热处理工艺对Q345渗铝钢力学性能及耐磨性的影响.pdf

第 41 卷 第 7 期 2016 年7 月 HEAT TREATMENT OF METALS Vol 41 No 7 July 2016 热处理工艺对 Q345 渗铝钢力学性能及耐磨性的影响 黄 耀1, 王旭明1, 牛海军1, 林德源2, 赵金飞3, 陈云祥2, 刘蔚宁4 (1. 中国电力科学研究院, 北京 100055; 2. 国网福建省电力有限公司, 福建 福州 350003; 3. 福建省电力勘测设计院, 福建 福州 350003; 4. 国网交流建设分公司, 北京 100031) 摘要:研究了不同渗铝温度及冷却方式对渗铝钢力学性能的影响,对比研究了渗铝钢、镀锌钢和原材料的耐磨特性,采用 SEM 及能 谱仪对磨损后的物相进行了分析。 力学性能结果表明:当渗铝温度降低至 715 735 时,采用空冷,可保持原材料的力学性能;耐 磨失重试验表明渗铝钢的质量损失明显低于镀锌钢,其质量损失随着加载力增加而缓慢增加,当加载力从3 N 增加至19 N 时,渗铝 钢质量损失从0. 87 mg 增加至2. 15 mg,其最大质量损失仅为 Q345 的19. 8%,镀锌钢的28. 1%。 对渗铝钢、镀锌钢和原材料磨损后 的物相分析表明:渗铝钢的耐磨相为 Fe-Al-O 化合物,镀锌钢耐磨相为 Fe-Zn 合金氧化物;磨损机理分析表明,Q345 的磨损主要为 粘着磨损,而渗铝钢则为磨粒磨损。 关键词:渗铝钢;磨损机理;热镀锌钢;总质量损失 中图分类号:TG162. 83 文献标志码:A 文章编号:0254-6051(2016)07-0112-06 Effect of heat treatment on mechanical properties and wear resistance of Q345 aluminized steel Huang Yao1, Wang Xuming1, Niu Haijun1, Lin Deyuan2, Zhao Jinfei3, Chen Yunxiang2, Liu Weining4 (1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100055, China; 2. State grid Fujian Electric Power Company, Fuzhou Fujian 350003, China; 3. Fujian Electric Power Survey 4. State Grid Corporation of China, AC Construction Branch, Beijing 100031, China) Abstract: Effect of different aluminizing temperature and cooling method on mechanical properties of aluminized steel were investigated, then a comparative study of wear characteristics between aluminized steel, galvanized steel and Q345 was conducted by using scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectrometer. The mechanical properties results show that when the aluminizing temperature is reduced to 715-735 , mechanical properties of the raw materials can maintain by using air cooling heat-treatment. Wear weight loss test demonstrates that weight loss of aluminized steel is significantly lower than that of galvanized steel, and the weight loss increases slowly with the loading force. When the loading force increases from 3 N to 19 N, weight loss value is enhanced from 0. 87 mg to 2. 15 mg, and the maximum value is only 19. 