低合金耐磨钢的热处理工艺及力学性能

张志春, 温 佳, 陈国瑞, 吴广辉, 翁泽钜, 顾开选

(1. 陕西铁路物流集团有限公司, 陕西 西安 710076; 2. 湖南联诚轨道装备有限公司, 湖南 株洲 412001;3. 中国科学院 低温工程学重点实验室(理化技术研究所), 北京 100190)

低合金耐磨钢是一种十分重要的耐磨材料,具有较高的硬度和良好的韧性,且合金元素含量较少,生产成本相对较低,易于实现进行轧制、锻造、铸造等热加工成形工艺,适合大规模工业化生产[1]。此外,低合金耐磨钢中的部分钢种可进行焊接加工,在制作形状较为复杂的耐磨零件方面具有特殊的优点。因此,在矿山、能源、交通、农机、工程机械等行业得到了广泛应用[2]。随着国民经济的高速发展,各类耐磨钢的需求量成倍增长,对其耐磨性能等要求也越来越高。

大部分低合金耐磨钢都是马氏体耐磨钢,该类钢的使用态组织为回火马氏体(有时存在少量贝氏体),具有很高的强度和硬度。并且,为保持适当的韧性,钢中碳含量不宜过高,因而通常为中碳钢;为保证淬透性,通常需要加入多种合金元素;为获得适当的高硬度、耐磨料磨损的碳化物颗粒,还加入适量的合金渗碳体或特殊碳化物形成元素[3]。此外,除合金元素的调控,热处理工艺对低合金耐磨钢最终的服役性能也具有重要影响[4]。为了获得最佳的综合力学性能,本文对Mn-Si-Cr系低合金耐磨钢的热处理工艺及力学性能进行研究,通过CCT曲线的测定获得连续冷却过程中的相变规律,考虑到深冷处理能够通过促使残留奥氏体转变和碳化物析出提高钢的耐磨性[5]、尺寸稳定性[6]以及综合力学性能[7-8],本文将深冷处理与低合金耐磨钢的淬火回火相结合,研究其对低合金耐磨钢组织和性能的影响。

1 试验材料与方法

试验原材料采用正火态圆钢,化学成分如表1所示。首先采用DIL805淬火膨胀仪研究材料的连续冷却转变特性,选用φ4 mm×10 mm的圆棒试样,将其加热到950 ℃保温5 min后,以不同的冷却速率(0.2、0.5、1、2、5、10、15、30、50 ℃/s)进行冷却,获得相变点温度。将上述试样进行机械研磨、抛光,并用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀,采用蔡司Axio Scope.A1金相显微镜进行组织观察。结合相变温度点和微观组织确定试样在连续冷却过程中的组织变化,并利用Origin软件绘制出低合金耐磨钢的连续冷却转变曲线。

表1 试验钢的化学成分(质量分数,%)

为进一步提高低温耐磨钢的力学性能,采用中国科学院理化技术研究所研制的程序控制深冷箱(型号SLX-30)开展深冷处理,进行热处理对比试验,研究深冷处理对低合金耐磨钢的影响。热处理工艺见表2,选取850 ℃奥氏体化温度对低合金耐磨钢进行淬火处理后,通过回火得到QT试样;选取850 ℃奥氏体化温度对低合金耐磨钢进行淬火处理后,将试样进行(-180 ℃×4 h)的深冷处理,再通过回火得到QC180T试样。

表2 热处理工艺方案

对不同热处理工艺的试样进行拉伸性能和冲击性能检测,以获得材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率和冲击性能。按GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》进行室温拉伸试验,拉伸试样尺寸如图1(a)所示。按照GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行室温冲击试验,试样尺寸如图1(b)所示。每个工艺分别检测3个试样,取其平均值作为最终结果。硬度采用EM-1500L型显微硬度计进行检测,载荷为200 N。

图1 拉伸试样尺寸(a)和U型缺口冲击试样尺寸(b)Fig.1 Dimensions of tensile specimen(a) and impact specimen(b)

为了研究不同工艺处理后的微观组织变化,采用日立SU1510扫描电镜(SEM)对QT和QC180T试样的微观组织进行表征分析。分别采用150、400、400、800、1000和1500号的砂纸依次对试样进行粗磨,然后采用金刚石抛光膏进行抛光,并用酒精清洗表面,再采用4%的硝酸酒精溶液进行表面侵蚀(侵蚀时间为4 s),先后用水和酒精冲洗试样表面,用吹风机吹干后,保存好以备观察。

2 试验结果及讨论

2.1 低合金耐磨钢的CCT曲线

低合金耐磨钢的CCT曲线如图2所示。从图2中可以看出,该材料的Ac3为816 ℃,不同冷却速率下的转变产物不同。当冷速为0.2～0.5 ℃/s时,组织发生铁素体和珠光体转变;冷速大于1 ℃/s时,开始出现贝氏体转变;2 ℃/s冷却过程中主要发生了贝氏体转变,并伴有少量的马氏体转变;冷速大于5 ℃/s时,仅发生马氏体转变。不同冷速试样的显微组织如图3所示。从图3中可以看出,低合金耐磨钢在不同冷速下的微观组织变化与CCT转变曲线保持一致。并且,当冷速大于5 ℃/s时,随着冷速的提高,组织中的针状马氏体逐渐增多,组织得到细化。

