热切割对预硬化耐磨板材硬度的影响

罗德昭

中国铁建高新装备股份有限公司，昆明 650215

随着铁路建设快速发展，铁路养护设备对耐磨零件的需求大量增加，对所用材料的耐磨性也提出更高要求。预硬化耐磨板材因具有使用性能良好、强度和硬度较高、使用时不需热处理、易于焊接和切削、成型性能好等优点被广泛应用［1-3］。

预硬化耐磨板材是一种低合金高强度耐磨钢，生产工艺为在钢铁材料中加入多种合金元素，热轧后直接淬火或者冷却到室温后，再加热淬火。耐磨板材的微观组织对其性能有较大影响，组织越细小越均匀，材料的硬度就越高［4-5］。经过预硬化处理后板材的微观结构和力学性能发生变化，其显微组织多以马氏体硬化相为主，合金元素的加入使其强度和硬度增加。

预硬化耐磨板材供货状态为淬火态。由于板材供货尺寸较大，在实际使用过程中须进行切割处理。切割方法有冷切割和热切割。冷切割分为线切割、水刀切割等。热切割分为火焰切割、等离子切割、激光切割等。火焰切割是利用气体燃烧的高温将板材切开；等离子切割是利用等离子电弧将板材切开；激光切割是利用激光强聚焦能力及高能量使板材快速加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束与材料相对移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝，从而完成金属板材的切割。

在耐磨零件毛坯制备过程中，热切割凭借效率高、成本低成为工厂首选下料方法。热切割下料时，大量热量使切口附近金属性能发生变化，对加工零件的应用及后续工序有一定影响。因此，选择合适的切割方法对预硬化耐磨钢板的加工成本、精度及预期寿命有重要影响。

近年来随着大功率激光发射器的研究成功并投入应用，激光技术在热切割领域得到广泛应用。激光切割因具有热影响区窄、工件变形小、基本无毛刺、无褶皱、精度高、成本低、效率高等优点被广泛应用［6-9］，但切割时产生的高温会使材料组织发生改变，使用性能大幅下降。文献［10-13］对激光切割Q345 碳钢、钛合金、铝合金、304 不锈钢的工艺参数及设备进行了研究，优化了工艺参数，但对热影响区微观组织的影响没有研究。目前激光切割对预硬化耐磨板材硬度影响的研究较少。

本文以厚度20 mm 进口Hardox500 预硬化耐磨板材为试验用材料，通过试验分析热切割对其硬度及组织的影响，为耐磨零件加工过程中选择相应的热切割方法提供参考。

1 热切割试验材料

1.1 预硬化耐磨板材生产工艺和化学成分

预硬化耐磨板材生产工艺见图1，化学成分见表1。

表1 预硬化耐磨板材化学成分 %

图1 预硬化耐磨板材生产工艺

1.2 力学性能

预硬化耐磨板材力学性能见表2。

表2 预硬化耐磨板材力学性能

屈服强度1 400 MPa、抗拉强度1 600 MPa，说明该耐磨板材具有较高的强度；延伸率10%说明其塑性较好，具有良好的成型能力；碳当量0.41%，说明在焊接时不易发生冷裂纹，具有优异的焊接性；硬度50 HRC，说明其具有较好的耐磨性能。

经测定试验用板材硬度范围为49～51 HRC，不同位置硬度波动不大。硬度测试值与原板材质保书中硬度吻合。

1.3 显微组织

取供货状态的预硬化耐磨板材制备金相试样，其显微组织见图2。可见：没有粗大晶粒，组织均匀细小；以板条状马氏体为主，有少量奥氏体；板条状马氏体和奥氏体由于轧制加工被压扁。

图2 预硬化耐磨钢板金相显微组织

预硬化耐磨板材的硬度主要取决于板条状马氏体组织的形貌，而板条状马氏体组织的形貌是由耐磨板材的化学成分和生产工艺决定。板材淬火时奥氏体组织转变为板条状马氏体。与一般淬火钢相比，预硬化耐磨板材中碳含量0.3%，过饱和度小，晶格畸变，淬火后板材硬度和强度高，塑性和韧性良好［14］。

