錳及熱處理參數對中碳低合金耐磨鋼組織與性能的影響

楊寶國

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南 250022）

0 前言

目前，我國大型礦山特別是露天礦的挖掘機、裝載機使用量不斷增加，鏟齒是其主要的磨耗件之一，消耗量很大，每年有相當數量鏟齒需要進口[1]。

傳統的鏟齒材料為高錳鋼，其特點是具有加工硬化性，即在使用過程中受沖擊應力作用以后具有很強的硬化能力。而鏟齒的實際工作受力情況屬于沖擊載荷不大的小能量多次沖擊形式，高錳鋼得不到充分加工硬化，其硬度和耐磨性無法得到有效提高。針對高錳鋼鏟齒存在的局限性，課題組提出了一種中碳低合金耐磨鋼材質，并著重研究了Mn含量及熱處理工藝對實驗鋼組織與性能的影響[1-5]。

1 實驗材料與方法

1.1 合金元素的確定

（1）碳

C是低合金耐磨鋼關鍵控制元素[2,6,7]，其含量的高低直接影響淬火后的基體馬氏體的類型,影響鋼的強度、硬度和韌性，從而影響鋼的耐磨性。碳量不同獲得硬度和韌性的匹配不同,而中碳合金則兼具較高硬度和良好韌性,故碳含量控制在0.4%～0.6%。

（2）錳

Mn在鋼中一部分固溶于鐵素體(或奧氏體)中，另一部分形成含錳合金滲碳體(Fe，Mn)3C。它是擴大奧氏體相區元素，隨其含量的增加，臨界溫度A4線上升，A3(GS線)下降。除了降低共析溫度外，還降低共析點的含碳量。因此，在相同含碳量及冷卻速度下，隨著鋼中含錳量增加，顯微組織中的珠光體不但細化，而且數量亦增多，鋼的強度和硬度上升，不降低鋼的塑性和韌性。能顯著地提高鋼的淬透性。與硅配合，既能提高強度、硬度，又能保持較高的沖擊韌度[3,6-10]。

（3）硅

Si在鋼中不形成碳化物，只形成固溶體，在鐵素體中的固溶強化作用較強,隨其含量的增加強度和硬度上升塑性有所下降,超過3%時明顯下降[3,7,10]。鋼中有少量的硅可減小Fe3C的厚度細化珠光體，硅還可以提高鋼的抗回火性能，但降低鋼的塑性和韌性，提高韌脆性轉變溫度，增大鋼在熱處理過程中的脫碳傾向，故其含量控制在0.5%～1.0%之間。

（4）鉻

Cr既能固溶于鐵素體中，又能與鋼中的碳形成多種碳化物，增加鋼的淬透性[3,6-10]。

根據各元素在鋼中的作用，本實驗鋼主要成分設計如表1。

表1 實驗鋼化學成分w%

1.2 實驗方法

1.2.1 試樣的制備

水玻璃砂造型，在酸性中頻無芯感應電爐中進行鋼水熔煉；1 600～650℃加入鋁絲脫氧，包內沖入稀土硅；澆注溫度為1 480～1 550℃；當溫度小于600℃時，開箱脫模，清理澆冒口。

1.2.2 熱處理工藝

根據中碳鋼的相變臨界點[3-7]，確定實驗鋼的熱處理工藝如圖1。奧氏體化溫度870/920/970℃×60 min；等溫溫度 230℃×120 min。

圖1 實驗鋼的熱處理工藝曲線

1.2.3 性能測試及組織觀察

硬度實驗采用HR-150A洛氏硬度儀進行測定，沖擊實驗選用全自動金屬擺錘沖擊試驗機，觀察顯微組織時所用的是奧林巴斯金相顯微鏡。

圖2 水冷時不同錳含量和奧氏體化溫度對實驗鋼性能的影響

2 實驗結果與分析

2.1 力學性能及分析

由圖2、3、4可知，隨著w(Mn)含量的增加沖擊韌性逐漸下降，隨著奧氏體化溫度的逐漸升高，沖擊韌性呈逐漸下降的趨勢。這是由于奧氏體化溫度升高，在相同保溫時間的條件下，溶入奧氏體中的合金元素和碳量增加，同時，奧氏體化溫度過高，使得晶粒粗大，從而降低室溫下的沖擊韌性。

