. 鋼鐵研究總院有限公司 特殊鋼研究院, 北京 100081;3. 河北省高端智能礦山裝備技術創新中心, 河北 張家口 075025)

刮板輸送機是煤礦綜采的核心運輸設備,也是使用量最大和消耗最多的設備[1-2]。中部槽是刮板輸送機的關鍵部件,不僅是工作面落煤運輸的主要通道,還是整個輸送機的主要受力部位[3-4],其在綜采過程中受到沖擊、彎曲、拉壓、震動及磨損等作用[5-6],復雜多變的服役環境要求中部槽必須具有足夠的強度、硬度、耐磨性和良好的韌性[7],同時具備一定的耐蝕性[8]。中部槽由中板與槽幫兩部分組成,中板通常采用耐磨鋼,而傳統槽幫材為鑄鋼ZG30MnSi,其抗拉強度≥850 MPa,屈服強度≥720 MPa,伸長率≥10%,室溫V型缺口沖擊吸收能量≥25 J[9],該槽幫鋼的強韌性已無法滿足現代刮板輸送機的要求。

通過優化成分和熱處理控制可以提升槽幫鋼的強韌性,如優化C、Si、Mn配比或加入微量Cr、Mo、V等合金元素,同時輔以合適的熱處理工藝實現槽幫鋼綜合性能的提升,從而達到提高刮板輸送機應用性能的目的。本文通過Cr、Mo微合金化設計槽幫試驗鋼,利用光學顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、拉伸、沖擊試驗機、布氏硬度計等對槽幫試驗鋼不同熱處理下的組織性能進行測試表征,分析槽幫鋼熱處理過程中的組織演變及力學性能變化規律,為新型槽幫鋼的工業生產提供一定試驗和理論支持。

1 試驗材料和方法

槽幫試驗鋼經中頻感應爐冶煉,采用樹脂砂型澆鑄成形,尺寸為(26～50) mm×65 mm×250 mm的梯形橫截面試件,其化學成分如表1所示。

表1 槽幫鋼的化學成分(質量分數,%)

將鑄造件正火處理后線切試樣,隨后在900～920 ℃淬火30 min后水冷,450～550 ℃回火2 h,加工成φ5 mm×65 mm標準拉伸試樣和10 mm×10 mm×55 mm(V型缺口)夏比沖擊試樣,利用MTS880拉伸試驗機和JBN-300B擺鏈式沖擊試驗機進行拉伸沖擊測試,采用TH608布氏硬度計測量試樣表面3點硬度并取平均值;利用JEOL JSM 7200F掃描電鏡進行微觀組織和斷口形貌觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 熱處理工藝對微觀組織的影響

圖1為ZG-1試驗鋼經900、920 ℃淬火30 min水冷、不同溫度回火后的微觀組織。可以看出,900 ℃淬火、450 ℃回火后,淬火馬氏體已完全分解,但部分組織仍保留著板條或針狀的特征,同時碳化物轉變為粒狀滲碳體,室溫下形成α相和滲碳體組成的回火屈氏體[10],如圖1(a)所示;隨著回火溫度的升高,馬氏體的位錯開始多邊化而形成亞晶粒,α相出現回復或再結晶,板條或針狀結構向等軸晶轉變[11-12],同時粒狀滲碳體不斷聚集長大,室溫下形成α相和滲碳體組成的回火索氏體,見圖1(b～d)。當淬火溫度提高到920 ℃時,在不同溫度回火后組織轉變與900 ℃淬火時基本一致,450 ℃回火后板條或針狀組織有所增加,500 ℃以上回火后板條或針狀特征完全消失,形成的回火索氏體結構更加均勻,見圖1(e～h)。

圖1 ZG-1試驗鋼經不同溫度淬火和回火后的顯微組織

圖2為ZG-2試驗鋼經900、920 ℃淬火30 min水冷、不同溫度回火后的微觀組織。從圖2可看出,ZG-2試驗鋼淬回火過程中的組織演變規律與ZG-1試驗鋼基本一致,經450～550 ℃回火后組織結構由回火屈氏體向回火索氏體過渡,由于Mo的加入,奧氏體化保溫時基體固溶度增加,過冷奧氏體穩定性提高,試驗鋼的C曲線右移且Ms點降低,淬火后馬氏體多且穩定性高,而且添加Mo促進含Mo碳化物彌散析出,抑制碳化物聚集長大,細化晶粒尺寸,同時延緩馬氏體分解和α相回復再結晶,因此ZG-2試驗鋼經不同溫度回火后板條組織更加明顯,碳化物含量多,尺寸小且分布更均勻。