图2 低合金耐磨钢的CCT曲线Fig.2 CCT curves of the low alloy wear-resistant steel

不同冷速试样对应的硬度如图4所示,从图4中可以看出,随着冷速的增加,试样硬度不断提高;当冷速≥5 ℃/s时,随着冷速的增加,硬度提高相对较小。这进一步说明5 ℃/s的冷速下组织已经发生明显的马氏体转变。因此,为获得马氏体组织,淬火过程的冷速应尽可能大于5 ℃/s。结合图3可知,随着冷速的提高,试样中形成更多的针状马氏体,组织得到细化,有利于提高钢的强度和硬度。但是,在实际生产处理过程中,冷速的选择应综合考虑材料的淬火应力和强韧性,以避免淬火裂纹的产生。

图4 低合金耐磨钢不同冷速下的硬度Fig.4 Hardness of the low alloy wear-resistant steel at different cooling rates

2.2 低合金耐磨钢的力学性能

低合金耐磨钢在不同热处理工艺下的拉伸性能和冲击性能如表3所示。由表3可得,两种试样均具有优越的拉伸性能和冲击性能,其中抗拉强度达到1800 MPa以上,屈服强度达到1500 MPa以上,断后伸长率和断面收缩率达到12%和39%以上,冲击吸收能量高于40 J。不仅如此,淬火与回火间增加深冷处理能够显著提高低合金耐磨钢的综合性能,其中抗拉强度提高136.5 MPa,屈服强度提高了141.5 MPa;强度提高的同时伸长率还有所改善,断后伸长率提高了2%左右;冲击性能略有降低,但降低幅度较小,仅8 J左右。从整体上看,深冷处理后的低合金耐磨钢在强度得到提高的同时塑性没有出现下降。

表3 不同工艺处理后低合金耐磨钢的力学性能

为进一步分析低合金耐磨钢力学性能变化的原因,对QT和QC180T试样的拉伸断口进行微观分析,结果如图5所示。从图5(a,b)中可以看出,QT和QC180T试样的拉伸断口存在明显的颈缩,说明该材料具有较好的塑性。其中,QT试样的断口存在明显的起伏,拉伸方向的塑性变形存在一定的不均匀性,而QC180T试样的断口则较为平整均匀。从图5(c,d)可发现,断口的断裂特征为典型的韧窝断裂,韧窝尺寸相对较小且分布比较均匀,也进一步说明了该材料具有优越的强度和塑性。其中,QC180T试样的断口韧窝更为细小,且韧窝深度较深,能吸收更多断裂能,进一步说明增加深冷处理后微观组织的优化引起了断裂特征的变化。

2.3 低合金耐磨钢的微观组织

图6为热处理后低合金耐磨钢的SEM图。从图6中可以看出,两种回火试样的组织均为典型的板条马氏体。这是由于淬火过程中的冷却速率较快,组织中形成过饱和马氏体,且回火温度相对较低,合金元素未发生大量扩散,回火程度较低,使组织仍保留了淬火马氏体形态。但回火工艺有效释放了淬火内应力,从而提高了试样的强韧性。从图6(a,c)中可以看出,当增加深冷处理后,组织中的马氏体板条有细化趋势,这也进一步验证了QC180T试样在拉伸过程中产生的韧窝更加细小,强塑性更好。

图6 不同工艺处理后低合金耐磨钢的显微组织Fig.6 Microstructure of the low alloy wear-resistant steel treated by different processes(a,b) QT; (c,d) QC180T

通过XRD检测可以发现,两种热处理工艺的试样主要为马氏体相,如图7所示。通过XRD曲线测算出QC180T试样的残留奥氏体含量为1.03%,QT试样的残留奥氏体含量为2.20%。由于两者含量均在5%以下,在XRD测算残奥含量误差范围内,说明该低合金耐磨钢淬火后的残留奥氏体含量很低。对于工模具钢来说,深冷处理的主要作用机理在于促进残留奥氏体转变为马氏体以及促进马氏体基体上的超细碳化物析出。对于本低合金耐磨钢而言,淬火+回火后的残留奥氏体含量较低,淬火马氏体中的碳含量相对较低,深冷处理对于残留奥氏体转变和碳化物的析出作用体现得不明显,而主要的作用机理在于促进马氏体板条细化,获得更细的回火马氏体组织。

图7 不同工艺处理后低合金耐磨钢的XRD图谱Fig.7 XRD patterns of the low alloy wear- resistant steel treated by different processes

3 结论

1) 通过CCT曲线测定获得了低合金耐磨钢的Ac3温度为816 ℃,冷却过程中仅发生马氏体转变的临界冷速为5 ℃/s。因此,在实际生产中为了获得高强度的马氏体组织,淬火冷速应保证大于5 ℃/s。

2) 淬火与回火间增加深冷处理能显著提高低合金耐磨钢的综合性能。其中,抗拉强度提高136.5 MPa,屈服强度提高了141.5 MPa,且塑性基本保持不变。

3) 该低合金耐磨钢淬火+回火后的残留奥氏体含量较低,不同热处理工艺的试样中几乎没有残留奥氏体,深冷处理的主要作用机理在于促进马氏体板条细化。