热处理工艺对中碳贝氏体钢组织与性能的影响

张圳炫，荣守范，焦仁宝，李洪波，刘 力，王 迪，靳张衡

（佳木斯大学材料科学与工程学院，黑龙江佳木斯 154007）

中国是农业大国，每年耕地会消耗大量的犁铧，目前我国犁铧存在的问题主要是寿命短、磨损失效快。现有的高锰钢犁铧在工作中受到的力比较小，达不到加工硬化的效果，所以发挥不了高锰钢特性；而低合金耐磨钢因考虑到安全性，一般不会进一步提高其硬度。而贝氏体钢是目前应用较为广泛的一种耐磨材料，具有良好的综合力学性能[1～4]。同时热处理工艺对贝氏体钢的组织与性能影响较大[5～6]，等温淬火温度决定贝氏体的组织形态，等温淬火时间决定贝氏体的组织含量。为得到一种能使中碳贝氏体钢综合力学性能良好的热处理工艺，同时为低载荷工况下中碳贝氏体钢[7-8]犁铧的制备提供最佳热处理工艺。本文通过不同的等温淬火温度及不同的等温淬火时间，研究中碳贝氏体钢热处理后的组织及其性能。

1 实验材料与方法

1.1 化学成分的选择

对于贝氏体钢，合金元素的主要作用是提高淬透性，控制C曲线向右偏移，综合考虑合金元素的作用后，制定如表1所示的化学成分及含量。

1.2 热处理工艺的选择

图1是根据表1中化学成分采用仿真软件jmatpro 完成试验钢过冷奥氏体等温转变曲线（TTT曲线）模拟的结果。

表1 中碳贝氏体钢化学成分及含量表（质量分数，%）

图1 TTT曲线

在设计热处理工艺时，主要考虑等温淬火温度和等温淬火时间对贝氏体钢组织和性能的影响，由图1可知M s点大约为240℃，上贝氏体和下贝氏体分界温度为400℃.因此，制定如图2的热处理工艺。

图2 热处理工艺图

1.3 试样的制备及分析方法

采用15 kg中频炉熔炼，使用D K7740精密线切割机床将试验钢切成10 mm×10 mm×55 mm标准冲击试样，使用S X2-5-12G箱式电阻炉奥氏体化后，在盐浴炉中进行不同等温时间和不同等温温度热处理。热处理后使用Z B C－300B全自动金属摆锤试验机和H R-150A型洛氏硬度计测试冲击韧性与洛氏硬度。抗磨损实验采用M LD-100型动载荷冲击磨损试验机模拟实际工况环境，用实验前后的磨损失重量来衡量试样的抗冲击磨损能力。通过O L Y M P U S-G X71型光学电子显微镜观察试验钢金相组织，通过AD V AN C E型X射线衍射仪对试验钢进行物相分析，通过J S M7800F场发射扫描电镜分析冲击后断口形貌。

2 实验结果与分析

2.1 显微组织与力学性能

由图3可知，随着等温淬火温度的升高，试验钢贝氏体组织由较细小的针状向较粗大的竹叶状变化，因为温度较高碳原子扩散速度较快，贝氏体铁素体长大速率较快，导致下贝氏体组织粗大，而且下贝氏体的数量增加。

图3 不同等温淬火温度试验钢金相组织图（时间3 h）

由图4可知，随着等温淬火时间的延长，试验钢下贝氏体的数量增加。因为等温淬火时间增加，有更多满足条件的贝氏体铁素体晶核生成和长大。贝氏体数量的增多会改变残余奥氏体的含碳量，增强残余奥氏体的稳定性，减少马氏体的生成，所以试验钢硬度下降，而冲击韧性升高。

图5是中碳贝氏体钢试样的X R D相分析，结合图3、图4可确定试验钢的组织为下贝氏体、少量马氏体和少量残余奥氏体。

图6 为Image J 像素分析的下贝氏体组织面积百分比，随着等温淬火时间和等温淬火温度的增加，试验钢下贝氏体数量逐渐上升。等温淬火温度为290℃时，下贝氏体组织占组织面积百分比由1 h 的47.459%上升4 h 的87.473%.

图4 不同等温淬火时间试验钢金相组织图（温度290℃）

图5 等温淬火时间3 h试验钢XRD衍射谱线图（温度290℃）

图7 是根据试样所测得的实验数据绘制出不同等温淬火时间和不同等温淬火温度的试验钢力学性能曲线。随着等温淬火温度和等温淬火时间的延长，碳原子的扩散使残余奥氏体含碳量保持在一个较高的水平，提高了残余奥氏体的稳定性，增加了残余奥氏体的数量，同时下贝氏体生成的数量增加，冷却后生成的马氏体数量减少，所以试验钢的硬度下降，而冲击韧性上升。

图7 试验钢力学性能曲线图

由图7可知等温淬火温度为290℃，等温淬火时间为3 h的试验钢具有良好的综合力学性能，其洛氏硬度达到了49.2 H R C，冲击韧性可以达到167 J/c m2.

为了进一步研究和分析试验钢的力学性能，对等温淬火温度为290℃、等温淬火时间为3 h的试样进行冲击断口扫描电镜观察，如图8所示。

由图8可以看出，中碳贝氏体钢断口由准解理面与一定数量韧窝组成，说明材质具有一定塑性（与图7b）相对应），能有效阻止裂纹扩展。

2.2 试验钢的耐磨性

图8 试验钢冲击断口SEM形貌（温度290℃、时间3 h）

将制备出的等温淬火温度为290℃磨损试样做冲击磨损试验，磨损失重量比较如表2所示。从表中可以看出，等温淬火时间为3 h的试样经2 h磨损后损失质量0.238 16 g，等温淬火时间1 h和2 h的试样由于生成的下贝氏体组织数量较少，而等温淬火时间4 h的试样冷却后生成的马氏体数量少，所以耐磨性均不如等温淬火时间3 h的试样，这与图3b）、图4c）的金相组织图、图6下贝氏体组织面积百分比和图7试验钢力学性能相对应。

表2 不同等温淬火时间试验钢磨损失重对比表（等温淬火温度290℃）

3结 论

1）随着等温淬火温度的升高，在相同的等温淬火时间内，试验钢的下贝氏体数量增多，下贝氏体组织逐渐变得粗大。

2）随着等温淬火时间的延长，在相同的等温淬火温度内，试验钢的下贝氏体组织数量明显增多，硬度逐渐下降，而冲击韧性明显上升。

3）经过比较分析，本试验综合力学性能最好的热处理工艺为：920℃×1.5 h＋290℃×3 h，试验钢硬度为49.2H R C，冲击韧性为167 J/c m2，可以满足犁铧的工况条件要求。