热处理对42CrMo钢截齿微观组织与力学性能的影响

袁志钟, 王梦飞, 段旭斌, 杨海峰, 李表敏, 罗 锐, 赵小强, 程晓农

(1. 江苏大学 材料科学与工程学院, 江苏 镇江 212013;2. 镇江市宝偃工程机械有限公司, 江苏 镇江 212010)

截齿是装配在采煤机、掘进机和路面铣刨机等采掘类工程机械上的关键零部件,属于易损部件[1-4],其性能优劣直接影响矿山采掘、路面修整、隧道开凿等工程的生产效率与经济效益。截齿形状如图1所示,截齿尖为硬质合金,通过钎焊与截齿体紧密连接,截齿体常用42CrMo等中碳合金钢制造;齿柄通过弹性卡套和耐磨垫片整体装配到铣刨鼓的截齿座上,耐磨垫片用65Mn等弹簧钢制备,辅以镀锌工艺。在服役过程中,截齿直接与煤层、泥沙、岩石和水泥等接触,进行破凿、铣削作业,承受周期性的冲击、剪切和挤压等作用力,服役环境极其恶劣,因此,要求截齿尖具备高硬度和高耐磨性,齿头具备高耐磨性,齿柄具备良好的冲击性能[5-6]。截齿的主要失效形式有3种,硬质合金齿尖脱落、截齿体弯曲或折断以及磨损[7-8]。

图1 试验用42CrMo钢截齿的尺寸Fig.1 Dimensions of the tested 42CrMo steel pick

近年来,随着我国煤炭矿业、隧道掘进和交通建设等领域的迅速发展,市场对截齿的需求量及质量要求不断提高。为延长截齿使用寿命,诸多学者对截齿材料的热处理工艺展开了一系列研究[9-14]。汪旭超等[15]利用碳、硼复合渗提高了40CrNiMo钢截齿齿体的耐磨性;王永刚[5]采用“零保温”淬火工艺使截齿达到了外硬内韧的效果;李威等[16]研究了35CrMnSi钢截齿的等温淬火工艺;陈俊丹等[17]研究了回火温度对42CrMo钢冲击性能的影响;文超等[18]研究了在较低温度下,等温淬火和回火对42CrMo钢性能的影响;席志伟等[19]研究了不同预备热处理对亚温淬火-回火后42CrMo钢性能的影响。目前大多数国产截齿的性能已经得到大幅提升,具备了很好的竞争优势,但是用于水泥路面等硬基材破凿的截齿还与国外维特根(Wirtgen)、肯纳金属(Kennametal)等公司产品存在差距。

本文以42CrMo钢截齿零部件为实测试样,基于下贝氏体(LB)和马氏体(M)复相强化的理论基础对截齿进行了多种复相热处理,并基于感应加热的思路对截齿开展了局部感应淬火研究,分析了热处理工艺对截齿的微观组织、硬度、冲击吸收能量以及断口形貌的影响。

1 试验材料及方法

本文所用试样为热锻后、钎焊前的42CrMo钢截齿齿体,其尺寸如图1所示。采用M5000型直读光谱仪测定其成分,如表1所示。

表1 42CrMo钢的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of the 42CrMo steel (mass fraction, %)

试验钢采用5种热处理工艺曲线及流程图,如图2所示。图2(a)为淬火+低温回火,简称Q-T工艺;图2(b)为等温淬火+淬火+碳分配+回火工艺,简称A-Q-P-T工艺;图2(c)为等温淬火+淬火+回火工艺,简称A-Q-T工艺;图2(d)采用快速水冷至等温淬火温度+水淬+回火,简称QC-A-Q-T工艺。这4种工艺都是进行整体的热处理,采用SXL-1200型箱式炉进行加热,试样涂覆防氧化涂料减少氧化脱碳;等温淬火和碳分配都是在恒温硝盐池中进行的,硝盐由55%KNO3+45%NaNO2混合而成;图2(e)为局部感应淬火工艺,先采用网带炉对截齿整体进行调质处理(Q&T),工艺参数为860 ℃×60 min+540 ℃×4 h,油淬,接着对齿头部位进行感应透热淬火,采用工频感应加热,感应淬火参数为频率27.5 Hz,功率64 kW,加热9.5 s,喷液14 s,最后对截齿整体进行160 ℃×4 h的回火处理。

