低合金耐磨钢热处理工艺探讨

刘玉春,冯宪琴

(张家口职业技术学院,张家口075000)

摘要:研究热处理工艺对轧机牌坊耐磨复合衬板工作层低合金耐磨钢力学性能的影响。原热处理工艺处理后工作层材料耐磨性不能满足使用要求,使用70天失效。研究结果发现淬火温度低于900 时,低合金耐磨钢硬度随淬火温度升高而升高,淬火温度高于900 时,硬度反而下降。淬火温度高于930 时,冲击韧性有所下降。回火温度高于460 时,硬度明显降低。随着回火温度升高,冲击韧性和断裂韧性提高。回火温度高于410 时,延伸率和断面收缩率大幅度提高。350 回火后耐磨性最佳。低合金耐磨钢采用以下热处理工艺最佳:900~920 喷雾淬火后350~370 回火。

关键词:热处理;力学性能;耐磨性

中图分类号:TG156 文献标识码:A 文章编号:1671 3133(2009)07 0079 04

The i nvesti gati on on heat treat m ent process of the

lo w alloy wear resistant steel

L I U Yu-chun,FENG X ian-q i n

(Zhang jiakou Vocational and Techn ical Co llege,Zhang jiakou075000,H ebe,i C HN)

Abstrac t:The effects of heat treat m ent process on the m echan ical properties of t he l ow a ll oy wear resistant steel are i nvesti gated. It is f ound tha t the hardness o f t he steel i ncreases w it h t he quenching te m pera t ure when the te m pera t ure T<900 ,bu t decrea-ses,w hen T>900 .W hen quench i ng te m perat ure T>930 ,no apparent change i n i m pact toughness is f ound.W hen te m peri ng te m pe ra t ure T>460 ,t he ha rdness decli nes obv i ousl y.I mpact toughness and fract ure toughness i ncrease w ith te m pering te mper-a t ure.l onga ti on and area reducti on i ncrease greatl y when temper i ng te m perature T>410 .W ear resistance is the bestwhen te m-pering te m pera t ure i s350 .A heat trea t m ent process f o r t he l ow all oy wear resistant steel i s recomm ended,.i e.fog quench i ng at 900~920 and te m peri ng at350~370 .

K ey word s:heat trea t m en t;m echan i ca l property;wear resistance

0 引言

轧机牌坊耐磨复合衬板要求具有较好的机械性能和较高的耐磨性,原使用A3钢板,热处理后不能满足使用要求,平均使用70天失效,为提高使用寿命,笔者改用低合金耐磨材料,对耐磨复合衬板的热处理工艺进行探讨。研究了热处理工艺对材料力学性能和耐磨性的影响,为耐磨复合材料的热处理提供参考,并在生产中获得很好的使用效果。

1 试验条件

1 1 试样材料

试样采用电弧炉生产的低合金耐磨钢,试样由热轧并退火的厚12mm钢板上获取,其化学成分见表1。

表1 低合金耐磨钢化学成分%

C S i M n C r N i M o B V K N a

0 5~1 00 5~1 00 8~1 20 5~1 50 4~0 60 4~0 80 005~0 0150 05~0 100 08~0 150 08~0 15

1 2 试验方法

试样热处理在高温箱式电阻炉内加热。在J B30A 型摆锤式冲击试验机上测试冲击韧性a k,试样尺寸为10mm 10mm 55mm,无缺口。在I nstron1251型动静万能疲劳试验机上测试断裂韧性,试样尺寸为10mm 10mm 55mm,并加工出深2mm,宽0 2mm的缺口。

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用HR2150A 型硬度计测定硬度。抗拉强度 b 、延伸率 和断面收缩率 采用10mm 10mm 150mm 试样,在W E230型万能材料试验机上进行测试,跨距为100mm 。在MM 2200型磨损试验机上进行磨损试验,磨损试样尺寸为10mm 10mm 20mm 。对比试样尺寸为45mm 10mm 的正火态40Cr 试块,硬度为52~55HRC ;试验时间为240m i n ,载荷为250N,转速为400r/m i n 。用精度0 1m g 的电光分析天平测定试样的磨损量,磨损试验取3个试样的平均值。

2 试验结果及分析

2 1 淬火冷却方式对低合金耐磨钢淬透性的影响

为了制定合理的热处理工艺参数,首先对多元低合金耐磨钢的基本特性进行了测试,采用膨胀法在G leeb le21500热应力应变模拟试验机上测得了钢的各相变临界点,试样尺寸为 8mm 60mm 。试验测得临界点A c 1,A c 3,M s 和M f 分别为782 ,845 ,294 和98 。经920 加热6h 后测得钢的奥氏体晶粒度为8~9级,表明在920 以下加热时,钢的奥氏体晶粒度尺寸均很细小,其长大倾向也很小。

