淬火溫度對鉻鉬馬氏體耐磨鋼組織和力學性能的影響

馬文高

(四川鴻艦重型機械制造有限責任公司，四川 攀枝花 617063)

馬氏體耐磨鋼廣泛應用于礦山機械、工程機械及農機等裝備[1]。由于耐磨襯板的工況復雜，通常也采用馬氏體耐磨鋼制作。添加鉻、鉬等元素可使馬氏體耐磨鋼具有更高的強度、硬度和韌性[2- 4]。淬火可使鋼強化并獲得某些特殊性能[5- 8]。淬火溫度影響奧氏體晶粒度、合金元素在奧氏體中的溶解度、鋼的淬透性和馬氏體板條尺寸, 進而影響鋼的力學性能[9]。因此研究不同溫度淬火和回火后鋼的組織和性能，從而得到最佳的工藝規范，對提高耐磨鋼的使用壽命具有重要意義。本文研究了淬火溫度對鉻鉬馬氏體耐磨鋼組織和性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗用鉻鉬馬氏體耐磨鋼采用10 kg中頻感應爐熔煉，其化學成分如表1所示。采用 DIL805相變儀確定鋼的Ac3溫度為845 ℃。分別在880、900和920 ℃保溫1 h油淬，然后在200 ℃回火2 h。采用尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的無缺口沖擊試樣在JB- 500B型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。采用MLD- 10A型動載磨料磨損試驗機進行沖擊磨料磨損試驗，沖擊功1.5 J，磨料粒徑1.5目，沖擊時間分別為30、60和90 min。金相試樣經磨、拋后采用體積分數為4%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型掃描電子顯微鏡(SEM,scanning electron microscope)觀察試樣及其沖擊斷口形貌。采用EPMA- 8050G型電子探針對析出相進行定性分析。

表1 試驗用鉻鉬馬氏體耐磨鋼的化學成分 (質量分數)

2 試驗結果與討論

2.1 淬火溫度對力學性能的影響

圖1為淬火溫度對試驗鋼淬火和200 ℃回火后硬度和沖擊性能的影響。圖1表明： 隨著淬火溫度從 880 ℃提高至920 ℃，鋼的沖擊吸收能量從31 J 增加到58 J，硬度先升高后降低，900 ℃淬火的鋼硬度最高，為52 HRC。隨著淬火溫度的升高，淬火時形成的馬氏體中合金元素含量增加，鋼的硬度提高。但是淬火溫度繼續升高，導致組織粗大，因而920 ℃淬火的鋼硬度下降。920 ℃淬火、200 ℃回火的鋼的沖擊吸收能量平均值雖高于900 ℃淬火、相同溫度回火的鋼，但前者3次沖擊試驗結果的最低沖擊吸收能量低于后者的平均值。綜合來看，900 ℃淬火、200 ℃回火的試驗鋼力學性能最佳。

圖1 淬火、回火后鉻鉬馬氏體耐磨鋼的硬度和沖擊功吸收能量隨淬火溫度的變化

2.2 淬火溫度對組織的影響

由圖2、圖3可知，淬火、回火后鋼的組織均為板條馬氏體，較均勻。隨著淬火溫度從880升高至920 ℃，馬氏體逐漸粗化，900 ℃淬火、200 ℃回火的鋼馬氏體最細小；920 ℃淬火的鋼馬氏體較粗，即晶粒較粗大，晶界減少，對位錯的阻礙作用減弱，因此硬度降低[10]。

圖2 從不同溫度淬火和200 ℃回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼的顯微組織

圖3 從不同溫度淬火和200 ℃回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼的SEM形貌

此外，掃描電鏡觀察發現，880 ℃淬火、200 ℃回火的鋼組織中有細小析出相，采用電子探針對析出相進行了定性分析，結果如圖4所示。圖4表明：880 ℃淬火、200 ℃回火的鋼含有細小的碳化物，其成分除鉻、碳外，還含有一定量的Ti、V、Nb和Mo元素，且釩含量高于鈦、鈮和鉬含量。含V、Ti等合金元素碳化物的析出可提高鋼的強度、硬度，從而改善耐磨性[11- 14]。

