热处理工艺对耐磨Cr- Mo铸钢组织和硬度的影响

2017-11-01 14:34陈湘茹刁晓刚郭爱民
上海金属 2017年5期
关键词:铸钢珠光体奥氏体

许 婕 陈湘茹 刁晓刚 张 伟 郭爱民

(1. 省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院,上海 200072; 2.中信重工机械股份有限公司,河南洛阳 471003;3.中信金属有限公司,北京 100004)

热处理工艺对耐磨Cr- Mo铸钢组织和硬度的影响

许 婕1陈湘茹1刁晓刚2张 伟3郭爱民3

(1. 省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院,上海 200072; 2.中信重工机械股份有限公司,河南洛阳 471003;3.中信金属有限公司,北京 100004)

研究了热处理工艺对含Nb耐磨Cr- Mo铸钢显微组织和硬度的影响。试验结果表明,在880或910 ℃正火,均可细化钢的铸态组织,并且经910 ℃正火的钢的硬度更高,珠光体较细小均匀;910 ℃正火后分别在450、500和550 ℃回火,在500 ℃回火的钢的硬度较高。该耐磨Cr- Mo铸钢的最佳热处理工艺为910 ℃正火然后500~550 ℃回火。

Cr- Mo铸钢 热处理 显微组织 硬度

耐磨铸钢广泛应用于电力、冶金、水泥、矿山、建材等工业部门,用于这些领域设备的耐磨铸钢的组织和性能直接影响工艺流程中的各个生产环节。作为一种常用耐磨铸钢,Cr- Mo钢用来制造破碎机锤头、挖掘机铲齿以及各种大、中、小型球磨机衬板等[1]。衬板是球磨机中消耗量较大的部件,因为衬板的工况复杂,要适应矿山湿磨、干磨、混合磨和大冲击等多种工作条件。因此,对于衬板材料而言,高的耐磨性、耐冲击性能以及高强韧性是必须具备的。通常认为,材料的强度、硬度越高其耐磨性越好,所以高的硬度和良好的塑韧性是耐磨Cr- Mo铸钢具有高耐磨性的基础[2]。

耐磨铸钢的强韧化途径有合金化、热处理及改善冶炼工艺等。大多数铸钢件都必须进行热处理,考虑工厂的实际生产条件调整热处理工艺参数比较方便且成本较低。热处理是通过控制组织转变和细化组织等途径来改善耐磨铸钢件的强韧性,使零件获得高的强度、硬度和良好的塑韧性[3]。在热处理工艺方面,正火和回火可以消除铸钢件的缺陷并有效改善其组织、性能[4]。本文通过试验探讨正火和回火的温度对含Nb耐磨Cr- Mo钢组织和硬度的影响,找到合适的热处理工艺,使其获得较好的综合力学性能,为工业应用提供可靠依据。

1 试验材料与方法

试验材料为铸钢厂生产的ZG85Cr2MnMo铸钢棒,添加了0.1%(质量分数)的Nb。采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪分析试样的化学成分,如表1所示。为了探究最佳热处理工艺,采用DIL805A型热膨胀快速相变仪测定材料的相变点。在铸钢棒心部切取φ20 mm×20 mm的试块进行热处理。热处理后的试样经过砂纸打磨、抛光,采用4%硝酸酒精溶液腐蚀,腐蚀时间5~6 s。采用过饱和苦味酸溶液腐蚀试样,测定奥氏体晶粒度。腐蚀液的成分为100 ml去离子水、4 g苦味酸和2 g缓蚀剂,将抛光好的试样在55 ℃浸蚀10 s。采用Carl Zeiss金相显微镜以及扫描电镜观察试样显微组织的特点和分布规律。采用洛氏硬度计测定材料热处理后的硬度,每组试样测7个点,排除最大值和最小值后取平均值作为材料的硬度值。

表1 试验用铸钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the investigated cast steel (mass fraction) %

2 结果与讨论

2.1 热处理工艺的确定

采用热膨胀试验确定该铸钢的热处理工艺参数。按照标准YB/T 5127—93钢的临界点测定方法[5]将铸态试样以200 ℃/h的加热速率从室温加热至1 000 ℃,再以10 ℃/s速率冷却至室温,加热和降温均在氩气保护下进行。

