中高碳貝氏體鋼耐磨犁鏵的研究①

張圳炫， 榮守范， 劉 會(huì)

(佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

犁鏵是農(nóng)業(yè)機(jī)械中的重要零部件，其壽命短，消耗量大，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失不容忽視。目前，犁鏵多采用高錳鋼材質(zhì)，因犁鏵工作時(shí)受力較小，達(dá)不到加工硬化作用，而犁鏵表面堆焊技術(shù)及熱噴涂技術(shù)，雖然能比高錳鋼犁鏵的使用壽命長(zhǎng)，但價(jià)格較貴，不宜大面積推廣。下貝氏體鋼[1～2]擁有良好的綜合力學(xué)性能及優(yōu)秀的耐磨性[3～5]，是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的鋼鐵材料[6]。故研究旨在預(yù)制備一種韌性和耐磨性俱佳的下貝氏體鋼[7]犁鏵，即提高其使用壽命，又減低成本，節(jié)約能源。根據(jù)磨損失效形式和犁鏵與土壤顆粒相互作用時(shí)的磨損規(guī)律與機(jī)理，提出新材質(zhì)的化學(xué)成分配比，研究含碳量對(duì)貝氏體鋼組織性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

根據(jù)貝氏體鋼犁鏵的實(shí)際工況條件及合金元素的作用，選用如表1所示的化學(xué)成分，通過(guò)改變化學(xué)成分的含碳量，研究含碳量對(duì)中高碳貝氏體鋼組織性能的影響規(guī)律。

表1 實(shí)驗(yàn)試樣化學(xué)成分表(wt.%)

1.2 熱處理工藝的選擇

根據(jù)貝氏體鋼的特性，選用等溫淬火后空冷的熱處理工藝，工藝參數(shù)如圖1所示。

圖1 熱處理工藝圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

利用15kg中頻感應(yīng)電爐熔煉貝氏體鋼，利用DZK線切割加工出10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣，沖擊試驗(yàn)在ZBC-300B全自動(dòng)金屬擺錘試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，硬度測(cè)定采用HR-150A洛氏硬度儀，抗磨損實(shí)驗(yàn)采用MLD-100型動(dòng)載荷沖擊磨損試驗(yàn)機(jī)模擬實(shí)際工況環(huán)境，用實(shí)驗(yàn)前后的磨損失重量來(lái)衡量試樣的抗沖擊磨損能力。利用OLYMPUS-GX71型光學(xué)電子顯微鏡和JMS-6360LV掃描電子顯微鏡對(duì)沖擊試樣進(jìn)行金相組織觀察與斷口形貌分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)材料的金相組織

在金相顯微鏡下觀察，貝氏體鋼的微觀組織為典型的下貝氏體組織，經(jīng)過(guò)熱處理后的試樣所呈現(xiàn)的組織為下貝氏體+殘余奧氏體+少量馬氏體。

經(jīng)過(guò)3h鹽淬處理的不同含碳量的金相組織如圖2所示。

a)0.67% b)0.63% c)0.59% d)0.55%

從中高碳貝氏體鋼機(jī)械性能數(shù)據(jù)(圖3)表明，含碳量對(duì)鋼的機(jī)械性能影響較大。由金相組織可知，含碳量為0.55%時(shí)，分布在下貝氏體上的粗短片狀馬氏體硬度高，韌性差，尖端裂紋易于擴(kuò)展，但因其含碳量較少，且分布在其周?chē)南仑愂象w會(huì)限制裂紋的擴(kuò)展，使裂紋不能長(zhǎng)大連成一片。當(dāng)含碳量為0.59%時(shí)，鐵素體上細(xì)小的下貝氏體(見(jiàn)圖2c)，增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，限制了位錯(cuò)的滑移，使鋼的塑性降低，所以含碳量為0.59%的犁鏵試樣韌性最差(圖3b)。含碳量在0.63%時(shí)(圖2b)金相組織主要由下貝氏體與馬氏體組成，其中含有少量碳化物與殘余奧氏體，碳化物呈斷網(wǎng)狀分布。下貝氏體分割細(xì)化組織作用明顯，即分布在下貝氏體鐵素體條片間和分布于馬氏體板條內(nèi)的殘留奧氏體薄膜，將馬氏體板條進(jìn)一步分割得更小、更細(xì)，馬氏體的脆性有所削弱，所以能獲得較高沖擊韌性，但硬度偏低。隨著含碳量的增加，在含碳量0.67%時(shí)(圖2a)，金相組織存在一定數(shù)量碳化物，殘留奧氏體薄膜變厚，不易受應(yīng)力的影響，可以吸收應(yīng)變能，并且馬氏體固溶碳量增加，下貝氏體切割細(xì)化組織作用減弱，使得高碳貝氏體鋼韌性降低許多，但硬度有明顯提高。

