低合金耐磨鋼的熱處理工藝及力學性能

張志春, 溫 佳, 陳國瑞, 吳廣輝, 翁澤鉅, 顧開選

(1. 陜西鐵路物流集團有限公司, 陜西 西安 710076; 2. 湖南聯誠軌道裝備有限公司, 湖南 株洲 412001;3. 中國科學院 低溫工程學重點實驗室(理化技術研究所), 北京 100190)

低合金耐磨鋼是一種十分重要的耐磨材料,具有較高的硬度和良好的韌性,且合金元素含量較少,生產成本相對較低,易于實現進行軋制、鍛造、鑄造等熱加工成形工藝,適合大規模工業化生產[1]。此外,低合金耐磨鋼中的部分鋼種可進行焊接加工,在制作形狀較為復雜的耐磨零件方面具有特殊的優點。因此,在礦山、能源、交通、農機、工程機械等行業得到了廣泛應用[2]。隨著國民經濟的高速發展,各類耐磨鋼的需求量成倍增長,對其耐磨性能等要求也越來越高。

大部分低合金耐磨鋼都是馬氏體耐磨鋼,該類鋼的使用態組織為回火馬氏體(有時存在少量貝氏體),具有很高的強度和硬度。并且,為保持適當的韌性,鋼中碳含量不宜過高,因而通常為中碳鋼;為保證淬透性,通常需要加入多種合金元素;為獲得適當的高硬度、耐磨料磨損的碳化物顆粒,還加入適量的合金滲碳體或特殊碳化物形成元素[3]。此外,除合金元素的調控,熱處理工藝對低合金耐磨鋼最終的服役性能也具有重要影響[4]。為了獲得最佳的綜合力學性能,本文對Mn-Si-Cr系低合金耐磨鋼的熱處理工藝及力學性能進行研究,通過CCT曲線的測定獲得連續冷卻過程中的相變規律,考慮到深冷處理能夠通過促使殘留奧氏體轉變和碳化物析出提高鋼的耐磨性[5]、尺寸穩定性[6]以及綜合力學性能[7-8],本文將深冷處理與低合金耐磨鋼的淬火回火相結合,研究其對低合金耐磨鋼組織和性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗原材料采用正火態圓鋼,化學成分如表1所示。首先采用DIL805淬火膨脹儀研究材料的連續冷卻轉變特性,選用φ4 mm×10 mm的圓棒試樣,將其加熱到950 ℃保溫5 min后,以不同的冷卻速率(0.2、0.5、1、2、5、10、15、30、50 ℃/s)進行冷卻,獲得相變點溫度。將上述試樣進行機械研磨、拋光,并用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕,采用蔡司Axio Scope.A1金相顯微鏡進行組織觀察。結合相變溫度點和微觀組織確定試樣在連續冷卻過程中的組織變化,并利用Origin軟件繪制出低合金耐磨鋼的連續冷卻轉變曲線。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數,%)

為進一步提高低溫耐磨鋼的力學性能,采用中國科學院理化技術研究所研制的程序控制深冷箱(型號SLX-30)開展深冷處理,進行熱處理對比試驗,研究深冷處理對低合金耐磨鋼的影響。熱處理工藝見表2,選取850 ℃奧氏體化溫度對低合金耐磨鋼進行淬火處理后,通過回火得到QT試樣;選取850 ℃奧氏體化溫度對低合金耐磨鋼進行淬火處理后,將試樣進行(-180 ℃×4 h)的深冷處理,再通過回火得到QC180T試樣。

表2 熱處理工藝方案

對不同熱處理工藝的試樣進行拉伸性能和沖擊性能檢測,以獲得材料的抗拉強度、屈服強度、伸長率和沖擊性能。按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》進行室溫拉伸試驗,拉伸試樣尺寸如圖1(a)所示。按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行室溫沖擊試驗,試樣尺寸如圖1(b)所示。每個工藝分別檢測3個試樣,取其平均值作為最終結果。硬度采用EM-1500L型顯微硬度計進行檢測,載荷為200 N。

圖1 拉伸試樣尺寸(a)和U型缺口沖擊試樣尺寸(b)Fig.1 Dimensions of tensile specimen(a) and impact specimen(b)

為了研究不同工藝處理后的微觀組織變化,采用日立SU1510掃描電鏡(SEM)對QT和QC180T試樣的微觀組織進行表征分析。分別采用150、400、400、800、1000和1500號的砂紙依次對試樣進行粗磨,然后采用金剛石拋光膏進行拋光,并用酒精清洗表面,再采用4%的硝酸酒精溶液進行表面侵蝕(侵蝕時間為4 s),先后用水和酒精沖洗試樣表面,用吹風機吹干后,保存好以備觀察。

2 試驗結果及討論

2.1 低合金耐磨鋼的CCT曲線

低合金耐磨鋼的CCT曲線如圖2所示。從圖2中可以看出,該材料的Ac3為816 ℃,不同冷卻速率下的轉變產物不同。當冷速為0.2～0.5 ℃/s時,組織發生鐵素體和珠光體轉變;冷速大于1 ℃/s時,開始出現貝氏體轉變;2 ℃/s冷卻過程中主要發生了貝氏體轉變,并伴有少量的馬氏體轉變;冷速大于5 ℃/s時,僅發生馬氏體轉變。不同冷速試樣的顯微組織如圖3所示。從圖3中可以看出,低合金耐磨鋼在不同冷速下的微觀組織變化與CCT轉變曲線保持一致。并且,當冷速大于5 ℃/s時,隨著冷速的提高,組織中的針狀馬氏體逐漸增多,組織得到細化。