预硬化耐磨板材中合金元素的加入，不但提高了钢的淬透性，更容易形成板条状马氏体组织，而且能提高马氏体的固溶强化效果，起到细化晶粒的作用，使预硬化耐磨板材具有优异的综合力学性能。通过调整轧制变形量使奥氏体晶粒被拉长压扁，通过高冷却速率使奥氏体转变成板条状马氏体的过程中保留压扁的细小组织［15-16］。同时由于快速冷却在板条状马氏体组织中继承了奥氏体中的高密度位错，从而提高了板材的强度和硬度。此外预硬化耐磨板材碳含量低，其马氏体开始转变的温度较高，在淬火过程中会发生自回火现象，析出渗碳体，使位错组织稳定，起到析出强化的作用［17］。

2 热切割试验及结果分析

2.1 热切割对预硬化耐磨板材硬度的影响

采用火焰切割、等离子切割、激光切割三种方法分别切割板材，用砂纸去除表面脱碳层，垂直于切口方向由近及远依次测量其硬度。

不同切割方法下热影响区硬度分布见图3。

图3 不同切割方法下热影响区硬度分布对比

由图3可知：

1）火焰切割时切口附近硬度明显下降，距切口2.5 mm 处硬度只有22 HRC，之后硬度升高，20.0 mm之后硬度达到板材原始硬度（50 HRC）。火焰切割热影响区范围为距切口0～20.0 mm。等离子切割时切口处硬度（54 HRC）高于板材原始硬度，随着距切口距离增加硬度快速降低，距切口2.0 mm处降至32 HRC，然后硬度开始升高，距切口8.0 mm 处硬度逐渐接近板材原始硬度。等离子切割时热影响区范围为距切口0～8.0 mm。激光切割时切口处硬度达到57 HRC，距切口1.0 mm处硬度最低，其值为36 HRC，随后硬度逐渐升高，距切口2.0 mm 处硬度接近板材原始硬度，激光切割热影响区范围为距切口0～2.0 mm。

从整体来看，热切割后板材热影响区硬度较板材原始硬度大幅下降。这是因为热切割所产生的大量热量使切口附近区域板条状马氏体组织转变为回火索氏体，发生软化现象。

2）与火焰切割相比，激光切割和等离子切割时切口处硬度都超过板材原始硬度。这是因为激光切割和等离子切割加热速度快，几乎在瞬间板材被加热到熔点，随后在很短时间内快速冷却，切口处板材被再次淬火，且淬火冷却速率大于板材供货状态时的淬火冷却速率，同时高速的激光束、离子流也会使切口处板材表面产生残余应力，两种因素共同作用导致切口处硬度升高。

3）与火焰切割、等离子切割相比，激光切割热影响区范围最小、切割速度快、切缝窄且边缘光滑垂直度好。这是因为激光发射器发射出的激光，经光路系统聚焦成大功率的激光束。激光束直接照射到工件表面，使其小范围内短时间达到熔点，同时与激光束同方向的高压气体快速将熔化金属吹走。

在三种热切割方法中，由于激光切割具有较大优势，在金属加工企业中逐渐得到推广应用，因此就激光切割对预硬化耐磨板材组织的影响进行深入分析。

2.2 激光切割对预硬化耐磨板材组织的影响

激光切割后板材不同位置金相图见图4。

图4 激光切割后板材不同位置金相图

由图4 可知：①切口处板条状马氏体组织比原板材细小。这是因为激光切割瞬间产生的高温快速降低，使此处被再次淬火，且淬火冷却速率大于原板材淬火冷却速率。②距切口0.5 mm 处板材组织为回火索氏体。激光切割时产生的高温不能快速冷却，使原细小碳化物溶解，晶粒明显变大，发生回火软化现象，导致板条状马氏体组织转变为回火索氏体。③距切口2.0 mm 处以板条状马氏体组织为主，基本保留原板材组织。距切口4.0 mm 处与原板材均匀的板条状马氏体组织完全一致，说明激光切割没有影响到该处金相组织。

3 结论

1）激光切割、等离子切割和火焰切割热影响区范围分别为距切口0～2.0、0～8.0、0～20.0 mm。切割时回火软化使热影响区板材硬度明显下降。

2）激光切割和等离子切割时切口处硬度高于原板材。这是因为切口处板材再次淬火，且淬火冷却速率大于原板料淬火冷却速率。与此同时，高速的激光束、离子流使切口处板材表面产生残余应力，两者共同作用导致板材硬度升高。火焰切割时切口处硬度低于原板材。