8% of Q345 steel, 28. 1% of galvanized steel. Phase analysis of the wear of aluminized steel, galvanized steel and Q345 show that wear-resistant phase of aluminized steel is Fe-Al-O compounds, and wear-resistant phase of galvanized steel is Fe-Zn alloy oxide. Wear mechanism analysis shows that the Q345 wear mechanism is adhesive wear, and aluminized steel is abrasive wear. Keywords: aluminized steel; wear mechanism; galvanized steel; total weight loss content 收稿日期:2016-01-09 基金项目:国家电网公司科技项目(GC 作者简介:黄 耀(1985),男,博士,主要从事电网材料设计防腐、先 进汽车用钢研究,E-mail:taohua-daozhu163. com doi:10.13251/ j. issn.0254-6051. 2016. 07.027 近年来,由于电力通信、公路工程、汽车制造和石 油化工等行业的迅速发展及国内外对镀铝钢的大量需 求,热渗铝工艺迅速发展并显示出广阔的应用前 景1。 由于渗铝后能在钢基体表面形成适当厚度的 合金层,这种合金层与基体之间属于冶金结合,牢固不 易脱落,保证了镀层的表面质量2-3。 因此渗铝后的 零件具有良好的抗氧化性、耐磨性、耐蚀性,故对那些 综合力学性能要求高的复杂零件来说,热渗铝具有独 特的优越性。 它工艺简单、操作方便、渗层厚,有助于 改进零件的表面质量,全面提高材料的性能,节约金属 原材料4。 新型渗铝钢材料是利用感应电流快速加热热浸渗 铝技术,将铝原子瞬间渗进钢铁表面并形成晶态铁铝 合金层和纯铝覆盖层,最终生成由渗铝层表面增强钢 基复合新材料。 钢材热浸镀铝技术是将经过一定处理 的钢铁材料或制品放入一定温度熔融铝液中,浸渍适 当时间,使固态铁和液态铝之间发生一系列物理化学 变化,通过扩散在钢铁表面形成 Fe-Al 合金层,从而达 到使表面防护和表面强化相结合的一种表面处理技 术5-10。 众所周知,普碳钢 Q345 经热处理后,原材料 的力学性能变化情况主要受热处理工艺的影响11-12, 第 7 期黄 耀,等:热处理工艺对 Q345 渗铝钢力学性能及耐磨性的影响 113 在实际电力铁塔应用过程中,发现渗铝工艺的不同,对 原材料的力学性能下降影响较大,因此,为了推广 Q345 级渗铝钢在工程中的应用,有必要对不同渗铝工 艺对渗铝钢力学性能及其耐磨性能和磨损机理进行 研究。 1 试验材料与方法 采用某铁塔厂提供的 Q345 热轧角钢,其渗铝工 艺主要采用感应电流快速加热技术,各工序的主要参 数和操作规范为:钻孔除油酸洗水洗活化 水洗钝化烤干渗铝冷却打磨性能检测 包装入库。 其渗铝工艺如图 1 所示。 图 1 Q345 钢渗铝工艺示意图 Fig. 1 Schematic of aluminizing process for the Q345 steel 在渗铝角钢上平行于轧制方向切取 A50 拉伸试 样,拉伸试验依据 GB/ T 228. 12010金属材料 拉伸 试验 第1 部分:室温试验方法在 CMT-4105 型万能试 验机上进行。 为了研究渗铝钢的耐磨特性,将渗铝钢和镀锌钢 做对比研究,用线切割机将原材料 Q345 角钢、渗铝钢 和镀锌钢切割成尺寸为 2 mm 2 mm 2 mm 的试样, 用砂纸打磨掉试样表面的氧化层制成试验前试样。 在 MG-2000 型干摩擦磨损试验机上进行销、盘式干滑动磨 损试验,磨损试验参数为:在室温下进行载荷为3 19 N, 间隔为4 N 的磨损试验;试验机的转速为600 r/ min。 试 样在磨损前后都用丙酮清洗除去表面油污,再采用称 量法来确定试样的磨损量。 用电子分析天平 E180(精 度为 10 5 mg)称量试验前后销试样的质量,连续试 验 3 个试样,3 个试样试验前后质量差的平均值确定 为磨损质量损失。 用 HV-1000 型数字显微硬度计(载荷 500 g)测量 热浸铝试样扩散退火后的镀层及磨损试样的剖面显微 硬度分布,从表面一端开始每隔 30 m 测一次,一直 测量到试样硬度值不变处,记录所有测量的数据。 