根据测定的试样热膨胀曲线,得到该铸钢的Ac1=772.7 ℃,Acm=826.4 ℃。钢的正火加热温度一般为Acm+(30~50) ℃,据此将钢的正火温度选定为880、910 ℃,根据试样厚度将保温时间定为1 h[4]。随后另取试样进行正火回火处理,回火温度为450、500和550 ℃,保温1 h后空冷。其工艺曲线如图1所示。

图1 试验用铸钢的热处理工艺Fig.1 Heat treatment process for the investigated cast steel

2.2 正火温度对铸钢显微组织和硬度的影响

2.2.1 显微组织

图2是试验钢的铸态及880和910 ℃正火后的显微组织。可以看出,钢的铸态组织为粗大的珠光体;正火后,其组织转变为分布均匀且细小的珠光体。如图2所示,不同热处理工艺得到的显微组织差别不大。

图3是正火温度对铸钢奥氏体晶粒尺寸的影响。图3表明,随着正火温度的升高,钢的奥氏体晶粒尺寸增大。从图4统计结果可以看出,平均直径小于5 μm的晶粒数随着正火温度的升高而减少,而平均直径为5~10 μm及大于10 μm的晶粒数则随着正火温度的升高而增多。随着正火温度的升高,钢的晶粒尺寸总体上是增大的。

图5为不同温度正火的试样的SEM形貌。表2是正火温度对钢的珠光体片层间距的影响。采用垂直线段法[6]统计珠光体片层间距。选取多张图片和多个视角,每个试样的受检面随机取20个视场拍照,每个视场随机取10个珠光体分布均匀的区域进行统计。先求得每个视场的平均随机珠光体片层间距,然后计算出整个受检面的平均随机珠光体片间距,将其作为该试样的珠光体片层间距。统计结果表明,钢的珠光体片层间距随着正火温度的上升而减小。

图2 试验用铸钢的(a)铸态和(b) 880 ℃和(c)910 ℃正火后的显微组织Fig.2 Microstructures of the investigated cast steel in (a) cast condition and after being normalized at (b) 880 ℃ and (c)910 ℃

图3 在(a)880 ℃和(b)910 ℃正火的试验钢的奥氏体晶粒Fig.3 Austenite grains of the investigated cast steel normalized at (a) 880 ℃ and (b)910 ℃

钢的奥氏体晶粒度对珠光体片层间距的影响不大,主要影响因素是珠光体的形成温度。过冷度越大,奥氏体转变为珠光体的温度越低,珠光体片层间距越小。碳钢珠光体的片层间距S0(nm)与过冷度ΔT的关系可用经验公式(1)表示[7]:

(1)

由此可知,珠光体片层间距与过冷度成反比,过冷度增大将导致珠光体片层间距减小。随着奥氏体化温度升高、过冷度增大,珠光体平均片层间距略有减小。

2.2.2 硬度

试样在不同温度正火后的硬度变化如图6所示。可以发现,910 ℃正火的试样硬度较高且数据稳定。根据Mott- Nabarro理论[8],溶质原子在奥氏体中固溶度增大可以提高铸钢正火组织的硬度,并改善正火后组织的均匀性,从而进一步提高钢的硬度。另外,随着正火温度的升高,珠光体片层间距减小,共析钢的硬度随片层间距的减小而增大[7]。

图4 不同温度正火的试验钢奥氏体晶粒尺寸的分布Fig.4 Distribution of austenite grain size of the investigated cast steel normalized at different temperatures

表2 不同温度正火的试验钢的平均珠光体片层间距Table 2 Average lamellar spacing of pearlite in the investigated steel normalized at different temperatures

2.2.3 回火温度的影响

由上述正火试验结果可知,试验铸钢经910 ℃正火后硬度最高。另取一批试样在910 ℃正火后,分别在不同温度回火。回火温度对钢的显微组织的影响如图7和图8所示。由于珠光体片层间距主要受过冷度影响,所以回火温度对珠光体片层间距影响不大。但是,随着回火温度的升高,珠光体的展延比趋于减小,部分区域甚至出现颗粒状渗碳体,如图8(c)所示[9]。

图5 (a)880 ℃和(b)910 ℃正火的试验钢的SEM图Fig.5 SEM figures of the investigated cast steel normalized at (a) 880 ℃ and (b) 910 ℃

