淬火溫度對(duì)鉻鉬馬氏體耐磨鋼組織和力學(xué)性能的影響

馬文高

(四川鴻艦重型機(jī)械制造有限責(zé)任公司，四川 攀枝花 617063)

馬氏體耐磨鋼廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、工程機(jī)械及農(nóng)機(jī)等裝備[1]。由于耐磨襯板的工況復(fù)雜，通常也采用馬氏體耐磨鋼制作。添加鉻、鉬等元素可使馬氏體耐磨鋼具有更高的強(qiáng)度、硬度和韌性[2- 4]。淬火可使鋼強(qiáng)化并獲得某些特殊性能[5- 8]。淬火溫度影響奧氏體晶粒度、合金元素在奧氏體中的溶解度、鋼的淬透性和馬氏體板條尺寸, 進(jìn)而影響鋼的力學(xué)性能[9]。因此研究不同溫度淬火和回火后鋼的組織和性能，從而得到最佳的工藝規(guī)范，對(duì)提高耐磨鋼的使用壽命具有重要意義。本文研究了淬火溫度對(duì)鉻鉬馬氏體耐磨鋼組織和性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用鉻鉬馬氏體耐磨鋼采用10 kg中頻感應(yīng)爐熔煉，其化學(xué)成分如表1所示。采用 DIL805相變儀確定鋼的Ac3溫度為845 ℃。分別在880、900和920 ℃保溫1 h油淬，然后在200 ℃回火2 h。采用尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的無(wú)缺口沖擊試樣在JB- 500B型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。利用69- 1型布洛維光學(xué)硬度計(jì)測(cè)定洛氏硬度，試驗(yàn)力為150 kg，測(cè)10個(gè)點(diǎn)取平均值。采用MLD- 10A型動(dòng)載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊磨料磨損試驗(yàn)，沖擊功1.5 J，磨料粒徑1.5目，沖擊時(shí)間分別為30、60和90 min。金相試樣經(jīng)磨、拋后采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后在Carl Zeiss金相顯微鏡上觀察顯微組織。采用Phenom型掃描電子顯微鏡(SEM,scanning electron microscope)觀察試樣及其沖擊斷口形貌。采用EPMA- 8050G型電子探針對(duì)析出相進(jìn)行定性分析。

表1 試驗(yàn)用鉻鉬馬氏體耐磨鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 淬火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

圖1為淬火溫度對(duì)試驗(yàn)鋼淬火和200 ℃回火后硬度和沖擊性能的影響。圖1表明： 隨著淬火溫度從 880 ℃提高至920 ℃，鋼的沖擊吸收能量從31 J 增加到58 J，硬度先升高后降低，900 ℃淬火的鋼硬度最高，為52 HRC。隨著淬火溫度的升高，淬火時(shí)形成的馬氏體中合金元素含量增加，鋼的硬度提高。但是淬火溫度繼續(xù)升高，導(dǎo)致組織粗大，因而920 ℃淬火的鋼硬度下降。920 ℃淬火、200 ℃回火的鋼的沖擊吸收能量平均值雖高于900 ℃淬火、相同溫度回火的鋼，但前者3次沖擊試驗(yàn)結(jié)果的最低沖擊吸收能量低于后者的平均值。綜合來(lái)看，900 ℃淬火、200 ℃回火的試驗(yàn)鋼力學(xué)性能最佳。

圖1 淬火、回火后鉻鉬馬氏體耐磨鋼的硬度和沖擊功吸收能量隨淬火溫度的變化

2.2 淬火溫度對(duì)組織的影響

由圖2、圖3可知，淬火、回火后鋼的組織均為板條馬氏體，較均勻。隨著淬火溫度從880升高至920 ℃，馬氏體逐漸粗化，900 ℃淬火、200 ℃回火的鋼馬氏體最細(xì)小；920 ℃淬火的鋼馬氏體較粗，即晶粒較粗大，晶界減少，對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用減弱，因此硬度降低[10]。

圖2 從不同溫度淬火和200 ℃回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼的顯微組織

圖3 從不同溫度淬火和200 ℃回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼的SEM形貌

此外，掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，880 ℃淬火、200 ℃回火的鋼組織中有細(xì)小析出相，采用電子探針對(duì)析出相進(jìn)行了定性分析，結(jié)果如圖4所示。圖4表明：880 ℃淬火、200 ℃回火的鋼含有細(xì)小的碳化物，其成分除鉻、碳外，還含有一定量的Ti、V、Nb和Mo元素，且釩含量高于鈦、鈮和鉬含量。含V、Ti等合金元素碳化物的析出可提高鋼的強(qiáng)度、硬度，從而改善耐磨性[11- 14]。

