熱切割對預(yù)硬化耐磨板材硬度的影響

羅德昭

中國鐵建高新裝備股份有限公司，昆明 650215

隨著鐵路建設(shè)快速發(fā)展，鐵路養(yǎng)護設(shè)備對耐磨零件的需求大量增加，對所用材料的耐磨性也提出更高要求。預(yù)硬化耐磨板材因具有使用性能良好、強度和硬度較高、使用時不需熱處理、易于焊接和切削、成型性能好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用［1-3］。

預(yù)硬化耐磨板材是一種低合金高強度耐磨鋼，生產(chǎn)工藝為在鋼鐵材料中加入多種合金元素，熱軋后直接淬火或者冷卻到室溫后，再加熱淬火。耐磨板材的微觀組織對其性能有較大影響，組織越細小越均勻，材料的硬度就越高［4-5］。經(jīng)過預(yù)硬化處理后板材的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能發(fā)生變化，其顯微組織多以馬氏體硬化相為主，合金元素的加入使其強度和硬度增加。

預(yù)硬化耐磨板材供貨狀態(tài)為淬火態(tài)。由于板材供貨尺寸較大，在實際使用過程中須進行切割處理。切割方法有冷切割和熱切割。冷切割分為線切割、水刀切割等。熱切割分為火焰切割、等離子切割、激光切割等。火焰切割是利用氣體燃燒的高溫將板材切開；等離子切割是利用等離子電弧將板材切開；激光切割是利用激光強聚焦能力及高能量使板材快速加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成孔洞，隨著光束與材料相對移動，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，從而完成金屬板材的切割。

在耐磨零件毛坯制備過程中，熱切割憑借效率高、成本低成為工廠首選下料方法。熱切割下料時，大量熱量使切口附近金屬性能發(fā)生變化，對加工零件的應(yīng)用及后續(xù)工序有一定影響。因此，選擇合適的切割方法對預(yù)硬化耐磨鋼板的加工成本、精度及預(yù)期壽命有重要影響。

近年來隨著大功率激光發(fā)射器的研究成功并投入應(yīng)用，激光技術(shù)在熱切割領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。激光切割因具有熱影響區(qū)窄、工件變形小、基本無毛刺、無褶皺、精度高、成本低、效率高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用［6-9］，但切割時產(chǎn)生的高溫會使材料組織發(fā)生改變，使用性能大幅下降。文獻［10-13］對激光切割Q345 碳鋼、鈦合金、鋁合金、304 不銹鋼的工藝參數(shù)及設(shè)備進行了研究，優(yōu)化了工藝參數(shù)，但對熱影響區(qū)微觀組織的影響沒有研究。目前激光切割對預(yù)硬化耐磨板材硬度影響的研究較少。

本文以厚度20 mm 進口Hardox500 預(yù)硬化耐磨板材為試驗用材料，通過試驗分析熱切割對其硬度及組織的影響，為耐磨零件加工過程中選擇相應(yīng)的熱切割方法提供參考。

1 熱切割試驗材料

1.1 預(yù)硬化耐磨板材生產(chǎn)工藝和化學(xué)成分

預(yù)硬化耐磨板材生產(chǎn)工藝見圖1，化學(xué)成分見表1。

表1 預(yù)硬化耐磨板材化學(xué)成分 %

圖1 預(yù)硬化耐磨板材生產(chǎn)工藝

1.2 力學(xué)性能

預(yù)硬化耐磨板材力學(xué)性能見表2。

表2 預(yù)硬化耐磨板材力學(xué)性能

屈服強度1 400 MPa、抗拉強度1 600 MPa，說明該耐磨板材具有較高的強度；延伸率10%說明其塑性較好，具有良好的成型能力；碳當(dāng)量0.41%，說明在焊接時不易發(fā)生冷裂紋，具有優(yōu)異的焊接性；硬度50 HRC，說明其具有較好的耐磨性能。

經(jīng)測定試驗用板材硬度范圍為49～51 HRC，不同位置硬度波動不大。硬度測試值與原板材質(zhì)保書中硬度吻合。

1.3 顯微組織

取供貨狀態(tài)的預(yù)硬化耐磨板材制備金相試樣，其顯微組織見圖2。可見：沒有粗大晶粒，組織均勻細小；以板條狀馬氏體為主，有少量奧氏體；板條狀馬氏體和奧氏體由于軋制加工被壓扁。

圖2 預(yù)硬化耐磨鋼板金相顯微組織

預(yù)硬化耐磨板材的硬度主要取決于板條狀馬氏體組織的形貌，而板條狀馬氏體組織的形貌是由耐磨板材的化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝決定。板材淬火時奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀馬氏體。與一般淬火鋼相比，預(yù)硬化耐磨板材中碳含量0.3%，過飽和度小，晶格畸變，淬火后板材硬度和強度高，塑性和韌性良好［14］。

