回火后冷卻方式對鉻鉬耐磨鑄鋼力學性能和顯微組織的影響

馬文高 陳湘茹 翟啟杰

(1.四川鴻艦重型機械制造有限責任公司，四川 攀枝花 617063； 2.先進凝固技術中心，上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

球磨機是采礦行業常用的機械設備，襯板是球磨機的關鍵部件。據有關文獻報道，工業化國家磨料磨損的總成本高達國民生產總值的1%～4%[1]，因此如何提高襯板的綜合性能是重要的研究課題。硬度和韌性是耐磨鋼的主要性能指標，其合理匹配對襯板的使用壽命有直接影響[2]。

合金化和熱處理是確保耐磨襯板用鑄鋼性能的主要手段，合理的熱處理工藝是獲得高硬度、高韌性耐磨襯板的關鍵[3- 4]。耐磨襯板的熱處理工藝通常為正火、淬火和回火。本文研究了經過淬火的鉻鉬耐磨鑄鋼回火后的冷卻方式對其顯微組織和力學性能的影響。

1 試驗材料和方法

試驗用鋼采用10 kg中頻感應爐冶煉，用砂型澆鑄成基爾試塊，從試塊底部切取尺寸為22 mm×22 mm×60 mm的試樣3塊，其化學成分如表1所示，熱處理工藝如圖1所示。將熱處理后的試樣加工成標準無缺口沖擊試樣，然后在JB- 500B半自動沖擊試驗機上進行沖擊試驗。利用69- 1型布洛維光學硬度計測定洛氏硬度，試驗力為150 kg，測10個點取平均值。金相試樣經磨、拋后采用體積分數為2%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掃描電鏡(SEM)分析沖擊試樣的斷口形貌，采用EPMA- 8050G型場發射電子探針(EPMA)檢測元素分布和熱處理后的顯微組織。采用MLD- 10型動載荷磨料磨損試驗機進行沖擊磨料磨損試驗，沖擊功1.5 J，沖擊頻率200 次/min，磨料為粒徑8～16目(2.36～1.00 mm)的石英砂，采用電子分析天平稱量磨損試驗前后的失重。

表1 試驗用鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the investigated steel (mass fraction) %

圖1 熱處理工藝Fig.1 Heat treatment process

2 試驗結果與分析

回火后以不同方式冷卻的鋼的力學性能如圖2所示。從圖2可以看出，回火后以不同方式冷卻的鋼的硬度無明顯差異，但回火后油冷、空冷和爐冷的鋼的沖擊吸收能量依次降低。

圖2 回火后以不同方式冷卻的鉻鉬耐磨鑄鋼的硬度(a)和沖擊吸收能量(b)Fig.2 Hardness (a) and impact absorption energy (b) of the wear- resistant cast chrome- molybdenum steel cooled by different methods after tempering

回火后以不同方式冷卻的鋼的顯微組織如圖3所示。從圖3可以看出，回火后冷卻方式不同的鋼組織均為回火索氏體，部分回火索氏體仍保留了馬氏體位相。

圖3 回火后油冷(a)、空冷(b)和爐冷(c)的鉻鉬耐磨鑄鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of the wear- resistant cast chrome- molybdenum steel cooled in oil (a), air (b) and furnace (c) after tempering

回火后以不同方式冷卻的鋼的SEM圖像如圖4所示。從圖4可以看出，3種方式冷卻的鋼的掃描電鏡組織相似，均有一定數量尺寸為200～300 nm的球狀析出相，但與空冷和爐冷的鋼相比，油冷的鋼中球狀析出相的數量明顯減少。這是因為油冷速度較快，馬氏體難以分解，顯微組織中的球狀碳化物全部形成于回火過程中；而空冷和爐冷速度較慢，在冷卻過程中會繼續形成新的碳化物，從而導致油冷的鋼的碳化物數量明顯少于空冷和爐冷的鋼。這些球狀碳化物對鋼有一定的強化作用，因為材料發生形變時，位錯難以繞過這些硬質析出相。但同時基體的韌性會有一定程度的降低。