图2 热处理工艺曲线(a)Q-T;(b)A-Q-P-T;(c)A-Q-T;(d)QC-A-Q-T;(e)感应淬火Fig.2 Heat treatment process curves(a) Q-T; (b) A-Q-P-T; (c) A-Q-T; (d) QC-A-Q-T; (e) induction quenching

采用Leica DMi8型金相显微镜和Phenom XL型扫描电镜(SEM)观察试样的微观组织,腐蚀剂为4vol%的硝酸酒精溶液。采用HRS-150型洛氏硬度计按GB/T 230.1—2018《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分:试验方法》测量试样的硬度,在截齿中心纵截面上的硬度测试取点位置如图3所示。采用NI 300型金属摆锤冲击试验机按GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行夏比V型缺口冲击试验,取样方式按MTT 246—2006《采掘机械用截齿》进行。采用D8 Advance型X射线衍射仪,参照YB/T 5338—2019《钢中奥氏体定量测定 X射线衍射仪法》检测试样中的残留奥氏体(RA)含量。

图3 截齿中心纵截面上的硬度测试取点示意图Fig.3 Schematic diagram of location of hardness test points on central longitudinal section of the pick

2 试验结果与讨论

2.1 硬度

如图3所示,每个竖列的3个硬度测试点是为了表征表面和心部的硬度差异,直径越大的位置,表面和心部硬度差别越大。经过测量,在直径最大的位置⑦、⑧、⑨一组的硬度差异最大,对于整体热处理的4组试样而言,该位置硬度差异最大为2.7 HRC,最小为0.5 HRC;感应淬火一组的感应淬火区域为横向②到⑧的位置,由于采用了较低的感应加热频率,所以竖向硬度差异最大仅为3 HRC。总体来看,因为截齿零部件尺寸不大,42CrMo钢是中淬透性钢,截齿在淬火过程中可以完全淬透,因此热处理后截齿试样表面与心部硬度差别不大。

为进一步比较各种热处理工艺处理后截齿试样硬度的差别以及截齿试样沿中心轴线处从齿头到齿柄的硬度变化情况,取图3中心轴线处的硬度数据(图3中序号为②、⑤、⑧、、和位置处的硬度值),并与试验测得的肯纳金属和维特根生产的截齿硬度作对比,如图4所示。从截齿头部硬度来看,感应淬火后的试样硬度最高,其余工艺的硬度从高到低排序为Q-T、QC-A-Q-T、A-Q-T和A-Q-P-T,其中,A-Q-T和A-Q-P-T处理后的截齿整体硬度十分相近,说明碳分配的作用不明显;维特根的齿头硬度低于Q-T工艺。从轴向硬度变化趋势来看,只有局部感应淬火工艺、肯纳金属和维特根的截齿从齿头到齿柄的硬度变化很大,都是齿头硬度较高、齿柄硬度较低。从服役的角度来分析,齿头到齿柄的硬度应呈现从高到低的变化,这有利于齿头承受剧烈摩擦,齿柄承受冲击载荷,可以极大提高使用寿命。

图4 热处理工艺对42CrMo钢截齿硬度的影响Fig.4 Effect of heat treatment process on hardness of the 42CrMo steel picks

2.2 微观组织

硬度差异的根本原因在于微观组织的变化,如图5所示,热处理之后的截齿金相图显示出很多组织差异。Q-T工艺处理后的试样组织为回火马氏体(M′),如图5(a)所示。42CrMo钢为中碳合金结构钢,截齿齿体横截面面积最大处直径为φ35 mm,可以保证淬透性,淬火后截齿显微组织为位错型板条M,为保证硬度,采用低温回火,回火过程中M分解,析出ɛ-碳化物,组织转变为M′,但仍保留着板条状M的原始形貌。

图5 热处理工艺对42CrMo钢截齿微观组织的影响(a)Q-T;(b)A-Q-P-T;(c)A-Q-T;(d)QC-A-Q-T;(e)局部感应淬火工艺-齿头;(f)局部感应淬火工艺-齿柄Fig.5 Effect of heat treatment process on microstructure of the 42CrMo steel picks(a) Q-T; (b) A-Q-P-T; (c) A-Q-T; (d) QC-A-Q-T; (e) local induction quenching-pick head; (f) local induction quenching-pick handle