图6 正火温度对试验钢不同温度回火后硬度的影响Fig.6 Effect of normalizing temperature on hardness of the investigated cast steel after being tempered at different temperatures

图9为回火温度对经910 ℃正火的耐磨铸钢硬度的影响。可以看出, 钢的硬度随着回火温度的上升先增加后降低,增加幅度不大。由于粒状渗碳体的出现,硬度开始下降,主要是因为与片状珠光体相比,粒状珠光体的硬度和强度较低[7]。

3 结论

(1)试验铸钢的Ac1和Acm分别为772.7和826.4 ℃。在880或910 ℃正火,均可得到珠光体组织,且910 ℃正火的钢具有较高的硬度,珠光体片层较细。

图7 910 ℃正火随后在(a) 450 ℃、(b)500 ℃和(c)550 ℃ 回火的试验钢的显微组织Fig.7 Microstructures of the investigated cast steel normalized at 910 ℃ and then tempered at (a) 450 ℃, (b) 500 ℃ and (c) 550 ℃

图8 910 ℃正火随后在(a) 450 ℃、(b)500 ℃和(c)550 ℃ 回火的试验钢的SEM组织Fig.8 SEM structures of the investigated steel normalized at 910 ℃ and then tempered at (a) 450 ℃, (b) 500 ℃ and (c) 550 ℃

图9 回火温度对经910 ℃正火的试验钢硬度的影响Fig.9 Hardness as a function of tempering temperature for the investigated cast steel normalized at 910 ℃

(2)910 ℃正火后,450、500和550 ℃的回火温度对钢的组织和性能的影响不大。该铸钢的最佳热处理工艺为910 ℃正火随后500~550 ℃回火。

致谢:

本研究得到中信- CBMM铌钢研究开发基金(2014—D079)支持,在此表示感谢。

[1] 周平安.耐磨材料的现状与发展[J].新世纪水泥导报, 2005, 11(6):40- 42.

[2] 杨雪松.中低合金耐磨钢综述[J].科技创新导报, 2007, 18(3): 34- 71.

[3] 张国庆.含Nb低合金高强度耐磨钢强韧化与冲击磨损性能研究[D].北京:北京科技大学,2015.

[4] 夏立芳. 金属热处理工艺学[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2008.

[5] 中华人民共和国冶金工业部.钢的临界点测定方法.YB/T 5127—93[S].北京:中国标准出版社,1994.

[6] 赵坚, 黄孝瑛, 张文莱. 铌对碳素轨钢组织和性能的影响[J]. 钢铁研究学报, 1987,7(1): 45- 50.

[7] 崔忠圻, 覃耀春. 金属学与热处理[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.

[8] 石德珂.材料物理[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.

[9] 杨景红, 刘刚. 回火工艺对连轧10MnNiCr钢板组织性能的影响[J]. 材料开发与应用, 2012,27(5):8- 11.

收修改稿日期:2016- 12- 12

EffectofHeatTreatmentonMicrostructureandHardnessofWear-resistantCr-MoCastSteel

Xu Jie1Chen Xiangru1Diao Xiaogang2Zhang Wei3Guo Aimin3
(1. State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China; 2. CITIC Heavy Industry Machinery Co., Ltd., Luoyang Henan 471003, China; 3. CITIC Metal Co., Ltd., Beijing 100004, China)

Effect of heat treatment process on microstructure and hardness of a wear- resistant Nb- containing Cr- Mo cast steel were investigated. The results indicated that normalizing at 880 ℃ or 910 ℃ made it possible to render microstructure of the cast steel finer, and the cast steel normalized at 910 ℃ exhibited higher hardness and finer and more uniform pearlite relative to one normalized at 880 ℃, and that the cast steel normalized at 910 ℃ showed higher hardness after tempering at 500 ℃ than at 450 ℃ or 550 ℃. The optimum heat treatment practice for the Cr- Mo cast steel was normalizing at 910 ℃ followed by tempering at 500 ℃ to 550 ℃.

Cr- Mo cast steel,heat treatment,microstructure,hardness

中信- CBMM铌钢研究开发基金(2014—D079)

许婕,女,主要从事耐磨铬钼铸钢的研究,Email:shuxujie@163.com

陈湘茹,讲师,主要从事铌微合金化铸钢、铸铁以及双相不锈钢连铸坯凝固热模拟研究,Email: cxr16@shu.edu.com

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