热处理工艺对中碳合金钢组织与力学性能的影响

现代工业生产中的耐磨材料一直是人们关注的重点，广泛应用于冶金、矿山、建材、电力和机械等行业。主要的耐磨材料有高锰钢，高铬铸铁和合金耐磨铸钢。其中，高锰钢由于本身的耐磨机理，在中低工况下和使用初期磨损十分严重，使得高锰钢的耐磨性不能充分发挥出来。因此研究综合力学性能优良的耐磨材料对社会的发展具有重大的意义。中碳低合金耐磨钢具有综合力学性能优良，生产效率高，价格低廉等特点，越来越受到使用单位的重视[1-5]。然而工程用挖掘机斗齿，破碎机等设备在实际工作中，由于耐磨构件使用工况不同，其磨损失效机理不同，对构件的强韧性及耐磨性的要求也不同。因此研究与磨损条件相匹配的耐磨钢的强韧性与耐磨性的关系，对合理选用耐磨构件用钢，延长构件使用寿命，具有一定的现实意义。

设计了中碳低合金耐磨铸钢，研究了热处理工艺对其组织与力学性能的影响规律。

1 试验材料及方法

本研究用钢为SiMnCrMo 系低合金铸钢，碳含量为0．50%。采用中频感应电炉熔炼，用Al 脱氧，经V，RE 变质处理。实验采用箱式电阻炉对试验钢进行相关热处理。热处理后的试样经研磨，用4%硝酸酒精腐蚀观察其金相组织。试样为55mm×10mm×10mm 的无缺口标准试样，经过不同的热处理后，进行金相组织观察，在HR-150 洛式硬度计测试硬度，在JB30A型摆锤式冲击试验机上测试冲击韧度，在MLD-10 型动载磨料磨损试验机机上进行冲击磨损试验，在JSM-5900LV 型扫描电镜下，分析试样冲击断口和磨损表面的形貌特征。

2 试验结果与分析

2.1 试淬火温度对试验钢组织与力学性能的影响

试验钢经不同温度淬火（900℃-1100℃），250℃回火后的金相组织如图1 所示。由图可见当淬火温度低于1050℃时，随着温度的升高，马氏体板条束变得愈加清晰，组织的均匀性也得到了改善，同时晶粒没有出现明显的长大，说明Cr、Mo 等合金元素起到了一定的细化晶粒的作用。当淬火温度超过1050℃时，晶粒有明显的粗化，分析认为温度达到一定值继续升高时奥氏体出现了明显的长大现象。图2 为淬火温度对硬度和冲击韧度的影响，由图可见，硬度随淬火温度的升高没有明显的变化，保持在56～58HRC 之间，在1050℃时取得最大值58HRC，冲击韧性随着淬火温度的升高有增加的趋势，这是由于淬火温度升高，淬火后位错板条马氏体的数量增加，板条马氏体的亚结构为高密度为错，可动位错能缓和局部应力集中，减少裂纹形核倾向，同时残余奥氏体增加且以薄膜形式存在马氏体板条间，不利于裂纹的形成和扩展，因此韧性会增高。

2.2 预处理试验对钢力学性能的影响

采用直接淬火+回火的热处理工艺，试验钢虽具有较高的硬度，但其韧性不够优良，所以选择适当的预处理工艺对试验钢增韧。图3为试验钢在不同温度下退火，1050 淬火，250 回火后的硬度和冲击韧性。由图可见，随着退火温度的变化，试验钢的硬度没有出现明显的变化趋势，保持在57～58HRC 之间，而冲击韧性得到了一定的改善，在950℃出现最大值110J。分析认为，退火预处理对硬度的影响不大，主要决定硬度的因素是淬火工艺，而退火工艺可以细化晶粒，使组织趋于均匀化，起到了一定的增韧作用。图4 为不同温度退火，1050淬火，250℃回火后冲击断口形貌特征。由图可知，断口均为韧窝形态，经950℃退火的试验钢相比其它温度韧窝较深，尺寸较大，这与其较高的冲击韧度值是相对应的。试验钢耐磨性能检测试验原理如图5所示。图6 为退火温度对试验钢的耐磨性的影响，由图可知，950℃退火后的失重量值最小，为43mg，表明该温度下退火的耐磨性相对其它温度下好。分析表明，在硬度不变的情况，韧性对耐磨性有一定的影响，韧性越好，耐磨性越好。

图1 不同温度淬火250℃下回火时的显微组织

图2 淬火温度对力学性能的影响

图3 退火温度对力学性能的影响

图4 试验钢冲击断口形貌

图5 耐磨性能检测试验原理图

图6 退火温度对耐磨性的影响

3 实验结论

（1）试验钢经不同温度淬火，250℃回火后，金相组织均以板条马氏体为主，随着淬火温度的升高，马氏体板条束变得愈加清晰，组织的均匀性也得到了改善；（2）淬火温度对试验钢的硬度影响不大，冲击韧性随淬火温度的升高而得到改善；（3）退火预处理在保证试验钢硬度的同时，能明显提高钢的韧性；（4）冲击磨料磨损试验表明，试验钢在保持较高硬度的前提下，同时兼具良好的韧性，耐磨损性能才会更优良[6]。

文章来源：《材料热处理学报》 网址: http://www.clrclxbzz.cn/qikandaodu/2021/0120/450.html