圖3 空冷時不同錳含量和奧氏體化溫度對實驗鋼性能的影響

圖4 等溫淬火時不同錳含量和奧氏體化溫度對實驗鋼性能的影響

空冷沖擊韌性值最大,等溫鹽冷次之,水冷最低，這也符合一般規律。合金元素使共析碳含量降低，促進珠光體含量增加。錳使共析溫度降低，使珠光體分散度增加，細化珠光體，使鋼的沖擊韌性提高。

w(Mn)從1.3%～1.5%沖擊韌性略有下降，增加到1.7%后明顯下降；洛氏硬度先上升后下降。當錳含量較低時，錳元素能強化鐵素體、奧氏體；隨著錳量增加，組織中容易出現網狀鐵素體；回火脆性傾向增大并會導致鋼淬火組織中殘余奧氏體量增加，故硬度下降。隨奧氏體化溫度的升高，洛氏硬度呈下降趨勢。這是由于隨著奧實體化溫度升高，奧氏體中固溶合金元素量增加，使最終得到的組織中殘余奧氏體的合金含量增加，從而硬度呈下降趨勢。

由圖可知水冷組織洛氏硬度值最大，等溫鹽冷次之，空冷最大。水冷組織為馬氏體+鐵素體+殘余奧氏體；空冷組織為珠光體+鐵素體+殘余奧氏體；等溫鹽冷組織為下貝氏體+鐵素體+殘余奧氏體。洛氏硬度大小比較：馬氏體＞下貝氏體＞珠光體。

2.2 金相組織觀察及分析

2.2.1 錳對實驗鋼組織的影響

由圖5可看到,水冷后回火試樣的組織為回火馬氏體+殘余奧氏體+鐵素體，其中暗黑色為回火馬氏體,白亮的為鐵素體和殘余奧氏體。馬氏體的形態為針狀，隨著錳含量的增加，馬氏體量越來越少，鐵素體和殘余奧氏體量增加。原因是錳能降低馬氏體轉變點（Ms），降低奧氏體分解（析出碳化物）速度。

2.2.2 奧氏體化溫度對實驗鋼組織的影響

圖6是水冷處理+低溫回火得到的組織，暗黑色的是回火馬氏體，白亮色的是鐵素體和殘余奧氏體。由圖中可以看出隨著奧氏體化溫度升高，圖中的暗黑色區域變少，生成的馬氏體量減少。隨著奧氏體化溫度的升高，溶入奧氏體的合金量會增加，增加了奧氏體的穩定性，使得奧氏體向馬氏體轉變困難；而且奧氏體化溫度越高使得奧氏體晶粒長大，得到的馬氏體組織也粗大。

2.2.3 不同淬火方式對實驗鋼組織的影響

圖7是奧氏體化溫度870℃時試驗鋼通過不同淬火方式得到的顯微組織，由于870℃奧氏體化合金溶入量較少，合金元素的加入使C曲線右移，臨界冷卻速度降低。在等溫過程中得到組織主要為貝氏體+馬氏體，由于等溫時間較短所以貝氏體轉變量較少見圖3.7a；空冷時因冷卻速度較慢，在此過程中得到組織主要是珠光體+少量鐵素體見圖3.7b；水冷時因冷卻速度較快，又因合金元素的加入使C曲線右移，臨界冷卻速度降低，直接進入馬氏體轉變區域，故得到組織主要為馬氏體+少量鐵素體+殘余奧氏體見（C）。

3 裝機實驗

采用w(Mn)1.5%，870℃奧氏體化保溫1 h后等溫1 h得到的材質，在北方某露天礦的挖掘機上進行了產品的裝機實驗，結果證明，使用壽命比原高錳鋼材質的鏟齒提高80%～120%。

4 結論

通過對實驗鋼不同含錳量、不同熱處理工藝的對比分析，得出結論如下：

（1）w(Mn)從1.3%升至1.5%時硬度呈上升趨勢,當w(Mn)增至1.7%時硬度明顯下降。w(Mn)從1.3%升至1.7%時沖擊韌性值逐漸降低。

（2）等溫處理后得到的組織主要為馬氏體和下貝氏體，空冷得到組織主要是珠光體和少量鐵素體；水冷得到組織主要為馬氏體還有少量鐵素體和殘余奧氏體。

（3）w(Mn)1.5%時，870 ℃奧氏體化保溫1 h后等溫1 h得到的試樣的綜合力學性能最佳，沖擊韌性達到244.97 J/cm2，硬度為 HRC48.2；w（Mn）1.7%時 970℃時水冷得到鋼的沖擊韌性最差為41.93 J/cm2，洛氏硬度硬度最差為HRC43.7。

（4）實驗鋼材質用于礦山挖掘機鏟齒時，其使用壽命比高錳鋼材質提高80%～120%。

圖5 不同錳含量對（920℃+水冷）實驗鋼的顯微組織 ×1000倍

圖6 不同奧氏體化溫度水冷錳含量1.7%的試樣顯微組織 ×1000倍

圖7 奧氏化溫度為870℃+不同淬火方式實驗鋼的顯微組織 ×1000倍

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