用 JSM-7001F 型扫描电子显微镜分析镀层、磨面及剖面 的微观组织形貌,并用 Inca Energy 350 型能谱仪分析 微区成分。 2 试验结果与讨论 2. 1 冷却方式对渗铝钢力学性能的影响 为了研究渗铝后,冷却工艺对最终 Q345 角钢力 学性能的影响,采用 3 种不同工艺方法,即渗铝后立即 水冷、渗铝后空冷和渗铝后空冷 1 min 后再立即水冷, 具体如表1 所示。 由表1 可知,原始 Q345 钢的抗拉强 度为609 616 MPa,下屈服强度为383 MPa,总的伸长 率为 25%27%,而采用水冷的工艺,其抗拉强度和屈 服强度增加显著,但是韧性下降剧烈,具体表现为:水 冷 3 5 min 时,下屈服强度从 383 MPa 增加至 452 MPa,抗拉强度则从609 MPa 增加至889 921 MPa,而 总伸长率均则从 25. 0%迅速降低至 10. 0%。 表 1 不同冷却方式下 Q345 角钢的力学性能 Table 1 Mechanical properties of the Q345 steel under different cooling conditions 编号 T/ t/ min冷却方式Rm/ MPaReL/ MPaA/ % A17800无61638325.0 A27800无60938427.0 B17805水冷92145210.0 B27803水冷88945910.0 B37802水冷87752018.0 B47801水冷87658011.5 C17803.5空冷57234926.5 C27805空冷57137628.5 D17805空冷 1 min 后水冷84649114.0 众所周知,采用热处理后,钢材强度明显上升,而 塑性明显下降,主要和热处理过程中,钢材部分奥氏体 化,在随后水冷的过程中,产生了相变有关。 Q345 钢 的 Ac1温度为 755 ,Ac3温度为 875 ,因此,当热 处理温度为780 ,其热处理温度高于 Ac1相变点,在 等温过程中,会产生部分奥氏体化,随后在水冷过程 中,产生了相变,生成了一定含量的马氏体组织,马氏 体组织较硬且脆,所以材料的强度增加而韧性下降严 重,即表现为强度迅速提高,而伸长率下降至 10. 0% 左右,热处理的时间越长,其产生马氏体含量越高,从 而屈服和抗拉强度越高,伸长率越低(如 B1、B2 至 B3 的力学性能变化),D1 的性能降低也表明水冷对原材 料性能的影响;而热处理后采用空冷,其伸长率基本上 维持在 26%28%,下屈服强度下降了 30 40 MPa, 主要是因为奥氏体化后再空冷,新生成的铁素体粗化 引起的。 综上所述,在780 进行渗铝处理,随后水冷 114 第 41 卷 并不适合于渗铝钢的生产,而空冷会降低材料的下屈 服强度 30 40 MPa,对原始材料伸长率影响不大。 2. 2 渗铝时间对渗铝钢力学性能的影响 从表 1 可知,渗铝后水冷工艺严重影响原材料的 力学性能,而空冷工艺对原材料拉伸性能影响较小,因 此,采用 735 的加热温度,对原材料进行不同时间 (3 5 min)的热处理,随后空冷,渗铝后钢件的力学性 能变化如表 2 所示。 表 2 渗铝不同时间对原材料力学性能的影响 Table 2 Influence of different aluminizing time on mechanical properties of the raw materials 编号 T/ t/ min 冷却 方式 Rm/ MPa ReL/ MPa A/ % 渗铝层 厚度/ m H17350空冷56837829.90 H27350空冷52335533.10 H37350空冷50034634.10 H47350空冷50336833.90 E17353空冷52535234.351 63 E27353空冷50634033.751 63 E37353空冷53833933.849 68 E47353空冷52733634.649 68 F17354空冷51534233.262 75 F27354空冷52335434.862 75 F37354空冷54033936.957 76 F47354空冷53133736.057 76 G17355空冷51934631.259 69 G27355空冷52535634.659 69 G37355空冷52932836.170 89 G47355空冷52533236.070 89 注:编号中的数字 1 4 表示平行试样。 由表 2 可知,原始材料的下屈服强度为 346 425 MPa,抗拉强度为 500 568 MPa, 总伸长率为 29. 9%34. 