圖4 880 ℃淬火、200 ℃回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼中的碳化物的電子探針定性分析

2.3 沖擊試樣斷口形貌

圖5～圖7分別為不同溫度淬火、相同溫度回火的鋼的沖擊試樣斷口形貌。圖5表明：隨著淬火溫度的升高，沖擊試樣斷口的韌窩數量增多。與880 ℃淬火的鋼相比，900 ℃淬火的鋼的沖擊試樣斷口韌窩深度顯著增加，沖擊吸收能量也從31 J提高到了52 J。920 ℃淬火、200 ℃回火的鋼的沖擊試樣斷口形貌與900 ℃淬火、200 ℃回火的鋼差異不大，都有大量韌窩，但920 ℃淬火的鋼的沖擊試樣斷口韌窩更多，沖擊吸收能量也從52 J提高到58 J。不同溫度淬火的鋼的沖擊試樣斷口都有白色球狀第二相，其EDS分析結果如圖8所示，為稀土氧化物，是韌窩的形成質點，可增加韌窩數量，提高韌性。

圖5 880 ℃淬火、200 ℃回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼沖擊試樣的斷口形貌

圖6 900 ℃淬火、200 ℃回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼沖擊試樣的斷口形貌

圖7 920 ℃淬火、200 ℃回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼沖擊試樣的斷口形貌

圖8 沖擊試樣斷口的稀土氧化物及其能譜分析

2.4 淬火溫度對沖擊磨料磨損性能的影響

圖9為不同溫度淬火、相同溫度回火的鋼的沖擊磨料磨損失重隨試驗時間的變化。從圖9可以看出，磨損試驗時間相同，900 ℃淬火的鋼的磨損失重明顯小于880和920 ℃淬火的鋼。

圖9 不同溫度淬火、相同溫度回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼的磨損失重與磨損試驗時間之間的關系

圖10為不同溫度淬火、相同溫度回火的鋼經沖擊磨料磨損試驗后的形貌。從圖10可以看出，920 ℃淬火、200 ℃回火的鋼磨損面的磨料嵌入區明顯多于880和900 ℃淬火、200 ℃回火的鋼，而880和900 ℃淬火的鋼磨損面的顯微切削區面積大于920 ℃淬火的鋼，且880 ℃淬火的鋼磨損面有明顯的裂紋。從上述力學性能和磨損失重分析可知，920 ℃淬火、200 ℃回火的鋼硬度低但韌性高，磨損試驗過程中有大量磨料嵌入區和塑性變形區，試樣表面因疲勞而發生剝落，磨損嚴重；880 ℃淬火、200 ℃回火的鋼硬度高但韌性低，在長期磨損試驗過程中易產生微裂紋并擴展，從而發生大片剝落；相對而言，900 ℃淬火、200 ℃回火的鋼具有更好的綜合力學性能。

圖10 從不同溫度淬火和200 ℃回火的鉻鉬馬氏體耐磨鋼沖擊磨料磨損試驗后的形貌

3 結論

(1)隨著淬火溫度從880 ℃提高至920 ℃，鉻鉬馬氏體耐磨鋼的沖擊韌性提高，沖擊吸收能量從31 J提高到了58 J；硬度先升高后下降，900 ℃淬火、200 ℃回火的鋼硬度最高，達52 HRC。900 ℃淬火、200 ℃回火的鋼的耐磨料磨損性能最好。

(2)淬火、回火后鉻鉬馬氏體耐磨鋼的組織為均勻的板條馬氏體，隨著淬火溫度從880 ℃提高至920 ℃，鋼的組織逐漸細化，900 ℃淬火的鋼馬氏體最細小。

致謝：本文工作是攀鋼集團項目支持下與上海大學先進凝固技術中心合作開展的，感謝上海大學先進凝固技術中心的老師和同學對樣品分析檢測工作給予的支持和幫助。