Mo含量對高碳鋼組織和耐磨性的影響

關鍵詞：鉬；高碳鋼；組織；耐磨性；硬度；碳化物

0 引言

在工業領域，磨損、腐蝕和斷裂是材料失效的3種主要形式。盡管磨損不會像腐蝕、斷裂直接引起金屬工件失效帶來災難性危害，但其引起的設備零件失效，導致零部件維修、更換頻繁，且設備工作效率降低，造成巨大的經濟損失。我國每年因摩擦磨損造成的經濟損失在1000億人民幣以上，僅磨料磨損每年就要消耗300多萬噸金屬耐磨材料。現代工業要求工程、采礦等機械設備不但要具有較高的耐磨性能，而且還要能夠承受強沖擊力和高應力。為此，解決金屬材料磨損而造成的損失一直是科技工作者在材料設計、制造和使用各種機械設備時所需要考慮的首要問題。由此可見，開發新型高強度、長壽命耐磨鋼材料，以及廣泛、深入地開展金屬材料磨損機理的研究，來提高耐磨鋼的質量，降低由磨損造成的損失，對于國民經濟的建設和發展具有重要的意義。

一般認為，金屬材料的耐磨性能與硬度成正比。為提升材料的耐磨性能，一方面可通過提高材料的碳含量形成大量的碳化物增強相，從而形成硬度高的高碳馬氏體基體，另一方面合金化也是改善材料性能的有效方法。添加Si、Mn、Cr、Ni、Mo等易形成鋼中第二相硬質點析出的合金元素可提升材料的致密度，從而提高其綜合力學性能。此外，多元合金元素的加入還可以改變鐵碳相圖中相區位置，在熱處理時會促進或抑制組織轉變，強化金屬材料性能。

鉬元素在耐磨、抗腐蝕等方面有著較為顯著的優勢，在冶金、材料等領域有著一定范圍的應用和研究。高龍永研究發現，鉬元素對鋼鐵的淬透性指數影響僅次于碳，適當增加鉬和鎳可以提高鋼板的淬透性。Ha等研究表明，C與Mo、Cr、V等元素形成MC碳化物可提升鋼的表面粗糙度和耐磨性，且保留0.2%～0.6%的C于基體中；Ayadi等對比Cr-Mo-Nb合金錳鋼和低鉻錳鋼得出，合金元素的加入和熱處理溫度的提升可有效提高馬氏體的形成速度；Wu等研究表明，鉬元素在高碳馬氏體不銹鋼中可以增強碳化物中原子的相互作用，提高彈性模量從而提升碳化物的穩定性。Filho等研究指出，在微合金鋼固溶體中，鉬對淬透性起主導作用，回火時鉬和鈮可促進二次硬化。

高碳鋼自身具有較高的硬度和耐磨性，在生產活動中為提高生產效率和經濟效益還需進一步提高其性能。鉬作為高淬透性元素加入鋼中可與碳形成Mo2C第二相質點，進一步提高鋼的硬度，同時對鋼的韌性和淬透性也有一定的改善。然而，鉬作為貴重金屬，考慮到經濟效益，在鋼中的加入量并不是越多越好。因此本研究通過在高碳鋼中加入不同含量的鉬元素，分析高碳鋼硬度、微觀組織和磨損情況的變化，探討鉬元素對高碳鋼耐磨性的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

在實際生產高碳鋼（稱為基體鋼，0Mo鋼）的基礎上，通過添加不同含量（1%、2%、3%、4%和5%）的Mo元素，得到5種高碳高鉬耐磨鋼，化學成分如表1所示。

試驗鋼的冶煉采用硅鉬爐進行，全程通氬氣保護，以隔絕空氣對鉬元素的氧化影響。將熔煉后的不同鉬含量鋼錠加熱至1000 ℃保溫1 h后熱軋成厚度為5 mm的鋼板，再將鋼板切割為57 mm×25.5 mm×5.0 mm相同規格的若干試樣。試驗鋼板退火溫度為650 ℃，保溫5 h，以去除鋼的內應力。

1.2 試驗方法

利用JMatpro軟件計算分析不同鉬含量試驗鋼各相含量隨溫度變化曲線和過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線（CCT），以制定合適的熱處理工藝（淬火+回火）。

利用洛氏硬度計對熱處理后的試樣進行硬度測試，每個試樣測試9個點取平均值。采用MLG-130干砂橡膠輪式磨損試驗機，按JB/T 7705—1995《松散磨粒磨料磨損試驗方法橡膠輪法》進行磨損試驗，試驗原理如圖1所示。采用0.5～1 mm的石英砂作為磨料，磨料以1 kg/min的流量流出，橡膠輪的轉速為120 r/min， 試驗時長為60 min， 砝碼通過桿臂對試樣施加40 N的正壓力。以其相同磨損條件下的絕對磨損量來判斷試驗鋼的耐磨性。利用Sigma 300型掃描電鏡（SEM）對熱處理后的試樣截面及磨損表面進行顯微組織及形貌觀察。