A-Q-P-T工艺处理后的试样组织为M′+LB+RA,如图5(b)所示。340 ℃短时等温,可获得10%左右的LB,同时可减小热应力[20],之后再在170 ℃盐浴炉中等温,使得剩余过冷A转变为板条M,并进行碳分配,目的是让过饱和α-Fe中的碳原子扩散至RA中,从而提高RA的室温稳定性[21-24],最后试样在170 ℃回火2 h后,进一步稳定RA并去除应力,而LB形貌无明显变化,故最终组织为M′+LB+少量RA。在金相图中,LB呈暗黑色细针状形貌,尺寸不一,与周围M′位向不同。等温淬火过程中先形成的LB分割了初始A晶粒,减小了随后形成的M的领域尺寸,使得随后生成的M板条细小,相当于细化晶粒的作用。此外,在金相图中仅观察到少量的RA,说明A-Q-P-T工艺处理后的截齿微观组织中RA含量很少。

A-Q-T工艺处理后的试样组织为M′+LB+RA,如图5(c)所示。与A-Q-P-T处理后的试样相比,金相无明显区别。钢淬火后RA的数量主要取决于A的化学成分,42CrMo钢是中碳钢,且合金含量较低,淬火后RA含量很少,所以对A-Q-T工艺,即使A-Q-P-T工艺增加了碳分配工序,由于该材料本身淬透性好,并且Si含量较低,所以碳分配效果不明显,最终截齿微观组织中的RA含量变化并不大。

QC-A-Q-T工艺处理后的试样组织为M′+LB+RA,如图5(d)所示。与A-Q-T工艺处理后的试样组织(见图5(c))相比,QC-A-Q-T工艺处理后试样组织中的晶粒更加细小均匀,M板条束变窄,M板条长度变短,厚度变薄,因为QC-A-Q-T工艺在860 ℃→340 ℃温度区间采用水冷,提高了冷却速度,增大了形核数量,使晶粒得到了细化。

局部感应淬火工艺处理的截齿试样,因为齿头和齿柄所采用的热处理方式不同,所以两个部位得到的微观组织不同,齿头组织为M′,如图5(e)所示,齿柄组织为回火索氏体(S′),如图5(f)所示。齿头是在调质处理后进行了局部感应淬火和整体回火,与其他工艺处理后的试样组织(见图5(a～c))相比,其齿头的微观组织中的M′板条更加细小均匀,因为感应淬火加热速度快、时间短,原A晶粒不易长大。齿柄是在调质处理后未进行感应淬火,只进行了低温回火,最终得到的组织为S′。

利用SEM进一步对试样的微观组织进行表征,结果如图6所示。由图6(a)可以观察到明显的原A晶界,若干近似于平行分布的粗大M板条由原A晶界不断向晶内生长,最后原A晶粒转变为若干位向不同的M板条束,回火后,M分解形成M′,回火过程中析出的碳化物弥散分布于M块上,绝大部分组织仍保持着原M板条状形貌。

图6 42CrMo钢截齿经不同热处理后的SEM图(a)Q-T;(b)A-Q-P-T;(c)A-Q-T;(d)QC-A-Q-T;(e)局部感应淬火工艺-齿头;(f)局部感应淬火工艺-齿柄Fig.6 SEM images of the 42CrMo steel picks after different heat treatments(a) Q-T; (b) A-Q-P-T; (c) A-Q-T; (d) QC-A-Q-T; (e) local induction quenching-pick head; (f) local induction quenching-pick handle

观察图6(b～d),均可以看到少量岛屿状或块状的M/RA,但面积占比都很小,无明显差别;还可以观察到极少数白亮色的长条状和薄膜状的RA。此外,在图6(b～d)中均可观察到分布不均匀的针片状LB,其与周围M板条的位向差别很大,且LB的F(铁素体)条长短与宽窄不一致,一些F条很宽的LB已近似于板块状,并且在LB的F基体上成行地分布着细微的短棒状或颗粒状碳化物,与F长轴成50°～60°。从图6(d)中还可以看到个别LB沿原A晶界向晶内生长,将原A领域分割,使得后续淬火过程中生成的M束只能在被分割后的领域内生长,最终形成更细小的M组织。比较图6(a～d),可以发现图6(d)中的LB和M板条尺寸均小于其他三者,这与图5的分析一致,这是由于QC-A-Q-T工艺在高温区域冷却时冷却速度更快所导致的。

