回火溫度對高強度截齒鋼組織和性能的影響

程巨強，劉志學，徐美玲，劉男杰

（西安工業大學材料與化工學院，陜西西安710032）

截齒是裝在采煤機滾筒上的切割刀具，采掘機械的采掘功率主要是通過截齒對煤層切割來消耗，截齒質量的好壞直接影響采煤機械生產效率。采煤生產中，截齒的失效形式主要有[1-3]：截齒的磨損，硬質合金頭的碎裂及脫落，截齒庫體材料的彎曲和斷裂等。從國內煤礦使用的截齒來看，截齒的庫體材質主要有40Cr、42CrMo、35CrMnSi等鋼種，由于現有截齒材料存在淬透性較差或熱處理工藝等原因，生產的截齒質量較差。據統計[4]，我國煤炭生產企業每采一萬噸煤消耗截齒400～1300個，截齒的消耗量很大。因此，研制新型的截齒材料，提高截齒的使用壽命，減少截齒消耗，降低采煤成本，具有重要的意義。本文研究了35SiMnMo截齒鋼正火后不同的回火溫度對其組織和力學性能的影響，為35SiMn-Mo在截齒方面的應用奠定試驗數據。

1 試驗材料及試驗過程

實驗材料35SiMnMo，材料的制備工藝為：電爐冶煉、澆注成φ200 mm的鋼錠、鑄錠清理、鋼錠加熱、鍛造成φ20 mm的棒料和15mm×15mm方料，加工成10mm×10mm×55mm的U型缺口沖擊試樣。

正火熱處理工藝為900℃×1h空冷。正火后不同的回火溫度為：不回火，200℃，250℃，300℃，350℃，400℃，450℃，500℃，550℃，600℃的回火，回火保溫時間2h。

利用CMT5105型萬能材料試驗機試驗測試不同回火溫度試驗材料的力學性能。利用JB-30型擺錘式沖擊試驗機測試材料的沖擊韌度。用HR-150A洛氏硬度儀測試不同熱處理材料的硬度。利用Neophot-30型光學金相顯微鏡觀察不同回火溫度試驗材料的金相組織，腐蝕液為4%的硝酸酒精溶液。在HITACHIS2570型掃描鏡下觀察沖擊斷口形貌。

2 試驗結果及分析

2.1 不同回火溫度對試驗材料力學性能的影響

圖1是正火后不同的回火溫度對試驗材料力學性能的影響曲線。可以看出，250℃以下回火，隨著回火溫度的提高，抗拉強度增加，250℃回火抗拉強度出現最高值，強度為1730MPa，超過250℃回火，試驗材料的抗拉彈度降低。300℃以下回火，隨著回火溫度的提高，沖擊韌度提高，300℃沖擊韌性出現峰值，在400℃沖擊韌度值最低，出現回火脆性，出現回火脆性的原因與組織中馬氏體、貝氏體和板條界上的殘余奧氏體在回火時的分解有關。試驗材料的硬度值在200～300℃回火，變化不大，超過300℃回火，材料的硬度下降。因此，試驗材料900℃正火+250℃回火，可獲得超高強度和一定沖擊韌度，此時獲得的力學性能為：強度（σb）1730MPa，沖擊韌度（AKU）55J，HRC58。900℃正火+250℃回火試驗材料的硬度和沖擊韌度遠高于煤炭行業國家標準對硬度和沖擊韌度的要求（齒頭HRC≥40，AKU≥49J/cm2）[5]。900℃正火+600℃低溫回火，試驗材料可獲得高強度和高的沖擊韌度，此時獲得的力學性能為：強度（σb）930MPa，沖擊韌度（AKU）126J，HRC35。因此，結合截齒的生產工藝，利用35SiMnMo制造截齒時，感應加熱釬焊硬質合金后空冷，截齒頭部應具有較高的強度、硬度和耐磨性，而柄部硬度較低，具有較高的沖擊韌度，以滿足采煤機截齒工作要求。上述截齒鋼力學性能隨不同溫度回火變化的原因，與試驗材料在回火過程發生組織分解有關。

圖1 回火溫度對試驗材料力學性能影響

2.2 不同回火溫度對試驗材料的組織影響

圖2 900℃正火不同溫度回火的金相組織

圖2是900℃正火不同溫度回火后的金相組織。由圖可以看出，900℃正火后不回火的組織為馬氏體、貝氏體和少量的奧氏體，馬氏體基體上分布的貝氏體以針狀形式存在（圖2a），應為下貝氏體組織；200℃～300℃回火時，組織形貌變化較小，均為回火馬氏體、貝氏體組織和少量殘余奧氏體組織（圖2b、圖2c）；400℃回火，組織中分解有少量的顆粒狀滲碳體（圖2d）；500℃回火（圖2e）組織中的貝氏體鐵素體和殘余奧氏體已發生分解，形成滲碳體并有聚集長大的趨勢，但組織仍保持原馬氏體、貝氏體組織的位向；隨回火溫度的提高，600℃回火（圖2f），組織為粒狀滲碳體和鐵素體組織，即為典型的回火索氏體組織。

圖3為900℃正火后200℃、400℃、600℃回火沖擊韌度試樣斷口掃描（SEM）照片。可以看出，200℃回火斷口特征主要為韌窩形式，屬于韌性斷口特征。400℃回火斷口為準解理斷口特征，屬于脆性斷口特征，600℃回火，斷口為韌窩形式，存在大量塑性變形痕跡，屬于韌性斷裂特征，不同回火沖擊韌度試樣斷口與沖擊韌度值具有良好的對應關系。

圖3 900℃正火不同溫度回火沖擊斷口SEM照片

3 結論

（1）35SiMnMo鋼900℃正火不同溫度回火熱處理，強度在200℃回火出現最高值，沖擊韌度在300℃回火出現峰值，400℃回火出現回火脆性，超過400℃回火沖擊韌度上升。

（2）35SiMnMo鋼在900℃正火+250℃回火可獲得超高強度和一定沖擊韌度，此時獲得的力學性能為：σb=1730Mpa，AKU=51J，HRC58。組織為馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體；900℃正火+600℃高溫回火可獲得高強度和高韌度配合，此時獲得的力學性能為：σb=961MPa，AKU=126J，HRC35，組織為回火索氏體。

（3）900℃正火200℃及600℃回火試驗材料的沖擊韌性斷口機理為韌窩機制，屬于韌性斷裂特征。400℃回火沖擊斷裂機制為準解理斷裂，屬于脆性斷裂特征。

[1]申勝利.采煤機和掘進機截齒的失效分析及對策[J].煤礦機械，2005，（7）：53～55.

[2]高采云，趙運才.礦用截齒失效原因及其對策探討[J].礦山機械，2000，（12）：25.

[3]康曉敏，張平，李貴軒.采煤機截齒失效研究與實踐[J]，煤礦機械，2005，（9）：32～33.

[4]楊瑞林，李力軍.采煤機截齒的磨損失效分析（磨損失效分析案例匯集）[M].北京：機械工業出版社，1985：154～159.

[5]MT/T246-2006采掘機械用截齒[S].