热处理工艺对衬板用低碳高合金钢组织和性能的影响

仓仓仓仝仝试验研究热处理工艺对衬板用低碳高合金钢组织和性能的影响刘献华，王文芳，吴玉程，高雷合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥230009摘要研究了经不同介质和不同温度淬火并于250OC回火后衬板用低碳高合金钢的组织和性能。结果表明，淬火和回火后钢的组织为板条马氏体、少量残留奥氏体及碳化物，具有较高的强韧性。该钢获得良好的韧性与硬度配合的热处理工艺为1020OC油淬、250OC回火。关键词低碳高合金钢；热处理；组织；性能；马氏体中图分类号TG142332文献标识码A文章编号10081690201204003703EFFECTOFHEATTREATMENTPROCESSONMICROSTRUCTUREANDPROPERTIESOFLOWCARBONHIGHALLOYSTEELFORLINERUUXIANHUA，WANGWENFANG，WUYUCHENG，GAOLEISCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING，HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，HEFEI230009，ANHUICHINAABSTRACTALOWCARBONHIGHALLOYSTEELFORLINERWASQUENCHEDFROMDIFFERENTAUSTENITIZINGTEMPERATURESINVARIOUSMEDIAANDSUBSEQUENTLYTEMPEREDAT250OCTOREVEALTHEEFFECTOFHEATTREATMENTPROCESSONITSMICROSTRUCTUREANDPROPERTIESTHERESULTSINDICATETHATTHEMICROSTRUCTURECONSISTSOFLATHMARTENSITEANDASMALLAMOUNTOFRETAINEDAUSTENITEANDCARBIDE，ANDOFFERSHIGHERSTRENGTHANDTOUGHNESSTHESTEELQUENCHEDINOILFROM1020OCANDTEMPEREDAT250WILLOFFERGOODTOUGHNESSANDHIGHERHARDNESSKEYWORDSLOWCARBONHIGHALLOYSTEEL；HEATTREATMENT；MICROSTRUCTURE；PROPERTY；MARTENSITE粉磨球磨机械在冶金、矿山、电力等行业应用广泛，其衬板和磨球是目前消耗量最大的耐磨材料。据不完全统计，目前我国各种易损件的年消耗量达数百万T，造成了巨大的经济损失。我国一直以来主要用高锰钢作为球磨机衬板，高锰钢的原始强度和硬度均较低，因其铸造的零部件厚重，并且在低能量冲击下不能充分硬化，耐磨性不理想，而在高能量冲击下变形又严重，无法保证零部件的尺寸和形状精度。此外，在冶金、矿山、电力等行业，衬板和磨球不仅受到浆料的腐蚀，还受到物料的冲击和磨损，这些都加快了耐磨材料的磨损，使其使用寿命缩短。因此，国内外专家学者在研究用其他材料，如中碳合金钢、改性高锰钢、新型马氏体耐磨钢、中铬合金耐磨钢等来取代高锰钢。为此，本课题与合肥水泥研究院研制了一种适合于铁矿石浆料的低碳高合金钢衬板，为获得韧性与硬度的最佳配合而寻求最合适的热处理工艺。本文研究了热处理工艺对这种球磨机衬板用低碳高合金钢组织和性能的影响。1试验材料与方法11试验材料试验用钢为自行研制的低碳高合金钢，其化学成分如表1所示。经熔炼后浇注成衬板，然后采用不同的工艺进行热处理。在淬火加热前根据经验公式45计算相变点的温度A3910320C18SI5CR13MO一14NI一10MN表1试验用钢的化学成分质量分数，TABLE1CHEMICALCOMPOSITIONOFTHEINVESTIGATEDSTEELMASSFRACTION，CCRNICUSIMNMOPS037740610670820730300530035根据上式计算出试验用钢的相变点A3为855。由于合金元素的扩散速度比碳慢，所以淬火收稿日期20120104作者简介刘献华1985一，男，江西赣州人，硕士研究生。