淬火冷却方式对低合金耐磨钢淬透性的影响如图1所示。由于低合金耐磨钢中含有较多的提高淬透性的元素,具有良好的淬透性,在雾冷条件下可以淬硬。该合金中碳质量分数较高,导热性差,高温塑性差,水冷和油冷时易产生裂纹,因此,试样淬火全部采

用喷雾冷却处理。

图1 淬火冷却方式对低合金耐磨钢淬透性的影响

2 2 淬火温度对低合金耐磨钢力学性能的影响

淬火温度对低合金耐磨钢强度和硬度的影响如图2所示。淬火温度低于900 时,随着淬火温度升高,硬度升高,之后随淬火温度升高,硬度反而下降,但在860~940 时,低合金耐磨钢具有很高的淬硬性能,这是因为淬火温度较低,溶于高温奥氏体中的碳和合金元素少,淬火组织中除了出现贝氏体、马氏体组织外,还有少量珠光体组织出现;淬火温度过高,溶入高温奥氏体中的碳和合金元素增多,奥氏体稳定性增强,淬火组织中有部分残留奥氏体存在,因此硬度

反而下降。淬火温度低于900 时,淬火温度对低合金耐磨钢抗拉强度的影响与硬度影响规律相似,淬火温度高于900 时,淬火温度对抗拉强度影响不明显,这是因为随着淬火温度升高,高温奥氏体中溶解的碳和合金元素增多,淬火组织中含有较多的碳和合金元素,使组织得到强化,因此抗拉强度提高。淬火温度高于900 后,尽管淬火组织中的碳和合金元素会随着淬火温度升高而进一步增多,淬火组织强度会进一步提高,但由于高温奥氏体稳定性增加,淬火组织中出现低强度的奥氏体组织,综合作用的结果导致抗拉

强度变化不明显。

图2 淬火温度对低合金耐磨钢强度和硬度的影响

淬火温度对低合金耐磨钢冲击韧性和断裂韧性的影响如图3所示。淬火温度低于920 时,淬火温度对钢的冲击韧性影响不明显,淬火温度高于920 时,冲击韧性略有下降,主要原因是淬火温度低于920 时,由于钢中含有较多的微合金元素,具有优良的抗晶粒长大能力,晶粒变化不大,淬火组织细小、均匀,冲击韧性变化不明显,淬火温度高于920 ,钢的晶粒不断长大,冲击韧性略有下降。淬火温度对断裂韧性影响不明显,因淬火温度高于920 ,

尽管钢的晶

图3 淬火温度对低合金耐磨钢冲击韧性和断裂韧性的影响

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粒不断长大,使断裂韧性降低,但淬火组织中残余奥氏体增多,促使断裂韧性提高,综合作用结果导致钢的断裂韧性变化不明显。

2 3 回火温度对低合金耐磨钢力学性能的影响

低合金耐磨钢经900 加热淬火后在不同温度下回火1 5h ,钢的硬度、抗拉强度、冲击韧性、断裂韧性、延伸率和断面收缩率随回火温度升高所发生的变化如图4、图5、图6

所示。

图4 回火温度对低合金耐磨钢硬度和抗拉强度的影响

由图4可知,回火温度低于200 时,硬度值变化不大,随着回火温度升高,钢的硬度下降缓慢,450 回火后,与淬火态相比,硬度仅降低5HRC ,表明由于各种回火转变的温度区间提高使得钢具有高回火稳定性。回火温度高于450 时,随着回火温度升高,硬度明显降低,这是因为高温下回火,材料组织由马氏体转变成珠光体,因此硬度明显降低。

由图4可知,钢的抗拉强度随回火温度升高的变化规律与硬度相似,随回火温度升高,钢的抗拉强度明显下降,但在温度高于450 ,抗拉强度的下降趋势比硬度下降趋势平缓,淬火钢的抗拉强度低表明淬火内应力的存在会降低钢的强度。

由图5可知,随着回火温度升高,钢的冲击韧性提高,但回火温度低于马氏体转变温度294 时,由于其相变应力没能得到充分消除,因而其冲击韧性较低。当回火温度超过300 ,在贝氏体/马氏体复相组织中析出均匀弥散并和基体保持共格关系的 碳化物,降低贝氏体/马氏体复相组织的含碳量,从而明显增加钢的韧性。当回火温度升高到400 时,钢中 碳化物含量逐渐减少,而残留奥氏体逐渐分解,同时析出与基体非共格的脆性渗碳体,导致钢的冲击韧性值降低。随后,大量渗碳体从贝氏体/马氏体复相组织中析出,明显降低贝氏体/马氏体含碳量,虽然渗碳体的含量也进一步增加,但是此时钢中贝氏体/马氏体的含碳量较低,基体具有很高的韧性,因此回火温度高