图6(e,f)是局部感应淬火工艺处理后截齿齿头和齿柄的SEM图。可以看到,图6(e)中有细小的M′板条束,且在M′板条间存在块状和岛屿状的RA。图6(f)是齿柄在调质处理后得到的S′,可以看到,在淬火过程中形成的M板条在高温回火后已基本合并,M板条位向与形貌消失,在F基体上可以看到大量弥散分布的粒状碳化物,RA也已经完成分解,岛状形貌消失。

为检测各种试样中RA的具体含量,对试样进行了XRD测试,结果如图7所示,可以看到,衍射峰都是α-Fe的衍射峰,并未检测到γ-Fe的衍射峰,说明不同工艺处理后的试样中RA的体积分数都很小,小于XRD测量RA的最低含量极限3vol%,这与金相图和SEM图观察分析结果相吻合,因为42CrMo钢碳含量不高,淬透性较好,所以RA的含量极低。

图7 不同工艺热处理后试验钢的XRD图谱Fig.7 XRD patterns of the tested steel after different heat treatments

2.3 冲击吸收能量

热处理工艺对截齿冲击吸收能量的影响如图8所示。可以看出,局部感应淬火处理的截齿冲击吸收能量最高,为43.1 J,其次是QC-A-Q-T工艺,为22.6 J,大小约为局部感应淬火试样的一半,之后,从高到低依次是A-Q-P-T、A-Q-T和Q-T,Q-T的KV2值最低,仅为13.7 J。

图8 热处理工艺对42CrMo钢冲击吸收能量的影响Fig.8 Effect of heat treatment process on impact absorbed energy of the 42CrMo steel

综合图5、图6分析,可以解释图8所示的不同热处理后截齿试样的冲击吸收能量存在差异的原因。局部感应淬火工艺冲击性能最好是因为其冲击试样V型缺口的位置在截齿横截面面积变化处,即齿头与齿柄交界处,此处为S′(回火索氏体)组织,晶粒尺寸细小均匀,碳化物弥散分布,综合力学性能非常好,因此冲击性能最好。其余所有工艺热处理前的预备组织均为退火态,与调质相比具有先天不足的缺点。在这些工艺中,复相工艺显示出比Q-T工艺更好的冲击性能,具体原因如下,首先,是前文提到的LB/M的细化晶粒作用;其次,LB塑性较好,在受到外力作用时,均匀分布于强硬M基体上的塑韧性LB相可通过塑性变形,有效地缓和裂纹尖端的三向应力集中,使得裂纹扩展速度减慢[25]。最后,LB/M复相组织中LB的存在,使得相界面增多,塑性变形时,应力集中小且分散,屈服强度高。此外,不规则分布的LB与M板条之间呈大角度晶界,裂纹通过LB/M相界时将发生更大的偏转,使裂纹进一步扩展时经过的路程更长,裂纹扩展及材料断裂时消耗的能量更多,最终使得裂纹扩展速度减慢,甚至停止[26-27]。

在复相工艺里,A-Q-P-T工艺和A-Q-T工艺处理后的截齿冲击吸收能量均低于QC-A-Q-T工艺处理后的。虽然这两种工艺处理后截齿的微观组织同样是LB/M复相组织,同样还含有少量RA,但与QC-A-Q-T工艺相比,这两种工艺从860 ℃到340 ℃采用硝盐冷却,冷却速度略小,导致晶粒尺寸略大,因此最终试样的冲击吸收能量都略小于QC-A-Q-T工艺处理后的。常规Q-T工艺处理后试样的微观组织为粗大M′组织,冲击吸收能量最低。