1%,当渗铝温度为 735 时,其渗铝时间 为 3 min 时,其材料的力学性能基本上和原材料保持 一致,具体表现在,抗拉强度为 506 538 MPa,下屈服 强度为 336 352 MPa,总伸长率为 33. 7% 34. 6%; 当渗铝时间增加至4 min 和5 min 时,其力学性能值变 化不大,渗铝层的厚度随着渗铝时间的延长而增加,即 从3 min 时的51 63 m 增加至5 min 时的70 89 m。 表 2 表明,当渗铝温度由780 降低至735 时,采用 空冷,渗铝时间(3 5 min)对渗铝钢原材料力学性能 的影响较小,渗铝层的厚度随着渗铝时间的增加而 增加。 2. 3 渗铝温度对渗铝钢力学性能的影响 为了研究渗铝过程时热处理温度对渗铝钢力学性 能的影响,对比研究了渗铝温度为 780、735 和 715 时材料的力学性能变化,具体力学性能数值如表 3 所示。 表 3 渗铝温度和空冷对原材料力学性能的影响 Table 3 Effect of aluminizing temperature and air cooling on mechanical properties of raw materials 编号T/ t/ min 冷却方式 Rm/ MPaReL/ MPa A/ % X100无61645528.4 X200无60944927.0 C17803.5空冷57234926.5 C27805空冷57137628.5 E17353空冷52535234.3 F17354空冷51534233.2 G17355空冷51934631.2 I17153空冷58443827.1 I27153空冷59144327.2 J17156空冷57243427.6 J27156空冷57042529.0 注:C 系列原始材料的力学性能见表1;E G 原材料的力学性能见表2。 由表 1 3 可知,当渗铝温度为 780 时,渗铝后 材料的下屈服强度降低了 35 MPa,抗拉强度降低了 45 MPa,伸长率变化不大;当渗铝温度为 735 时,经 渗铝 +空冷热处理后,其力学性能和原件相比较:下屈 服强度降低了约9 MPa,抗拉强度降低了约6 MPa,伸长 率基本上变化不大。 由此可知,当渗铝温度为 735 + 空冷热处理后,原材料经渗铝后,力学性能基本上维持 材料的原始性能;同理,当渗铝温度降低至 715 ,材 料的力学性能基本上和原材料保持了一致性。 综上所述:表 1 3 表明,渗铝温度和冷却方式对 原材料的性能影响较大,当渗铝温度降低至715 735 时,采用空冷,可保持原材料的力学性能。 2. 4 渗铝钢耐磨特性研究 与传统金属材料(钢铁材料)相比,铁铝金属间化 合物具有优异的抗高温氧化性、耐腐蚀性和高温强度。 碳钢渗铝是渗入铝原子同基体铁原子相互扩散而形成 的铁铝合金层,即金属的固溶体层或金属间化合物层。 为了在输电线路中推广渗铝钢的使用,需要对渗铝钢 的耐磨性能进行系统完整的性能评价,提供其在输电 线路中使用的理论依据。 为了整体评价渗铝钢的耐磨 特性,对比研究了渗铝钢、镀锌钢和原材料在磨损后的 质量损失、硬度变化及磨损产物。 第 7 期黄 耀,等:热处理工艺对 Q345 渗铝钢力学性能及耐磨性的影响 115 2. 4. 1 质量损失分析 图 2 是渗铝钢、镀锌钢和 Q345 钢经不同加载力 磨损后的质量损失对比图。 由图可知,热浸镀铝钢、热 浸镀锌钢及 Q345 钢的质量损失随载荷增加均有不同 程度的增加。 当载荷在 7 N 时,热浸镀铝钢的质量损 失最小,为 1. 03 mg,热浸镀锌钢的质量损失次之,达 1. 33 mg,Q345 钢的质量损失最大,达到了2. 43 mg,为 渗铝钢的 2. 4 倍,镀锌钢的 1. 8 倍。 当载荷由 11 N 增 加至 19 N 时,Q345 钢的质量损失几乎线性上升,从 5. 07 mg 增加至 10. 85 mg;热镀锌钢在 7 15 N 范围 内,少量上升,15 19 N 范围上升速度较快,但是其质 量损失均小于 Q345 钢,19 N 时质量损失为 7. 65 mg; 渗铝钢随着载荷增加至 19 N,其质量损失缓慢增加, 当加载力从 3 N 增加至 19 N 时,渗铝钢质量损失从 0.87 mg 增加至 2. 15 mg,其最大质量损失仅为 Q345 钢的19. 8%,镀锌钢的 28. 1%。 总的来说,随着加载 力的增加,3 种材料均随着力的增加,其质量损失不断 增加,渗铝钢随着载荷的增加,质量损失缓慢增加,且 在载荷力 Q345 钢。 参考文献: 1 Li Y S, Ma H T, Yang L Z, et al. 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