EMAILLIUXIANHUA0908163CONL联系人王文芳，副教授，硕士生导师，从事金属材料及复合材料方面的教学和科研工作。联系电话05512905150，EMAILWWF589YAHOOCORNEN热处理2012年第27卷第4期且M4,均匀；分别从10200【和1060油冷后钢中残留奥氏体比经其他三种工艺处理后的都要多，可能是因为较高温度下，奥氏体中的合金元素含量较高，MS点下降，加上油淬的冷却速度慢，残留奥氏体量就多。为对5种试样做整体分析，由上述黑白两种组织的显微硬度测定结果可知，白亮区的显微硬度值474600HV明显高于暗黑区组织的显微硬度值388512HV。由图1、图2和合金中常见相的显微硬度值可以推知，白亮区是由少量的残留奥氏体和极细的板条马氏体组成，这种马氏体称为隐晶马氏体。隐晶马氏体的含碳量比一般板条马氏体的含碳量高。而碳含量在00505质量分数范围内，马氏体的硬度随马氏体的含碳量增加而升高，并与残留奥氏体量的逐渐增多相对应J。隐晶马氏体区的耐腐蚀性比一般板条马氏体要好，经过腐蚀剂腐蚀后仍然是白亮色。隐晶马氏体的形成是由于偏析造成奥氏体晶粒内化学成分不均匀，淬火后形成的马氏体含碳量不均匀所致，成分的偏析，一种可能是在铸造过程中形成；还有一种可能是，由于碳原子极易扩散，马氏体在淬火过程中或淬火后在室温停留时，碳原子发生偏聚甚至弥散析出碳化物。由图1可知，油淬后的偏析比水淬和雾淬的小；从1020和1060OC油淬的钢偏析比从980油淬的钢偏析小。因为温度高，合金化和合金元素扩散更充分。22热处理对力学性能的影响经不同工艺热处理的钢的硬度和冲击韧度如图3所示。可以看出，1000水淬后的钢硬度最高；淬火温度相同、淬火介质不同，淬火后钢的硬度存在明显的差别。雾淬后的硬度明显高于同温度油淬后的硬度，这可能是前者的马氏体比后者细小，也有可能是油淬的冷却速度较低，获得的马氏体量相对较少所致。分别从980、1020和1060油淬，结果钢的硬度稍有降低的趋势。这与随淬火温度升高马氏体组织粗化、残留奥氏体增多有关。1000水淬硬度比980雾淬及980油淬硬度高可能是由于回火时析出的碳化物较多的缘故。图3还表明，从980、1020。【和1060油淬后钢的冲击韧度均比从1000水淬和980雾淬的高，这都与碳化物有关。碳化物多时硬度高，但韧性差，加上水淬和雾淬冷却速度快，获得马氏体较多，马氏体硬而脆，韧性差，所以才出现这种结果。从980、1020、1060油淬的钢的冲击韧度逐渐升高。其原因是，淬火温度的提高使得基体中溶解的碳及合金元素含量提高，奥氏体的合金化充分，难溶碳化物溶解，晶界上的碳化物逐渐减少，回火时又不易长大和析出。例如，MC型碳化物一般在加热至1000CIC以上才开始溶解，回火时，直到500700才析出，并且不易长大M。另外，在加热到较高温度时偏析也较轻微，有利于提高冲击韧度。LOO90L000水浮980雾洱980油汗1020油浑L060油浮图3经不同工艺淬火和250回火后钢的硬度和冲击韧度FIG3HARDNESSANDIMPACTTOUGHNESSOFTHESTEELQUENCHEDBYDIFFERENTPROCEDURESANDTEMPEREDAT2503结论1不同的热处理工艺对衬板用低碳高合金钢的性能影响较大。水淬后的硬度较高，但冲击韧度较差，而且水淬易使工件开裂；雾淬的效果不如油淬，特别是冲击韧度。较理想的淬火方法为油淬。从一合适的奥氏体化温度油淬并于250回火，可使所研究的钢获得较理想的冲击韧度。2虽然从1060淬火及回火后钢有较高的冲击韧度，但硬度较低。为了获得硬度和韧性的最佳配合，所研究钢的热处理工艺为1020CL油淬，250回火。参考文献1吴凯，丁厚福，杜晓东，等碳含量对低碳高合金钢冲击腐蚀磨损性能的影响J矿冶工程，2006，26296992刘英杰磨损失效分析M北京机械工业出版社，19913王佳，时捷，王存宇，等新型马氏体耐磨钢的磨损特性研究J矿山机械，2008，38236404林惠国，傅代直钢的奥氏体转变曲线原理、测试与应用M北京机械工业出版社，19885李先芬，丁厚福，程和法，等热处理对低碳高合金钢组织和性能的影响J现代铸铁，2003，11311136金相图谱编写组金相图谱