2 熱處理工藝的制定

通過JMatpro軟件進行熱力學計算，得到如圖2所示的含Mo高碳鋼的相轉變曲線。由圖2可知，5種含Mo高碳鋼隨著溫度變化均存在5種平衡相，分別是鐵素體、奧氏體、滲碳體和碳化物（M23C6和M2C）。隨著Mo含量增加，鋼的Ac3溫度從750 ℃提高到767.03 ℃，γ相區縮小，α相區增大。由于鉬是強碳化物形成元素，含量較高時會促進γ奧氏體析出M23C6碳化物，彌散分布在晶界處，提高鋼的硬度。由圖2還可見，采用低溫回火，即回火溫度小于200 ℃時，5種含Mo高碳鋼中鉬均能與碳形成M2C碳化物，起到二次強化的作用。溫度升至750 ℃以上時，鋼中析出的γ相和δ相含量逐漸減少，溫度達到770 ℃附近時，鋼中均為奧氏體相。這為鋼淬火溫度的確定提供依據，當淬火溫度較低時，碳化物不能溶入奧氏體中完全奧氏體化；而淬火溫度偏高時，奧氏體晶粒不斷長大粗化，會嚴重降低力學性能。故根據JMatpro計算結果分析可知，確定合適的淬火溫度后，為穩定獲得較多碳化物析出相可采用低溫回火的方式，并適當延長保溫

時間。

馬氏體鋼的主要特征是具有較高的硬度和強度，馬氏體相含量的增加有利于提升鋼的硬度和耐磨性。圖3為不同鉬含量試驗鋼的CCT曲線。通過分析可知，提高冷卻速率可顯著縮短馬氏體開始轉變時間；隨著Mo含量的增加，在較低冷卻速率下也可獲得馬氏體，但開始獲得時間有所延長，并且同時發生了珠光體和貝氏體的轉變，此時會減少鋼中馬氏體含量，從而降低鋼的硬度和耐磨性能。因此，為穩定獲得馬氏體相，在淬火時選擇水冷的方式可獲得較高的冷卻速率，從而提高鋼中馬氏體的含量。

綜合分析相含量隨溫度變化曲線及CCT曲線可得，試驗含Mo高碳鋼的熱處理工藝為770 ℃保溫1 h后水淬，200 ℃回火2 h后隨爐冷卻至室溫。該工藝與實際生產高碳鋼（0Mo基體鋼）的熱處理工藝相一致。

3 試驗結果及分析

3.1 顯微組織

圖4為含Mo高碳鋼的顯微組織。由圖4可見，由于采用了淬火急冷+低溫回火長時保溫的熱處理工藝，5種含Mo高碳鋼中均出現隱晶馬氏體和孿晶馬氏體。這是由于0Mo基體鋼中1.527%Cr元素和加入的1%～5%Mo元素均會形成第二相碳化物質點，在奧氏體相中發生偏聚，當回火溫度達到80 ℃時，部分第二相碳化物質點發生分解重溶，隨著回火溫度的升高，馬氏體中的碳原子被激活，析出碳化物，且隨著保溫時間的延長含碳高的孿晶馬氏體會析出較多的碳化物，逐漸變為含碳低的隱晶馬氏體。由于加入Mo含量不同，致使組織中第二相碳化物質點含量和形狀不同。當Mo含量為1%、2%時，晶界析出的粒狀碳化物稀少，較多的Mo元素固溶在基體中；當Mo含量為3%時，晶界析出的碳化物相對較多，且均勻分布，對0Mo鋼起到強化的作用；而當Mo含量大于3%時，組織中不僅有粒狀碳化物，還出現粗大塊狀碳化物，這是因為隨著Mo的增加，在進行淬火快冷處理時，形成的M2C、Cr23C6等第二相碳化物質點來不及溶解，即快冷析出，并且在低溫回火時還有部分二次碳化物析出，造成碳化物累積，基體中碳和其他合金元素固溶量降低，同時析出大量碳化物堆積成粗大塊狀碳化物。因此，隨著Mo含量增加，析出碳化物也在增加，且在Mo含量為3%時碳化物顆粒分布最為均勻。

