熱切割對(duì)預(yù)硬化耐磨板材硬度的影響

羅德昭

中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司，昆明 650215

隨著鐵路建設(shè)快速發(fā)展，鐵路養(yǎng)護(hù)設(shè)備對(duì)耐磨零件的需求大量增加，對(duì)所用材料的耐磨性也提出更高要求。預(yù)硬化耐磨板材因具有使用性能良好、強(qiáng)度和硬度較高、使用時(shí)不需熱處理、易于焊接和切削、成型性能好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用［1-3］。

預(yù)硬化耐磨板材是一種低合金高強(qiáng)度耐磨鋼，生產(chǎn)工藝為在鋼鐵材料中加入多種合金元素，熱軋后直接淬火或者冷卻到室溫后，再加熱淬火。耐磨板材的微觀組織對(duì)其性能有較大影響，組織越細(xì)小越均勻，材料的硬度就越高［4-5］。經(jīng)過預(yù)硬化處理后板材的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能發(fā)生變化，其顯微組織多以馬氏體硬化相為主，合金元素的加入使其強(qiáng)度和硬度增加。

預(yù)硬化耐磨板材供貨狀態(tài)為淬火態(tài)。由于板材供貨尺寸較大，在實(shí)際使用過程中須進(jìn)行切割處理。切割方法有冷切割和熱切割。冷切割分為線切割、水刀切割等。熱切割分為火焰切割、等離子切割、激光切割等?；鹧媲懈钍抢脷怏w燃燒的高溫將板材切開；等離子切割是利用等離子電弧將板材切開；激光切割是利用激光強(qiáng)聚焦能力及高能量使板材快速加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成孔洞，隨著光束與材料相對(duì)移動(dòng)，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，從而完成金屬板材的切割。

在耐磨零件毛坯制備過程中，熱切割憑借效率高、成本低成為工廠首選下料方法。熱切割下料時(shí)，大量熱量使切口附近金屬性能發(fā)生變化，對(duì)加工零件的應(yīng)用及后續(xù)工序有一定影響。因此，選擇合適的切割方法對(duì)預(yù)硬化耐磨鋼板的加工成本、精度及預(yù)期壽命有重要影響。

近年來隨著大功率激光發(fā)射器的研究成功并投入應(yīng)用，激光技術(shù)在熱切割領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。激光切割因具有熱影響區(qū)窄、工件變形小、基本無毛刺、無褶皺、精度高、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用［6-9］，但切割時(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)使材料組織發(fā)生改變，使用性能大幅下降。文獻(xiàn)［10-13］對(duì)激光切割Q345 碳鋼、鈦合金、鋁合金、304 不銹鋼的工藝參數(shù)及設(shè)備進(jìn)行了研究，優(yōu)化了工藝參數(shù)，但對(duì)熱影響區(qū)微觀組織的影響沒有研究。目前激光切割對(duì)預(yù)硬化耐磨板材硬度影響的研究較少。

本文以厚度20 mm 進(jìn)口Hardox500 預(yù)硬化耐磨板材為試驗(yàn)用材料，通過試驗(yàn)分析熱切割對(duì)其硬度及組織的影響，為耐磨零件加工過程中選擇相應(yīng)的熱切割方法提供參考。

1 熱切割試驗(yàn)材料

1.1 預(yù)硬化耐磨板材生產(chǎn)工藝和化學(xué)成分

預(yù)硬化耐磨板材生產(chǎn)工藝見圖1，化學(xué)成分見表1。

表1 預(yù)硬化耐磨板材化學(xué)成分 %

圖1 預(yù)硬化耐磨板材生產(chǎn)工藝

1.2 力學(xué)性能

預(yù)硬化耐磨板材力學(xué)性能見表2。

表2 預(yù)硬化耐磨板材力學(xué)性能

屈服強(qiáng)度1 400 MPa、抗拉強(qiáng)度1 600 MPa，說明該耐磨板材具有較高的強(qiáng)度；延伸率10%說明其塑性較好，具有良好的成型能力；碳當(dāng)量0.41%，說明在焊接時(shí)不易發(fā)生冷裂紋，具有優(yōu)異的焊接性；硬度50 HRC，說明其具有較好的耐磨性能。

經(jīng)測(cè)定試驗(yàn)用板材硬度范圍為49～51 HRC，不同位置硬度波動(dòng)不大。硬度測(cè)試值與原板材質(zhì)保書中硬度吻合。

1.3 顯微組織

取供貨狀態(tài)的預(yù)硬化耐磨板材制備金相試樣，其顯微組織見圖2?？梢姡簺]有粗大晶粒，組織均勻細(xì)?。灰园鍡l狀馬氏體為主，有少量奧氏體；板條狀馬氏體和奧氏體由于軋制加工被壓扁。

圖2 預(yù)硬化耐磨鋼板金相顯微組織

預(yù)硬化耐磨板材的硬度主要取決于板條狀馬氏體組織的形貌，而板條狀馬氏體組織的形貌是由耐磨板材的化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝決定。板材淬火時(shí)奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀馬氏體。與一般淬火鋼相比，預(yù)硬化耐磨板材中碳含量0.3%，過飽和度小，晶格畸變，淬火后板材硬度和強(qiáng)度高，塑性和韌性良好［14］。

