中高碳贝氏体钢耐磨犁铧的研究①

张圳炫， 荣守范， 刘 会

(佳木斯大学材料科学与工程学院，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

犁铧是农业机械中的重要零部件，其寿命短，消耗量大，由此带来的经济损失不容忽视。目前，犁铧多采用高锰钢材质，因犁铧工作时受力较小，达不到加工硬化作用，而犁铧表面堆焊技术及热喷涂技术，虽然能比高锰钢犁铧的使用寿命长，但价格较贵，不宜大面积推广。下贝氏体钢[1～2]拥有良好的综合力学性能及优秀的耐磨性[3～5]，是一种广泛应用于工业生产中的钢铁材料[6]。故研究旨在预制备一种韧性和耐磨性俱佳的下贝氏体钢[7]犁铧，即提高其使用寿命，又减低成本，节约能源。根据磨损失效形式和犁铧与土壤颗粒相互作用时的磨损规律与机理，提出新材质的化学成分配比，研究含碳量对贝氏体钢组织性能的影响。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

根据贝氏体钢犁铧的实际工况条件及合金元素的作用，选用如表1所示的化学成分，通过改变化学成分的含碳量，研究含碳量对中高碳贝氏体钢组织性能的影响规律。

表1 实验试样化学成分表(wt.%)

1.2 热处理工艺的选择

根据贝氏体钢的特性，选用等温淬火后空冷的热处理工艺，工艺参数如图1所示。

图1 热处理工艺图

1.3 实验方法

利用15kg中频感应电炉熔炼贝氏体钢，利用DZK线切割加工出10mm×10mm×55mm标准试样，冲击试验在ZBC-300B全自动金属摆锤试验机上进行，硬度测定采用HR-150A洛氏硬度仪，抗磨损实验采用MLD-100型动载荷冲击磨损试验机模拟实际工况环境，用实验前后的磨损失重量来衡量试样的抗冲击磨损能力。利用OLYMPUS-GX71型光学电子显微镜和JMS-6360LV扫描电子显微镜对冲击试样进行金相组织观察与断口形貌分析。

2 实验结果及分析

2.1 实验材料的金相组织

在金相显微镜下观察，贝氏体钢的微观组织为典型的下贝氏体组织，经过热处理后的试样所呈现的组织为下贝氏体+残余奥氏体+少量马氏体。

经过3h盐淬处理的不同含碳量的金相组织如图2所示。

a)0.67% b)0.63% c)0.59% d)0.55%

从中高碳贝氏体钢机械性能数据(图3)表明，含碳量对钢的机械性能影响较大。由金相组织可知，含碳量为0.55%时，分布在下贝氏体上的粗短片状马氏体硬度高，韧性差，尖端裂纹易于扩展，但因其含碳量较少，且分布在其周围的下贝氏体会限制裂纹的扩展，使裂纹不能长大连成一片。当含碳量为0.59%时，铁素体上细小的下贝氏体(见图2c)，增大了位错运动的阻力，限制了位错的滑移，使钢的塑性降低，所以含碳量为0.59%的犁铧试样韧性最差(图3b)。含碳量在0.63%时(图2b)金相组织主要由下贝氏体与马氏体组成，其中含有少量碳化物与残余奥氏体，碳化物呈断网状分布。下贝氏体分割细化组织作用明显，即分布在下贝氏体铁素体条片间和分布于马氏体板条内的残留奥氏体薄膜，将马氏体板条进一步分割得更小、更细，马氏体的脆性有所削弱，所以能获得较高冲击韧性，但硬度偏低。随着含碳量的增加，在含碳量0.67%时(图2a)，金相组织存在一定数量碳化物，残留奥氏体薄膜变厚，不易受应力的影响，可以吸收应变能，并且马氏体固溶碳量增加，下贝氏体切割细化组织作用减弱，使得高碳贝氏体钢韧性降低许多，但硬度有明显提高。