圖5為試驗含Mo高碳鋼的SEM分析，其中1為碳化物，2為馬氏體基體。可以看出，Mo在鋼中主要以碳化物的形式存在，此外由于0Mo基體鋼中Cr含量也較高，故Cr的碳化物析出也對含Mo試驗鋼的硬度和耐磨性起到了積極作用。當Mo含量從1%增加到5%時，碳化物的析出呈增多趨勢，能譜顯示碳化物主要以M2C、Cr3C2形式析出。對比5種含Mo鋼的SEM分析可以看到，碳化物中的碳元素隨著Mo含量的增加整體呈減少趨勢，當Mo含量不大于3%時，碳化物中C元素均大于12%，當Mo含量大于3%時，碳化物中C元素下降至10%左右。這是因為隨著Mo含量的增加，可以促進馬氏體中C元素的固溶，Mo含量為3%時，固溶的C元素達到5.3%，且不再隨著Mo含量的繼續增加有大幅變化。

3.2 硬度和耐磨性

0Mo基體鋼和含Mo高碳鋼的平均洛氏硬度和磨料磨損量如圖6所示，可以看出，在0Mo基體鋼的基礎上，添加Mo元素可使高碳鋼的硬度得到提高，平均洛氏硬度較0Mo基體鋼提高約11%。隨著Mo含量的增加，硬度呈先上升后下降的趨勢，3%Mo時出現最大硬度值為67.31 HRC。這是由于Mo含量從1%增加到3%時，鋼中固溶的C元素和Mo元素均提高。鋼中析出碳化物增多，M2C彌散分布于0Mo基體鋼中起到了彌散強化作用。當鉬含量為4%時，碳化物析出飽和，即使再增加Mo元素也很難形成新的碳化物，因此鉬含量大于4%時，硬度的變化微乎其微，且這些析出的碳化物在回火時不易分解，造成大量粗大的塊狀碳化物堆積，阻礙了晶粒的細化，導致試驗鋼的硬度不升反降。

從圖6還可以發現，相同磨料磨損條件下，含Mo試驗鋼的磨損量均明顯小于0Mo基體鋼，耐磨性得到明顯提高。隨著Mo含量的增加，試驗鋼耐磨性能整體呈先升后降的趨勢，當Mo含量為3%時，試樣磨損量最小，僅為2.96 g， 此時試驗鋼耐磨性最好。一般來說，鋼的耐磨性強弱與其硬度高低呈正相關，上述硬度試驗也證實了耐磨性隨Mo含量的變化情況。因此，為獲得高的耐磨性，高碳鋼中鉬元素添加量選3%最佳。

磨料磨損試驗過程中，材料的磨損主要分為3個階段：磨料在試樣表面相互摩擦；在切應力作用下磨料嵌入試樣中；試樣表面破壞和磨屑的脫落。圖7為試驗鋼的磨損形貌，可以看出完成磨料磨損的試驗鋼表面均產生了大量的犁溝、犁皺和凹坑。其中，3%Mo試驗鋼的表面磨損損傷較小（見圖7（c）），原因是該試驗鋼的晶粒細化、碳化物分布均勻，對磨料的抵抗力強，降低了磨料對試驗鋼表面的切削力。1%Mo和2%Mo試驗鋼的磨損表面凹坑小且少，僅有微量的顆粒碳化物存在。4%Mo和5%Mo試驗鋼表面存在較多的凹坑，且其內部聚集有大量的碳化物，這是因為Mo含量提高，析出的碳化物難以分解造成局部聚集出現硬度較高的塊狀碳化物，在磨損過程中存在尖銳棱角的磨料隨著轉輪進入試樣與橡膠輪的摩擦面中，在壓力的作用下以一定的角度壓入試樣表面，形成裂紋源，在應力不斷作用下，裂紋擴展，當附有基體材料的磨料以及殘留磨屑劃過基體表面時，加劇試樣表面磨損，易產生較寬較深的磨痕，形成犁溝和犁皺；當尖銳棱角嵌入塊狀碳化物內，嵌入的磨料受到應力的作用會攜帶塊狀的碳化物和組織脫落形成凹坑。

4 結論

1） 通過JMatpro軟件計算分析獲得了含Mo高碳鋼的熱處理工藝方案：淬火溫度770 ℃，保溫1 h后水冷；回火溫度200 ℃，保溫2 h后隨爐冷卻至室溫。在此工藝下，含Mo高碳鋼組織主要為隱晶馬氏體、孿晶馬氏體和碳化物顆粒，Mo的添加提高了高碳鋼的硬度和耐磨性。

2） 當Mo含量為3%時，試驗鋼的硬度和耐磨性最佳，洛氏硬度達到最大值67.31 HRC，磨損量相比無Mo高碳鋼下降了30.84%，耐磨性顯著提升。

3） 高的Mo含量易于獲得更多的碳化物顆粒，使基體中的C含量下降，且更多碳化物顆粒的析出強化作用使試驗鋼仍具有較高的硬度；但高Mo含量試驗鋼中過多碳化物顆粒的析出，會造成局部聚集成塊，在磨料磨損過程中會降低試驗鋼的耐磨性。

本文摘自《金屬熱處理》2024年第9期