圖4 880 ℃淬火、200 ℃回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼中的碳化物的電子探針定性分析

2.3 沖擊試樣斷口形貌

圖5～圖7分別為不同溫度淬火、相同溫度回火的鋼的沖擊試樣斷口形貌。圖5表明：隨著淬火溫度的升高，沖擊試樣斷口的韌窩數(shù)量增多。與880 ℃淬火的鋼相比，900 ℃淬火的鋼的沖擊試樣斷口韌窩深度顯著增加，沖擊吸收能量也從31 J提高到了52 J。920 ℃淬火、200 ℃回火的鋼的沖擊試樣斷口形貌與900 ℃淬火、200 ℃回火的鋼差異不大，都有大量韌窩，但920 ℃淬火的鋼的沖擊試樣斷口韌窩更多，沖擊吸收能量也從52 J提高到58 J。不同溫度淬火的鋼的沖擊試樣斷口都有白色球狀第二相，其EDS分析結(jié)果如圖8所示，為稀土氧化物，是韌窩的形成質(zhì)點(diǎn)，可增加韌窩數(shù)量，提高韌性。

圖5 880 ℃淬火、200 ℃回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼沖擊試樣的斷口形貌

圖6 900 ℃淬火、200 ℃回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼沖擊試樣的斷口形貌

圖7 920 ℃淬火、200 ℃回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼沖擊試樣的斷口形貌

圖8 沖擊試樣斷口的稀土氧化物及其能譜分析

2.4 淬火溫度對(duì)沖擊磨料磨損性能的影響

圖9為不同溫度淬火、相同溫度回火的鋼的沖擊磨料磨損失重隨試驗(yàn)時(shí)間的變化。從圖9可以看出，磨損試驗(yàn)時(shí)間相同，900 ℃淬火的鋼的磨損失重明顯小于880和920 ℃淬火的鋼。

圖9 不同溫度淬火、相同溫度回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼的磨損失重與磨損試驗(yàn)時(shí)間之間的關(guān)系

圖10為不同溫度淬火、相同溫度回火的鋼經(jīng)沖擊磨料磨損試驗(yàn)后的形貌。從圖10可以看出，920 ℃淬火、200 ℃回火的鋼磨損面的磨料嵌入?yún)^(qū)明顯多于880和900 ℃淬火、200 ℃回火的鋼，而880和900 ℃淬火的鋼磨損面的顯微切削區(qū)面積大于920 ℃淬火的鋼，且880 ℃淬火的鋼磨損面有明顯的裂紋。從上述力學(xué)性能和磨損失重分析可知，920 ℃淬火、200 ℃回火的鋼硬度低但韌性高，磨損試驗(yàn)過(guò)程中有大量磨料嵌入?yún)^(qū)和塑性變形區(qū)，試樣表面因疲勞而發(fā)生剝落，磨損嚴(yán)重；880 ℃淬火、200 ℃回火的鋼硬度高但韌性低，在長(zhǎng)期磨損試驗(yàn)過(guò)程中易產(chǎn)生微裂紋并擴(kuò)展，從而發(fā)生大片剝落；相對(duì)而言，900 ℃淬火、200 ℃回火的鋼具有更好的綜合力學(xué)性能。

圖10 從不同溫度淬火和200 ℃回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼沖擊磨料磨損試驗(yàn)后的形貌

3 結(jié)論

(1)隨著淬火溫度從880 ℃提高至920 ℃，鉻鉬馬氏體耐磨鋼的沖擊韌性提高，沖擊吸收能量從31 J提高到了58 J；硬度先升高后下降，900 ℃淬火、200 ℃回火的鋼硬度最高，達(dá)52 HRC。900 ℃淬火、200 ℃回火的鋼的耐磨料磨損性能最好。

(2)淬火、回火后鉻鉬馬氏體耐磨鋼的組織為均勻的板條馬氏體，隨著淬火溫度從880 ℃提高至920 ℃，鋼的組織逐漸細(xì)化，900 ℃淬火的鋼馬氏體最細(xì)小。

致謝：本文工作是攀鋼集團(tuán)項(xiàng)目支持下與上海大學(xué)先進(jìn)凝固技術(shù)中心合作開(kāi)展的，感謝上海大學(xué)先進(jìn)凝固技術(shù)中心的老師和同學(xué)對(duì)樣品分析檢測(cè)工作給予的支持和幫助。