圖2 低合金耐磨鋼的CCT曲線Fig.2 CCT curves of the low alloy wear-resistant steel

不同冷速試樣對應的硬度如圖4所示,從圖4中可以看出,隨著冷速的增加,試樣硬度不斷提高;當冷速≥5 ℃/s時,隨著冷速的增加,硬度提高相對較小。這進一步說明5 ℃/s的冷速下組織已經發生明顯的馬氏體轉變。因此,為獲得馬氏體組織,淬火過程的冷速應盡可能大于5 ℃/s。結合圖3可知,隨著冷速的提高,試樣中形成更多的針狀馬氏體,組織得到細化,有利于提高鋼的強度和硬度。但是,在實際生產處理過程中,冷速的選擇應綜合考慮材料的淬火應力和強韌性,以避免淬火裂紋的產生。

圖4 低合金耐磨鋼不同冷速下的硬度Fig.4 Hardness of the low alloy wear-resistant steel at different cooling rates

2.2 低合金耐磨鋼的力學性能

低合金耐磨鋼在不同熱處理工藝下的拉伸性能和沖擊性能如表3所示。由表3可得,兩種試樣均具有優越的拉伸性能和沖擊性能,其中抗拉強度達到1800 MPa以上,屈服強度達到1500 MPa以上,斷后伸長率和斷面收縮率達到12%和39%以上,沖擊吸收能量高于40 J。不僅如此,淬火與回火間增加深冷處理能夠顯著提高低合金耐磨鋼的綜合性能,其中抗拉強度提高136.5 MPa,屈服強度提高了141.5 MPa;強度提高的同時伸長率還有所改善,斷后伸長率提高了2%左右;沖擊性能略有降低,但降低幅度較小,僅8 J左右。從整體上看,深冷處理后的低合金耐磨鋼在強度得到提高的同時塑性沒有出現下降。

表3 不同工藝處理后低合金耐磨鋼的力學性能

為進一步分析低合金耐磨鋼力學性能變化的原因,對QT和QC180T試樣的拉伸斷口進行微觀分析,結果如圖5所示。從圖5(a,b)中可以看出,QT和QC180T試樣的拉伸斷口存在明顯的頸縮,說明該材料具有較好的塑性。其中,QT試樣的斷口存在明顯的起伏,拉伸方向的塑性變形存在一定的不均勻性,而QC180T試樣的斷口則較為平整均勻。從圖5(c,d)可發現,斷口的斷裂特征為典型的韌窩斷裂,韌窩尺寸相對較小且分布比較均勻,也進一步說明了該材料具有優越的強度和塑性。其中,QC180T試樣的斷口韌窩更為細小,且韌窩深度較深,能吸收更多斷裂能,進一步說明增加深冷處理后微觀組織的優化引起了斷裂特征的變化。

2.3 低合金耐磨鋼的微觀組織

圖6為熱處理后低合金耐磨鋼的SEM圖。從圖6中可以看出,兩種回火試樣的組織均為典型的板條馬氏體。這是由于淬火過程中的冷卻速率較快,組織中形成過飽和馬氏體,且回火溫度相對較低,合金元素未發生大量擴散,回火程度較低,使組織仍保留了淬火馬氏體形態。但回火工藝有效釋放了淬火內應力,從而提高了試樣的強韌性。從圖6(a,c)中可以看出,當增加深冷處理后,組織中的馬氏體板條有細化趨勢,這也進一步驗證了QC180T試樣在拉伸過程中產生的韌窩更加細小,強塑性更好。

圖6 不同工藝處理后低合金耐磨鋼的顯微組織Fig.6 Microstructure of the low alloy wear-resistant steel treated by different processes(a,b) QT; (c,d) QC180T

通過XRD檢測可以發現,兩種熱處理工藝的試樣主要為馬氏體相,如圖7所示。通過XRD曲線測算出QC180T試樣的殘留奧氏體含量為1.03%,QT試樣的殘留奧氏體含量為2.20%。由于兩者含量均在5%以下,在XRD測算殘奧含量誤差范圍內,說明該低合金耐磨鋼淬火后的殘留奧氏體含量很低。對于工模具鋼來說,深冷處理的主要作用機理在于促進殘留奧氏體轉變為馬氏體以及促進馬氏體基體上的超細碳化物析出。對于本低合金耐磨鋼而言,淬火+回火后的殘留奧氏體含量較低,淬火馬氏體中的碳含量相對較低,深冷處理對于殘留奧氏體轉變和碳化物的析出作用體現得不明顯,而主要的作用機理在于促進馬氏體板條細化,獲得更細的回火馬氏體組織。

圖7 不同工藝處理后低合金耐磨鋼的XRD圖譜Fig.7 XRD patterns of the low alloy wear- resistant steel treated by different processes

3 結論

1) 通過CCT曲線測定獲得了低合金耐磨鋼的Ac3溫度為816 ℃,冷卻過程中僅發生馬氏體轉變的臨界冷速為5 ℃/s。因此,在實際生產中為了獲得高強度的馬氏體組織,淬火冷速應保證大于5 ℃/s。

2) 淬火與回火間增加深冷處理能顯著提高低合金耐磨鋼的綜合性能。其中,抗拉強度提高136.5 MPa,屈服強度提高了141.5 MPa,且塑性基本保持不變。

3) 該低合金耐磨鋼淬火+回火后的殘留奧氏體含量較低,不同熱處理工藝的試樣中幾乎沒有殘留奧氏體,深冷處理的主要作用機理在于促進馬氏體板條細化。