圖2 ZG-2試驗鋼經不同溫度淬火和回火后的顯微組織

2.2 熱處理工藝對力學性能的影響

ZG-1和ZG-2試驗鋼經不同溫度淬火、回火后的工程應力-工程應變曲線如圖3所示。可以看出,在不同溫度淬火、回火時,兩種試驗鋼的工程應力-工程應變曲線的變化趨勢基本一致,在拉伸過程中存在明顯的屈服平臺,回火溫度越高,屈服平臺越寬,這主要是溶質原子釘扎位錯引起的[13-14]。隨著回火溫度的升高,試驗鋼的強度不斷降低,斷后伸長率不斷升高,淬火溫度對回火后強度與塑性的影響不明顯。ZG-2試驗鋼的強度更高,而ZG-1試驗鋼的塑性更好。

圖3 不同淬火和回火溫度下ZG-1試驗鋼(a,b)和ZG-2試驗鋼(c,d)的應力-應變曲線

圖4為試驗鋼經900 ℃和920 ℃淬火30 min水冷、不同溫度回火后的力學性能。從圖4(a,b)可以看出,隨著回火溫度的升高,試驗鋼的抗拉強度與屈服強度不斷降低,而斷后伸長率和斷面收縮率不斷提高。當回火溫度為450 ℃時,由于淬火馬氏體完全分解、碳化物析出及滲碳體形成,ZG-1試驗鋼的抗拉強度與屈服強度為1134 MPa 和1076 MPa,當回火溫度提高到500 ℃以上時,α相回復再結晶及滲碳體聚集長大[15],固溶強化和析出強化作用進一步減弱,ZG-1試驗鋼的抗拉強度與屈服強度由500 ℃回火時的999 MPa和931 MPa下降至550 ℃回火時的920 MPa和840 MPa;而ZG-2試驗鋼中Mo元素細化了組織結構,提高了鋼的淬透性和回火穩定性[16],促進含Mo碳化物析出、抑制碳化物聚集長大[17-18],因此在回火過程中仍具有較高的固溶強化、析出強化和細晶強化作用,特別是高溫回火時更明顯,ZG-2試驗鋼的強度明顯高于ZG-1試驗鋼,隨著回火溫度的升高,抗拉強度與屈服強度由450 ℃回火時的1158 MPa和1107 MPa逐漸下降至550 ℃回火時的964 MPa和894 MPa,如圖4(a)所示。而ZG-1試驗鋼的斷后伸長率和斷面收縮率略高于ZG-2試驗鋼,在450～550 ℃回火時,ZG-1試驗鋼的斷后伸長率由11.8%提高到17.3%,斷面收縮率由44%提高到54%;ZG-2試驗鋼的斷后伸長率由11.8%提高至15.5%,斷面收縮率由42%提高到46%,如圖4(b)所示。

圖4 試驗鋼經900 ℃(a,b)和920 ℃(c,d)淬火30 min和不同溫度回火后的力學性能

由圖4(c,d)可知,920 ℃淬火后試驗鋼力學性能的變化與900 ℃淬火時一致,因此淬火溫度對回火后的力學性能影響不明顯,兩者性能相差不大。隨著回火溫度的升高,ZG-1試驗鋼的抗拉強度和屈服強度由1126 MPa和1066 MPa逐漸降至924 MPa和843 MPa,斷后伸長率由12.8%提高到17.3%,斷面收縮率由40%提高到50%;ZG-2試驗鋼的抗拉強度和屈服強度由1159 MPa和1106 MPa逐漸降至965 MPa和895 MPa,斷后伸長率由13.8%提高到15.5%,斷面收縮率由49%提高到51%。