于450 后,钢的整体冲击韧性开始回升。与各回火态钢的冲击韧性相比,淬火态钢的冲击韧性最低,但其数值仍高达12J /c m 2

,表明淬火钢的韧性也是较好的,这是由于淬火钢中具有高韧性细小位错马氏体、

少量贝氏体及残余奥氏体薄膜所致。

钢的断裂韧性随回火温度升高的变化规律与冲

击韧性的变化规律相似。

图5 回火温度对低合金耐磨钢冲击韧性和断裂韧性的影响

由图6可知,回火温度低于400 时,钢的延伸率和断面收缩率都较低,当回火温度高于400 时,随着回火温度升高,其组织由回火马氏体变成了珠光体,随着珠光体的形成,钢的塑性显著提高,因此延伸率

和断面收缩率大幅度提高。

图6 回火温度对低合金耐磨钢延伸率和断面收缩率的影响

2 4 回火温度对低合金钢耐磨性的影响

低合金耐磨钢经900 加热淬火后在不同温度下回火1 5h ,回火温度对低合金耐磨性的影响如图7所示。尽管钢的硬度随回火温度的升高而单调下降,但耐磨性并没有随着回火温度升高而单调下降,在300 以下回火,耐磨性略有降低,300 以上回火,耐磨性反而迅速提高,350 回火后耐磨性达到最大值,以后随回火温度的进一步升高耐磨性不断下降,这种耐磨性与回火温度的特殊关系与钢的冲击韧性有关。材料磨损过程中,磨损率W t 由两部分组成,即W t =W c +W f ,式中W c 为切削机制引起的磨损,它主要决定于材料的硬度;W f 为疲劳机制引起的磨损,反映材料

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的韧性,因此磨损与材料的硬度和韧性两个因素有关。350 左右回火时,韧性较高,硬度也较高,具有较优异的综合力学性能,因此耐磨性最佳。此后随着回火温度的进一步升高,尽管材料的韧性明显提高,但硬度也大幅度下降,因此耐磨性仍然下降。淬火态试样尽管硬度最高,但应力大,韧性低,磨损中易发生疲劳剥落,因此耐磨性也较低。此外,耐磨性与回火温度的特殊关系与钢的弹性极限也有关,众所周知,含碳0 6%~0 8%的碳钢和合金钢,经淬火和中温回火后具有极高的弹性极限,用于制造弹簧,可以承受较大的变形后仍能弹性回复而不发生塑性变形。低合金耐磨钢含碳量为0 6%~1 0%,淬火和中温回火后同样具有极高的弹性极限,其耐磨性显著高于低温回火和高温回火,其可能的原因是:1)提高弹性极限,可以使钢受载时产生较大的弹性变形,减少塑性变形量,而弹性变形在外力去除后能回复,不会造成磨损,从而提高耐磨性;2)从能量的观点看,提高钢的弹性极限,可以提高弹性比功,在磨损载荷相同时,有较多的能量转化为弹性能,减少了用于塑性变形、裂纹萌生及扩展能量,延缓了裂纹的萌生与扩展,有利于耐磨性的提高,回火温度超过350 ,随回火温度提高,硬度降低,弹性极限也降低,

导致耐磨性下降。

图7 回火温度对低合金耐磨钢耐磨性的影响

结合上述基础研究,耐磨复合衬板工作层材料的最优热处理工艺为:900~920 雾冷淬火、350~370 回火。低合金耐磨钢热处理后的组织由回火马氏体+贝氏体+颗粒状碳化物组成,这一组织具有优良的综合力学性能和良好的耐磨性。

3 结语

低合金耐磨钢在860~940 雾冷淬火,具有很好的淬硬性能,淬火温度低于920 ,具有优异的抗晶长大性能。经900~920 加热淬火与350~370 中温回火后,获得细小的回火马氏体组织+贝氏体+颗粒状碳化物,具有高强度、高硬度、高韧性和优异的耐磨性。其主要性能指标如下:硬度大于60HRC ,抗拉强度大于1600M Pa ,冲击韧性大于18J/c m 2

,断裂韧性大于37M Pa m 1/2

。

为了满足轧机牌坊耐磨复合衬板的使用,低合金耐磨钢的最优热处理工艺为:900~920 雾冷淬火、350~370 回火。应用上述热处理工艺制造的复合衬

板应用于轧机牌坊上,使用4个月后仅磨损0 5mm,比改进前的衬板寿命提高3倍以上。

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作者简介:刘玉春,专职教师,双师型教师,主要从事金属材料与热

处理、机械制图等课程的理论教学和专业实习及学生毕业设计、论文的指导工作。曾主研阀控式铅酸蓄电池板栅材料,通过省级鉴定,并产业化。

E -m ai :l yc19570909@126.co m 收稿日期:2008-11-26

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