圖4 回火后油冷(a)、空冷(b)和爐冷(c)的鉻鉬耐磨鑄鋼的SEM圖像 Fig.4 SEM micrographs of the wear- resistant cast chrome- molybdenum steel cooled in oil (a), air (b) and furnace (c) after tempering

采用電子探針檢測了回火后油冷的鋼中元素分布情況，結果如圖5所示。從圖5可以看出，球狀析出相主要含Cr、V、Nb和C元素，即為含Cr、V和Nb的碳化物。這是因為Cr、V和Nb是強碳化物形成元素，在高溫回火過程中易與C元素結合而析出，且Nb和C形成的MC型碳化物硬度高[5]，因此常用作耐磨性要求較高的零件的添加劑[6- 9]。含V耐磨合金鋼高溫淬火后能獲得高硬度[10- 11]，能在一定程度上提高鋼的耐磨性。Si和Mn元素主要固溶于基體，有一定的固溶強化作用。

圖5 回火后油冷的鉻鉬耐磨鑄鋼的元素分布Fig.5 Element distribution in the wear- resistant cast chrome- molybdenum steel cooled in oil after tempering

回火后冷卻方式不同的鋼的沖擊試樣斷口形貌如圖6所示。從圖6可以看出，回火后以3種方式冷卻的鋼的沖擊試樣均為準解理斷裂，且斷口無韌窩；回火后油冷的鋼的沖擊試樣斷口的斷裂刻面尺寸較小，數量較多，在沖擊力作用下吸收的能量更多，因而沖擊韌性較高，這與上述沖擊性能數據相對應。

圖6 回火后油冷(a)、空冷(b)和爐冷(c)的鉻鉬耐磨鑄鋼沖擊試樣的斷口形貌Fig.6 Fracture patterns of impact specimens for the wear- resistant cast chrome- molybdenum steel cooled in oil (a), air (b) and furnace (c) after tempering

回火后以不同方式冷卻的鋼的磨損量與沖擊磨損試驗時間之間的關系如圖7所示。從圖7可以看出，隨著磨損試驗時間的延長，回火后冷卻方式不同的鋼的磨損量均隨著磨損試驗時間的延長而明顯增大，油冷鋼的磨損量最大，爐冷鋼的磨損量最小。

圖7 回火后以不同方式冷卻的鉻鉬耐磨鑄鋼的磨損量與沖擊磨損試驗時間之間的關系

回火后以不同方式冷卻的鋼沖擊磨料磨損試驗后的形貌如圖8所示。圖8表明：磨損試驗時間相同、回火后以不同方式冷卻的鋼的形貌相似，均有顯微切削、塑性變形和磨料嵌入等區域。但油冷鋼的磨料嵌入區和塑性變形區面積較大，而空冷鋼的磨損面以顯微切削區為主。此外，爐冷鋼有明顯的微裂紋。其原因是：以3種方式冷卻的鋼硬度接近，但油冷鋼的沖擊韌性較高，磨損試驗時間和沖擊吸收能量相同時，更易被磨料磨損，磨損失重急劇增大；爐冷鋼的沖擊韌性較差，磨損試驗時間和沖擊吸收能量相同時，磨損量較小，但容易產生微裂紋，會導致襯板在使用中斷裂；空冷鋼的磨損以顯微切削為主，綜合性能最好，因此空冷是回火后最好的冷卻方式。

3 結論

(1)回火后冷卻方式對鉻鉬耐磨鑄鋼的硬度無明顯影響，但隨著回火后冷卻速度的增大，鋼的沖擊韌性明顯改善。

圖8 回火后以不同方式冷卻的鉻鉬耐磨鑄鋼試樣沖擊磨料磨損試驗2 h后的微觀形貌Fig.8 Microscopic appearances of the wear- resistant cast chrome- molybdenum steel samples cooled by different methods subsequent to tempering after impact abrasive wear test for 2 h

(2)回火后油冷、空冷和爐冷的鉻鉬耐磨鑄鋼的顯微組織均為回火索氏體，但與空冷和爐冷的鋼相比，油冷的鋼的球狀碳化物明顯減少，因此強度較低，但沖擊韌性明顯較好。

(3)回火后空冷有利于提高鉻鉬耐磨鑄鋼的耐沖擊磨料磨損性能。