圖5為試驗鋼經900、920 ℃淬火、不同溫度回火后的硬度和沖擊性能。由圖5可以看出,隨著回火溫度的升高,試驗鋼的室溫硬度不斷下降,而沖擊吸收能量呈連續上升趨勢。在900 ℃淬火、450～550 ℃回火時,ZG-1試驗鋼的室溫硬度由331 HBW下降至269 HBW,沖擊吸收能量由52.0 J上升至70.5 J,而ZG-2試驗鋼的室溫硬度由336 HBW下降至283 HBW,沖擊吸收能量由45.5 J上升至68.5 J,如圖5(a)所示。當淬火溫度從900 ℃提高到920 ℃時,試驗鋼的室溫硬度僅有小幅波動,ZG-1試驗鋼的室溫硬度由333 HBW下降至274 HBW,沖擊吸收能量由53.5 J提高至69.0 J;而添加Mo使得碳化物形核位置增加,碳化物析出增多、尺寸細化且不易聚集長大,在回火過程中碳化物的彌散強化可抵消基體的回復軟化[19-20],因此ZG-2試驗鋼的室溫硬度緩慢下降,特別是高溫回火階段的回火抗力更加明顯,試驗鋼的室溫硬度由338 HBW逐漸下降至286 HBW;此外添加Mo細化了奧氏體晶粒,淬回火后微觀組織更加細小均勻。ZG-2試驗鋼經920 ℃淬火、不同溫度回火后的沖擊性能優于900 ℃淬火,ZG-2試驗鋼經920 ℃淬火、450～550 ℃回火后沖擊吸收能量由45.5 J提高至71.0 J,如圖5(b)所示。

圖5 試驗鋼經不同溫度淬火和回火后的硬度和沖擊吸收能量

ZG-1和ZG-2試驗鋼經900、920 ℃淬火30 min、不同溫度回火后的沖擊斷口形貌分別如圖6和圖7所示。可以看出,兩種試驗鋼的沖擊斷口以韌性斷裂為主,回火溫度越高,韌窩數量越多,韌窩越大越深。當回火溫度為450 ℃時,ZG-1試驗鋼的室溫組織為α相和滲碳體組成的回火屈氏體,斷口形貌中韌窩較多,局部存在少量的解理平臺,如圖6(a, d)所示;由于Mo元素的加入,ZG-2試驗鋼的強度與硬度明顯提高,而沖擊性能小幅下降,斷口形貌中存在較多的解理平臺,如圖7(a, d)所示。隨著回火溫度升高至500 ℃以上,室溫組織由回火屈氏體過渡為回火索氏體,兩種試驗鋼斷口形貌中韌窩數量明顯增加,而且韌窩大而深,試驗鋼的沖擊性能明顯提升,斷口為韌性斷裂。

圖6 ZG-1試驗鋼經不同溫度淬火和回火后的沖擊斷口形貌

圖7 ZG-2試驗鋼經不同溫度淬火和回火后的沖擊斷口形貌

綜合分析熱處理后的組織和性能可知,ZG-1試驗鋼經900、920 ℃淬火、500 ℃回火后可獲得較高的綜合性能,抗拉強度999～1002 MPa,屈服強度931～933 MPa,斷后伸長率15.0%～14.0%,室溫硬度296～298 HBW,沖擊吸收能量61.0～63.0 J。而添加Mo、Cr提高了淬透性和回火穩定性,細化了組織結構,改變了碳化物類型、尺寸及分布,因此ZG-2試驗鋼的綜合力學性能得到了顯著提高,920 ℃淬火、500～520 ℃回火后獲得良好的強韌性匹配,抗拉強度1039～1011 MPa,屈服強度981～947 MPa,斷后伸長率15.0%～15.3%,室溫硬度305～298 HBW,沖擊吸收能量64.5～67.5 J。

3 結論

1) 添加Cr、Mo等合金元素提高了槽幫鋼的淬透性和回火穩定性,細化了組織,促進碳化物析出并抑制碳化物聚集長大,不同溫度淬、回火后槽幫鋼的微觀組織更加均勻、細化。

2) 通過Cr、Mo等元素微合金化使槽幫鋼的強韌性匹配得到明顯改善,隨著回火溫度的升高,兩種試驗鋼的強度與硬度不斷降低,塑性和韌性呈連續上升趨勢。

3) ZG-1試驗鋼經900、920 ℃淬火、500 ℃回火后的抗拉強度為999～1002 MPa,屈服強度931～933 MPa,斷后伸長率15.0%～14.0%,室溫硬度296～298 HBW,沖擊吸收能量61.0～63.0 J;ZG-2試驗鋼經920 ℃淬火、500～520 ℃回火時獲得更優的強韌性匹配,抗拉強度1039～1011 MPa,屈服強度981～947 MPa,斷后伸長率15.0%～15.3%,室溫硬度305～298 HBW,沖擊吸收能量64.5～67.5 J。