熱處理工藝對中碳貝氏體鋼組織與性能的影響

張圳炫，榮守范，焦仁寶，李洪波，劉 力，王 迪，靳張衡

（佳木斯大學材料科學與工程學院，黑龍江佳木斯 154007）

中國是農(nóng)業(yè)大國，每年耕地會消耗大量的犁鏵，目前我國犁鏵存在的問題主要是壽命短、磨損失效快?，F(xiàn)有的高錳鋼犁鏵在工作中受到的力比較小，達不到加工硬化的效果，所以發(fā)揮不了高錳鋼特性；而低合金耐磨鋼因考慮到安全性，一般不會進一步提高其硬度。而貝氏體鋼是目前應(yīng)用較為廣泛的一種耐磨材料，具有良好的綜合力學性能[1～4]。同時熱處理工藝對貝氏體鋼的組織與性能影響較大[5～6]，等溫淬火溫度決定貝氏體的組織形態(tài)，等溫淬火時間決定貝氏體的組織含量。為得到一種能使中碳貝氏體鋼綜合力學性能良好的熱處理工藝，同時為低載荷工況下中碳貝氏體鋼[7-8]犁鏵的制備提供最佳熱處理工藝。本文通過不同的等溫淬火溫度及不同的等溫淬火時間，研究中碳貝氏體鋼熱處理后的組織及其性能。

1 實驗材料與方法

1.1 化學成分的選擇

對于貝氏體鋼，合金元素的主要作用是提高淬透性，控制C曲線向右偏移，綜合考慮合金元素的作用后，制定如表1所示的化學成分及含量。

1.2 熱處理工藝的選擇

圖1是根據(jù)表1中化學成分采用仿真軟件jmatpro 完成試驗鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT曲線）模擬的結(jié)果。

表1 中碳貝氏體鋼化學成分及含量表（質(zhì)量分數(shù)，%）

圖1 TTT曲線

在設(shè)計熱處理工藝時，主要考慮等溫淬火溫度和等溫淬火時間對貝氏體鋼組織和性能的影響，由圖1可知M s點大約為240℃，上貝氏體和下貝氏體分界溫度為400℃.因此，制定如圖2的熱處理工藝。

圖2 熱處理工藝圖

1.3 試樣的制備及分析方法

采用15 kg中頻爐熔煉，使用D K7740精密線切割機床將試驗鋼切成10 mm×10 mm×55 mm標準沖擊試樣，使用S X2-5-12G箱式電阻爐奧氏體化后，在鹽浴爐中進行不同等溫時間和不同等溫溫度熱處理。熱處理后使用Z B C－300B全自動金屬擺錘試驗機和H R-150A型洛氏硬度計測試沖擊韌性與洛氏硬度?？鼓p實驗采用M LD-100型動載荷沖擊磨損試驗機模擬實際工況環(huán)境，用實驗前后的磨損失重量來衡量試樣的抗沖擊磨損能力。通過O L Y M P U S-G X71型光學電子顯微鏡觀察試驗鋼金相組織，通過AD V AN C E型X射線衍射儀對試驗鋼進行物相分析，通過J S M7800F場發(fā)射掃描電鏡分析沖擊后斷口形貌。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 顯微組織與力學性能

由圖3可知，隨著等溫淬火溫度的升高，試驗鋼貝氏體組織由較細小的針狀向較粗大的竹葉狀變化，因為溫度較高碳原子擴散速度較快，貝氏體鐵素體長大速率較快，導(dǎo)致下貝氏體組織粗大，而且下貝氏體的數(shù)量增加。

圖3 不同等溫淬火溫度試驗鋼金相組織圖（時間3 h）

由圖4可知，隨著等溫淬火時間的延長，試驗鋼下貝氏體的數(shù)量增加。因為等溫淬火時間增加，有更多滿足條件的貝氏體鐵素體晶核生成和長大。貝氏體數(shù)量的增多會改變殘余奧氏體的含碳量，增強殘余奧氏體的穩(wěn)定性，減少馬氏體的生成，所以試驗鋼硬度下降，而沖擊韌性升高。