預(yù)硬化耐磨板材中合金元素的加入，不但提高了鋼的淬透性，更容易形成板條狀馬氏體組織，而且能提高馬氏體的固溶強化效果，起到細化晶粒的作用，使預(yù)硬化耐磨板材具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。通過調(diào)整軋制變形量使奧氏體晶粒被拉長壓扁，通過高冷卻速率使奧氏體轉(zhuǎn)變成板條狀馬氏體的過程中保留壓扁的細小組織［15-16］。同時由于快速冷卻在板條狀馬氏體組織中繼承了奧氏體中的高密度位錯，從而提高了板材的強度和硬度。此外預(yù)硬化耐磨板材碳含量低，其馬氏體開始轉(zhuǎn)變的溫度較高，在淬火過程中會發(fā)生自回火現(xiàn)象，析出滲碳體，使位錯組織穩(wěn)定，起到析出強化的作用［17］。

2 熱切割試驗及結(jié)果分析

2.1 熱切割對預(yù)硬化耐磨板材硬度的影響

采用火焰切割、等離子切割、激光切割三種方法分別切割板材，用砂紙去除表面脫碳層，垂直于切口方向由近及遠依次測量其硬度。

不同切割方法下熱影響區(qū)硬度分布見圖3。

圖3 不同切割方法下熱影響區(qū)硬度分布對比

由圖3可知：

1）火焰切割時切口附近硬度明顯下降，距切口2.5 mm 處硬度只有22 HRC，之后硬度升高，20.0 mm之后硬度達到板材原始硬度（50 HRC）。火焰切割熱影響區(qū)范圍為距切口0～20.0 mm。等離子切割時切口處硬度（54 HRC）高于板材原始硬度，隨著距切口距離增加硬度快速降低，距切口2.0 mm處降至32 HRC，然后硬度開始升高，距切口8.0 mm 處硬度逐漸接近板材原始硬度。等離子切割時熱影響區(qū)范圍為距切口0～8.0 mm。激光切割時切口處硬度達到57 HRC，距切口1.0 mm處硬度最低，其值為36 HRC，隨后硬度逐漸升高，距切口2.0 mm 處硬度接近板材原始硬度，激光切割熱影響區(qū)范圍為距切口0～2.0 mm。

從整體來看，熱切割后板材熱影響區(qū)硬度較板材原始硬度大幅下降。這是因為熱切割所產(chǎn)生的大量熱量使切口附近區(qū)域板條狀馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，發(fā)生軟化現(xiàn)象。

2）與火焰切割相比，激光切割和等離子切割時切口處硬度都超過板材原始硬度。這是因為激光切割和等離子切割加熱速度快，幾乎在瞬間板材被加熱到熔點，隨后在很短時間內(nèi)快速冷卻，切口處板材被再次淬火，且淬火冷卻速率大于板材供貨狀態(tài)時的淬火冷卻速率，同時高速的激光束、離子流也會使切口處板材表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，兩種因素共同作用導(dǎo)致切口處硬度升高。

3）與火焰切割、等離子切割相比，激光切割熱影響區(qū)范圍最小、切割速度快、切縫窄且邊緣光滑垂直度好。這是因為激光發(fā)射器發(fā)射出的激光，經(jīng)光路系統(tǒng)聚焦成大功率的激光束。激光束直接照射到工件表面，使其小范圍內(nèi)短時間達到熔點，同時與激光束同方向的高壓氣體快速將熔化金屬吹走。

在三種熱切割方法中，由于激光切割具有較大優(yōu)勢，在金屬加工企業(yè)中逐漸得到推廣應(yīng)用，因此就激光切割對預(yù)硬化耐磨板材組織的影響進行深入分析。

2.2 激光切割對預(yù)硬化耐磨板材組織的影響

激光切割后板材不同位置金相圖見圖4。

圖4 激光切割后板材不同位置金相圖

由圖4 可知：①切口處板條狀馬氏體組織比原板材細小。這是因為激光切割瞬間產(chǎn)生的高溫快速降低，使此處被再次淬火，且淬火冷卻速率大于原板材淬火冷卻速率。②距切口0.5 mm 處板材組織為回火索氏體。激光切割時產(chǎn)生的高溫不能快速冷卻，使原細小碳化物溶解，晶粒明顯變大，發(fā)生回火軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致板條狀馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w。③距切口2.0 mm 處以板條狀馬氏體組織為主，基本保留原板材組織。距切口4.0 mm 處與原板材均勻的板條狀馬氏體組織完全一致，說明激光切割沒有影響到該處金相組織。

3 結(jié)論

1）激光切割、等離子切割和火焰切割熱影響區(qū)范圍分別為距切口0～2.0、0～8.0、0～20.0 mm。切割時回火軟化使熱影響區(qū)板材硬度明顯下降。

2）激光切割和等離子切割時切口處硬度高于原板材。這是因為切口處板材再次淬火，且淬火冷卻速率大于原板料淬火冷卻速率。與此同時，高速的激光束、離子流使切口處板材表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，兩者共同作用導(dǎo)致板材硬度升高。火焰切割時切口處硬度低于原板材。