a)沖擊韌性 b)硬度

圖4 貝氏體鋼沖擊斷口SEM形貌

圖5 中高碳貝氏體鋼犁鏵實(shí)物圖

2.2 實(shí)驗(yàn)材料的力學(xué)性能

材料的力學(xué)性能與顯微組織有關(guān)，隨著含碳量的增加，沖擊韌性在逐漸下降，硬度在逐漸增加(圖3)。在四組試樣中，含碳量為0.55%(圖2d)時(shí)，得到的下貝氏體數(shù)量較少，含碳量低，馬氏體固溶碳量較少，硬度偏低。含碳量為0.59%的硬度值最低，結(jié)合顯微組織(圖2c)分析，在圖中白亮的區(qū)域較多，黑色貝氏體鐵素體較少，因此通過(guò)硬度值分析，可以確定白色區(qū)域大部分為殘余奧氏體和較少的馬氏體組織。含碳量為0.63%的試樣組織下貝氏體較其他三組細(xì)小，在等溫期間奧氏體大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，有一部分少量的馬氏體和殘余奧氏體，薄膜狀的殘余奧氏體可以緩解應(yīng)力集中，在發(fā)生裂紋斷裂時(shí)，殘余奧氏體組織可以阻止裂紋的擴(kuò)展，所以少量殘余奧氏體可以提高試樣的強(qiáng)韌性，從而其沖擊韌性最高。在含碳量為0.67%中，由于含碳量增加，馬氏體固溶碳量較多，導(dǎo)致硬度上升，沖擊韌性隨著降低，當(dāng)裂紋在這種組織中擴(kuò)展時(shí)，可以減少下貝氏體裂紋尖端的應(yīng)力集中，鈍化裂紋尖端，從而降低裂紋的擴(kuò)展速率，甚至阻礙裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。

通過(guò)組織圖2可以了解到含碳量增加，亮色區(qū)域的殘余奧氏體和馬氏體的體積分?jǐn)?shù)增加，并且含碳量大，沉淀析出的滲碳體等碳化物增加，最終導(dǎo)致沖擊韌性下降。在等溫淬火過(guò)程中，因?yàn)閵W氏體的穩(wěn)定增強(qiáng)，在貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，穩(wěn)定性較強(qiáng)的奧氏體未發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，在等溫階段保留下來(lái)，成為殘余奧氏體。其次由于碳化物的富集，同時(shí)使Ms溫度降低，等溫結(jié)束后進(jìn)行空冷時(shí)，奧氏體來(lái)不及發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，這樣會(huì)使馬氏體的體積分?jǐn)?shù)降低，馬氏體減少。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料的耐磨性

將制備出的磨損試樣做沖擊磨損試驗(yàn)，磨損失重量比較表如表2所示。從表中可以看出，含碳量為0.63%的試樣耐磨性?xún)?yōu)于其他試樣，這與圖2b的金相組織圖相對(duì)應(yīng)。

表2 不同含碳量的貝氏體鋼磨損失重對(duì)比表

為了進(jìn)一步研究和分析沖擊對(duì)材料磨損的作用機(jī)理，進(jìn)行掃描電鏡觀察，如圖4所示。

通過(guò)掃描斷口觀察，含碳量0.63%鋼的斷口分析(圖4)?？梢钥闯鲋懈咛钾愂象w鋼斷口由準(zhǔn)解理面與一定數(shù)量韌窩組成，說(shuō)明材質(zhì)是具有一定塑性，能有效阻止裂紋擴(kuò)展。

3 中高碳貝氏體鋼耐磨犁鏵的制備及應(yīng)用

采用中高碳貝氏體鋼等溫淬火工藝，制備出了犁鏵(如圖5所示)。犁鏵化學(xué)成分為C：0.63%，Cr：2.01%，Mn：2.00%，Mo：0.27%，Cu：0.40%，Ni：0.25%，Si：1.35%，熱處理工藝：940℃×2h+295℃～300℃×3h。最終獲得的犁鏵硬度為50HRC以上，沖擊韌性αk≥108J/cm2，犁尖放置激冷材料，晶粒細(xì)小，可明顯增加耐磨性。中試試驗(yàn)在佳木斯江北農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，新型犁鏵耐磨壽命比高錳鋼材質(zhì)犁鏵高3倍。

4 結(jié) 論

(1)犁鏵經(jīng)過(guò)等溫淬火的熱處理后，犁鏵的宏觀洛氏硬度50HRC以上，沖擊韌性大于108J/cm2，滿(mǎn)足犁鏵工作性能要求。

(2)利用激冷的方法使貝氏體鋼中的晶粒細(xì)化，可明顯提高耐磨性，耐磨性為高錳鋼的3倍。

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