預(yù)硬化耐磨板材中合金元素的加入，不但提高了鋼的淬透性，更容易形成板條狀馬氏體組織，而且能提高馬氏體的固溶強(qiáng)化效果，起到細(xì)化晶粒的作用，使預(yù)硬化耐磨板材具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。通過調(diào)整軋制變形量使奧氏體晶粒被拉長(zhǎng)壓扁，通過高冷卻速率使奧氏體轉(zhuǎn)變成板條狀馬氏體的過程中保留壓扁的細(xì)小組織［15-16］。同時(shí)由于快速冷卻在板條狀馬氏體組織中繼承了奧氏體中的高密度位錯(cuò)，從而提高了板材的強(qiáng)度和硬度。此外預(yù)硬化耐磨板材碳含量低，其馬氏體開始轉(zhuǎn)變的溫度較高，在淬火過程中會(huì)發(fā)生自回火現(xiàn)象，析出滲碳體，使位錯(cuò)組織穩(wěn)定，起到析出強(qiáng)化的作用［17］。

2 熱切割試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 熱切割對(duì)預(yù)硬化耐磨板材硬度的影響

采用火焰切割、等離子切割、激光切割三種方法分別切割板材，用砂紙去除表面脫碳層，垂直于切口方向由近及遠(yuǎn)依次測(cè)量其硬度。

不同切割方法下熱影響區(qū)硬度分布見圖3。

圖3 不同切割方法下熱影響區(qū)硬度分布對(duì)比

由圖3可知：

1）火焰切割時(shí)切口附近硬度明顯下降，距切口2.5 mm 處硬度只有22 HRC，之后硬度升高，20.0 mm之后硬度達(dá)到板材原始硬度（50 HRC）?；鹧媲懈顭嵊绊憛^(qū)范圍為距切口0～20.0 mm。等離子切割時(shí)切口處硬度（54 HRC）高于板材原始硬度，隨著距切口距離增加硬度快速降低，距切口2.0 mm處降至32 HRC，然后硬度開始升高，距切口8.0 mm 處硬度逐漸接近板材原始硬度。等離子切割時(shí)熱影響區(qū)范圍為距切口0～8.0 mm。激光切割時(shí)切口處硬度達(dá)到57 HRC，距切口1.0 mm處硬度最低，其值為36 HRC，隨后硬度逐漸升高，距切口2.0 mm 處硬度接近板材原始硬度，激光切割熱影響區(qū)范圍為距切口0～2.0 mm。

從整體來看，熱切割后板材熱影響區(qū)硬度較板材原始硬度大幅下降。這是因?yàn)闊崆懈钏a(chǎn)生的大量熱量使切口附近區(qū)域板條狀馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，發(fā)生軟化現(xiàn)象。

2）與火焰切割相比，激光切割和等離子切割時(shí)切口處硬度都超過板材原始硬度。這是因?yàn)榧す馇懈詈偷入x子切割加熱速度快，幾乎在瞬間板材被加熱到熔點(diǎn)，隨后在很短時(shí)間內(nèi)快速冷卻，切口處板材被再次淬火，且淬火冷卻速率大于板材供貨狀態(tài)時(shí)的淬火冷卻速率，同時(shí)高速的激光束、離子流也會(huì)使切口處板材表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，兩種因素共同作用導(dǎo)致切口處硬度升高。

3）與火焰切割、等離子切割相比，激光切割熱影響區(qū)范圍最小、切割速度快、切縫窄且邊緣光滑垂直度好。這是因?yàn)榧す獍l(fā)射器發(fā)射出的激光，經(jīng)光路系統(tǒng)聚焦成大功率的激光束。激光束直接照射到工件表面，使其小范圍內(nèi)短時(shí)間達(dá)到熔點(diǎn)，同時(shí)與激光束同方向的高壓氣體快速將熔化金屬吹走。

在三種熱切割方法中，由于激光切割具有較大優(yōu)勢(shì)，在金屬加工企業(yè)中逐漸得到推廣應(yīng)用，因此就激光切割對(duì)預(yù)硬化耐磨板材組織的影響進(jìn)行深入分析。

2.2 激光切割對(duì)預(yù)硬化耐磨板材組織的影響

激光切割后板材不同位置金相圖見圖4。

圖4 激光切割后板材不同位置金相圖

由圖4 可知：①切口處板條狀馬氏體組織比原板材細(xì)小。這是因?yàn)榧す馇懈钏查g產(chǎn)生的高溫快速降低，使此處被再次淬火，且淬火冷卻速率大于原板材淬火冷卻速率。②距切口0.5 mm 處板材組織為回火索氏體。激光切割時(shí)產(chǎn)生的高溫不能快速冷卻，使原細(xì)小碳化物溶解，晶粒明顯變大，發(fā)生回火軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致板條狀馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w。③距切口2.0 mm 處以板條狀馬氏體組織為主，基本保留原板材組織。距切口4.0 mm 處與原板材均勻的板條狀馬氏體組織完全一致，說明激光切割沒有影響到該處金相組織。

3 結(jié)論

1）激光切割、等離子切割和火焰切割熱影響區(qū)范圍分別為距切口0～2.0、0～8.0、0～20.0 mm。切割時(shí)回火軟化使熱影響區(qū)板材硬度明顯下降。

2）激光切割和等離子切割時(shí)切口處硬度高于原板材。這是因?yàn)榍锌谔幇宀脑俅未慊穑掖慊鹄鋮s速率大于原板料淬火冷卻速率。與此同時(shí)，高速的激光束、離子流使切口處板材表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，兩者共同作用導(dǎo)致板材硬度升高?；鹧媲懈顣r(shí)切口處硬度低于原板材。