a)冲击韧性 b)硬度

图4 贝氏体钢冲击断口SEM形貌

图5 中高碳贝氏体钢犁铧实物图

2.2 实验材料的力学性能

材料的力学性能与显微组织有关，随着含碳量的增加，冲击韧性在逐渐下降，硬度在逐渐增加(图3)。在四组试样中，含碳量为0.55%(图2d)时，得到的下贝氏体数量较少，含碳量低，马氏体固溶碳量较少，硬度偏低。含碳量为0.59%的硬度值最低，结合显微组织(图2c)分析，在图中白亮的区域较多，黑色贝氏体铁素体较少，因此通过硬度值分析，可以确定白色区域大部分为残余奥氏体和较少的马氏体组织。含碳量为0.63%的试样组织下贝氏体较其他三组细小，在等温期间奥氏体大部分转变为贝氏体，有一部分少量的马氏体和残余奥氏体，薄膜状的残余奥氏体可以缓解应力集中，在发生裂纹断裂时，残余奥氏体组织可以阻止裂纹的扩展，所以少量残余奥氏体可以提高试样的强韧性，从而其冲击韧性最高。在含碳量为0.67%中，由于含碳量增加，马氏体固溶碳量较多，导致硬度上升，冲击韧性随着降低，当裂纹在这种组织中扩展时，可以减少下贝氏体裂纹尖端的应力集中，钝化裂纹尖端，从而降低裂纹的扩展速率，甚至阻碍裂纹的进一步扩展。

通过组织图2可以了解到含碳量增加，亮色区域的残余奥氏体和马氏体的体积分数增加，并且含碳量大，沉淀析出的渗碳体等碳化物增加，最终导致冲击韧性下降。在等温淬火过程中，因为奥氏体的稳定增强，在贝氏体转变时，稳定性较强的奥氏体未发生贝氏体转变，在等温阶段保留下来，成为残余奥氏体。其次由于碳化物的富集，同时使Ms温度降低，等温结束后进行空冷时，奥氏体来不及发生马氏体转变，这样会使马氏体的体积分数降低，马氏体减少。

2.3 实验材料的耐磨性

将制备出的磨损试样做冲击磨损试验，磨损失重量比较表如表2所示。从表中可以看出，含碳量为0.63%的试样耐磨性优于其他试样，这与图2b的金相组织图相对应。

表2 不同含碳量的贝氏体钢磨损失重对比表

为了进一步研究和分析冲击对材料磨损的作用机理，进行扫描电镜观察，如图4所示。

通过扫描断口观察，含碳量0.63%钢的断口分析(图4)。可以看出中高碳贝氏体钢断口由准解理面与一定数量韧窝组成，说明材质是具有一定塑性，能有效阻止裂纹扩展。

3 中高碳贝氏体钢耐磨犁铧的制备及应用

采用中高碳贝氏体钢等温淬火工艺，制备出了犁铧(如图5所示)。犁铧化学成分为C：0.63%，Cr：2.01%，Mn：2.00%，Mo：0.27%，Cu：0.40%，Ni：0.25%，Si：1.35%，热处理工艺：940℃×2h+295℃～300℃×3h。最终获得的犁铧硬度为50HRC以上，冲击韧性αk≥108J/cm2，犁尖放置激冷材料，晶粒细小，可明显增加耐磨性。中试试验在佳木斯江北农场进行，实验结果证明，新型犁铧耐磨寿命比高锰钢材质犁铧高3倍。

4 结 论

(1)犁铧经过等温淬火的热处理后，犁铧的宏观洛氏硬度50HRC以上，冲击韧性大于108J/cm2，满足犁铧工作性能要求。

(2)利用激冷的方法使贝氏体钢中的晶粒细化，可明显提高耐磨性，耐磨性为高锰钢的3倍。

[1] 潘攀,龙晓燕.贝氏体钢辙叉的宏观失效机理[J].铸造技术,2016,(06):1153-1157.

[2] 包喜荣,王均安,王晓东,等.一种Cr-Mo-Ni系贝氏体钢的动态再结晶行为[J].材料热处理学报,2016,(04):222-227.

[3] 刘伟.超细贝氏体钢组织与性能的研究[D].辽宁工业大学,2016.

[4] 朱利敏,朱利强.高碳贝氏体钢的组织与性能[J].金属热处理,2016,(01):116-120.

[5] 周贤良,张建云,华小珍,等.新型耐磨贝氏体钢的研制及应用[J].江西冶金,1999,(01):15-16.

[6] 董占吉.高碳含硅钢中束状贝氏体的形成机制研究[D].天津理工大学,2012.

[7] 李文韬.V对低合金Mn系空冷贝氏体钢组织与性能的影响[D].清华大学,2011.