圖5是中碳貝氏體鋼試樣的X R D相分析，結(jié)合圖3、圖4可確定試驗鋼的組織為下貝氏體、少量馬氏體和少量殘余奧氏體。

圖6 為Image J 像素分析的下貝氏體組織面積百分比，隨著等溫淬火時間和等溫淬火溫度的增加，試驗鋼下貝氏體數(shù)量逐漸上升。等溫淬火溫度為290℃時，下貝氏體組織占組織面積百分比由1 h 的47.459%上升4 h 的87.473%.

圖4 不同等溫淬火時間試驗鋼金相組織圖（溫度290℃）

圖5 等溫淬火時間3 h試驗鋼XRD衍射譜線圖（溫度290℃）

圖7 是根據(jù)試樣所測得的實驗數(shù)據(jù)繪制出不同等溫淬火時間和不同等溫淬火溫度的試驗鋼力學性能曲線。隨著等溫淬火溫度和等溫淬火時間的延長，碳原子的擴散使殘余奧氏體含碳量保持在一個較高的水平，提高了殘余奧氏體的穩(wěn)定性，增加了殘余奧氏體的數(shù)量，同時下貝氏體生成的數(shù)量增加，冷卻后生成的馬氏體數(shù)量減少，所以試驗鋼的硬度下降，而沖擊韌性上升。

圖7 試驗鋼力學性能曲線圖

由圖7可知等溫淬火溫度為290℃，等溫淬火時間為3 h的試驗鋼具有良好的綜合力學性能，其洛氏硬度達到了49.2 H R C，沖擊韌性可以達到167 J/c m2.

為了進一步研究和分析試驗鋼的力學性能，對等溫淬火溫度為290℃、等溫淬火時間為3 h的試樣進行沖擊斷口掃描電鏡觀察，如圖8所示。

由圖8可以看出，中碳貝氏體鋼斷口由準解理面與一定數(shù)量韌窩組成，說明材質(zhì)具有一定塑性（與圖7b）相對應(yīng)），能有效阻止裂紋擴展。

2.2 試驗鋼的耐磨性

圖8 試驗鋼沖擊斷口SEM形貌（溫度290℃、時間3 h）

將制備出的等溫淬火溫度為290℃磨損試樣做沖擊磨損試驗，磨損失重量比較如表2所示。從表中可以看出，等溫淬火時間為3 h的試樣經(jīng)2 h磨損后損失質(zhì)量0.238 16 g，等溫淬火時間1 h和2 h的試樣由于生成的下貝氏體組織數(shù)量較少，而等溫淬火時間4 h的試樣冷卻后生成的馬氏體數(shù)量少，所以耐磨性均不如等溫淬火時間3 h的試樣，這與圖3b）、圖4c）的金相組織圖、圖6下貝氏體組織面積百分比和圖7試驗鋼力學性能相對應(yīng)。

表2 不同等溫淬火時間試驗鋼磨損失重對比表（等溫淬火溫度290℃）

3結(jié) 論

1）隨著等溫淬火溫度的升高，在相同的等溫淬火時間內(nèi)，試驗鋼的下貝氏體數(shù)量增多，下貝氏體組織逐漸變得粗大。

2）隨著等溫淬火時間的延長，在相同的等溫淬火溫度內(nèi)，試驗鋼的下貝氏體組織數(shù)量明顯增多，硬度逐漸下降，而沖擊韌性明顯上升。

3）經(jīng)過比較分析，本試驗綜合力學性能最好的熱處理工藝為：920℃×1.5 h＋290℃×3 h，試驗鋼硬度為49.2H R C，沖擊韌性為167 J/c m2，可以滿足犁鏵的工況條件要求。