2.4 冲击断口形貌

不同工艺热处理后截齿试样的宏观和微观冲击断口形貌如图9和图10所示。

图9 不同工艺热处理后42CrMo钢截齿的冲击断口宏观形貌(a)Q-T;(b)A-Q-P-T;(c)A-Q-T;(d)QC-A-Q-T;(e)局部感应淬火Fig.9 Macromorphologies of impact fracture of the 42CrMo steel picks after different heat treatments(a) Q-T; (b) A-Q-P-T; (c) A-Q-T; (d) QC-A-Q-T; (e) local induction quenching

图10 不同工艺热处理后42CrMo钢截齿的冲击断口微观形貌(a)Q-T;(b)A-Q-P-T;(c)A-Q-T;(d)QC-A-Q-T;(e)局部感应淬火Fig.10 Micromorphologies of impact fracture of the 42CrMo steel picks after different heat treatments(a) Q-T; (b) A-Q-P-T; (c) A-Q-T; (d) QC-A-Q-T; (e) local induction quenching

Q-T试样的宏观断口形貌(见图9(a))平滑光亮,左右两侧的剪切唇面积最小,其微观形貌(见图10(a))可以观察到河流花样和成扇状的沿晶断面和穿晶刻面,还存在一些孔隙,撕裂棱非常少,呈现出脆性较大的断口形貌,这与上文Q-T试样的微观组织与冲击吸收能量相符,该工艺为全M′组织,韧性较差。

A-Q-P-T试样的宏观断口形貌如图9(b)所示,可以看到其左右两侧的剪切唇面积大于Q-T试样,且出现了沟壑状形貌。其微观形貌(见图10(b))呈现出准解理断裂的特征,同时存在解理刻面和围绕在解理刻面周围的撕裂棱,前者属于脆断形貌,后者属于韧性断裂形貌。

A-Q-T试样的宏观和微观断口形貌分别如图9(c)和图10(c)所示,可以看到其宏观形貌与微观形貌均与A-Q-P-T试样的相近,都存在解理刻面和撕裂棱,属于准解理断裂,所以两者冲击吸收能量大小相近。

观察QC-A-Q-T试样的断口形貌,从图9(d)中可以看到,其宏观形貌(大片黑色为沾污区域)与A-Q-T和A-Q-P-T试样的相近,左右两侧的剪切唇面积大于Q-T试样的,存在沟壑状形貌,此外,在QC-A-Q-T试样的宏观断口形貌中,远离V型缺口的一端可以看到呈“S”形起伏的台阶状形貌。其微观形貌虽然同样存在解理刻面和撕裂棱,属于准解理断裂,但从其微观形貌(见图10(d))中可以看到明显多于A-Q-T与A-Q-P-T试样的韧窝数量,且存在较大、较深的韧窝,部分大韧窝底部还存在小韧窝,韧窝是韧性断裂的主要特征。这与上文的微观组织与冲击吸收能量相吻合,LB/M复相强化和细晶强化使得QC-A-Q-T试样的冲击吸收能量高于A-Q-P-T与A-Q-T试样。

与前面4种工艺相比,局部感应淬火后试样的宏观断口形貌(见图9(e))中左右两侧的剪切唇面积最大,断口表面颜色更暗,表面更粗糙,其微观形貌(见图10(e))显示断口大部分为尺寸较小的等轴韧窝,少数呈抛物状拉长韧窝,是典型的韧性断裂特征。

3 结论

首先,LB/M的复相热处理工艺展现出比常规Q-T工艺更好的冲击性能,多相产生的细晶强化以及LB优良的综合力学性能是其主要机理。

其次,在调质的基础上,采用对齿头局部感应淬火的工艺,使得截齿齿头硬度最高(55.8 HRC)的同时,受力面处的冲击性能最好(43.1 J)。这得益于截齿受力面处S′良好的综合力学性能,以及齿头感应淬火工艺的晶粒不易长大、硬度高、脱碳倾向小等优点。整体而言,局部感应淬火工艺处理的截齿具有齿头硬度高,齿柄韧性好的特点。该工艺产生的轴向硬度分布与维特根和肯纳金属的同类产品最为接近,有利于延长服役寿命。

综上,热处理是截齿这种关键零部件制造工艺的核心,本文在这方面的试验数据以及理论分析,对高品质截齿的工业化生产具有一定的指导意义。