局部水淬耐磨钢犁铧研究与应用

张圳炫 荣守范 李洪波 王迪 焦仁宝 刘力 孙柯楠 王俊发

摘 要：针对高锰钢犁铧耐磨性较差，为了提高犁铧的韧性及耐磨性，降低犁铧的断裂与磨损，在改变碳元素的基础上研究淬火方式对耐磨钢的组织与性能的影响。结果表明：随着碳含量升高，局部水淬/空淬钢的硬度逐渐升高，而冲击韧性逐渐降低。碳含量为0.344%，热处理工艺为“940℃淬火×1.5h+局部水冷/空冷+200℃×3h回火”试验钢的综合力性能最好，水淬部分硬度为49HRC，冲击韧性ak值为145J/cm2;空淬部分硬度为30HRC，冲击韧性ak值为260J/cm2。经过装机应用试验，局部水淬/空淬钢材质犁铧的使用寿命是高锰钢材质犁铧的2～3倍。

关键词：碳含量;水淬;空淬;耐磨性

DOI：10.15938/j.jhust.2019.04.016

中图分类号： TG161

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2019）04-0094-05

Abstract：In view of the poor wear resistance of high manganese steel ploughshare， in order to improve the toughness and wear resistance of ploughshare and reduce the fracture and wear of ploughshare， the influence of quenching method on the microstructure and properties of wear-resistant steel was studied on the basis of changing carbon elements. The results show that with the increase of carbon content， the hardness of local water quenching/air quenching steel increases gradually， and the impact toughness decreases gradually. The carbon content is 0.344%， and the heat treatment process is “940℃ quenching×1.5h+local water cooling/air cooling+200℃×3h tempering”. The test steel has the best comprehensive performance. The hardness of the water quenching part is 49HRC， and the impact toughness ak value is 145J/cm2; the hardness of the air quenching part is 30HRC， and the impact toughness ak value is 260J/cm2. After the installation application test， the service life of the local water quenching/air quenching steel material plough is 2～3 times as long as that of the high manganese steel material ploughshare.

Keywords：carbon content; water quench; air quench; wear resistance

0 引 言

土壤深松技术是一项在世界各地得到广泛应用的农业增产技术。犁铧是深松机的核心部件，其工作条件相对比较恶劣，在较硬物料磨损的情况下还承受一定的冲击力，因此，犁铧需要较高的硬度、冲击韧性和耐磨性[1]。低合金耐磨钢作为耐磨钢的一个重要类别，因其合金含量较低、生产方便、价格便宜，综合力学性能好等特点，获得了应用客户的青睐[2-3]。低合金耐磨钢中组织主要为回火马氏体[4]，所以水淬钢具有很高的耐磨性，但韧性不足[6-8]，致使水淬鋼犁铧在使用过程中，遇到强烈冲击时，发生断裂现象[5，9]。犁铧在使用过程中主要是犁刃部分接触土壤，要求具有高耐磨性;而装配部分为防止断裂，要求具有高韧性。本文提出局部水淬/空淬方法制造犁铧，需要低合金钢材质同时具有水淬/空淬特点，以获得不同的机械性能。

1 试验材料及方法

1.1 化学成分的选择

根据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，通过改变材料内碳元素的含量，研究碳对水淬/空淬钢的影响规律。

1.2 热处理工艺的选择

根据钢的临界点确定奥氏体化温度、水淬、空淬、回火温度临界点，确定热处理工艺参数如图1所示。

1.3 试样的制备及分析方法

采用KGPS-800型20kg中频熔炼炉熔炼试验钢。利用DZK线切割机线切割出10mm×10mm×55mm的标准冲击试样（无缺口）和25mm×80mm×100mm的淬透性试样;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磨损能力。利用OLYMPUS-GX71型光学电子显微镜进行显微组织观察，同时用ADYANCE型X射线衍射仪分析相组成，使用JSM7800F场发射扫描电镜分析冲击断口形貌。

2 实验结果及分析

2.1 碳含量对水淬钢组织及性能的影响

由图2金相照片上可以看出，不同碳含量的试验钢经水淬热处理后，水淬钢的组织为马氏体以及少量残余奥氏体。随着碳含量的增加，组织中马氏体的组织形态、数量和分布都有着明显的变化。当碳含量为0.315%时，试验钢的组织为板条状马氏体和残余奥氏体。当碳含量为0.370%时，片状马氏体出现，组织主要为板条状马氏体和少量片状马氏体。随着碳含量的增加，试验钢组织中的马氏体数量也随之增加，并伴随片状马氏体生成，马氏体的组织晶粒细化，并均匀化。

2.2 碳含量对空淬钢组织及性能的影响

图5为试验钢空淬热处理后的显微组织，由金相图可以看出，空淬钢的組织为珠光体+铁素体+残余奥氏体。随着碳含量的增加，其显微组织发生了明显的变化，珠光体的含量增加，马氏体的含量增加，铁素体减少，而且组织发生了细化。当碳质量分数为0.315%时，组织主要为珠光体加铁素体;当碳质量分数为0.344%时，组织主要为珠光体+少量铁素体+少量残余奥氏体。当碳质量分数为0.370%时，组织中的珠光体含量增多并且细化。当碳质量分数为0.406%时，组织为珠光体、少量马氏体和少量残余奥氏体。

2.3 淬火方式对试样淬透性的影响

将试样沿凹槽打断，进行洛氏硬度测试，测试点从外向中心呈一字型展开，间隔为10mm，共测试4个点的数据，再对比标准冲击试样的硬度值，以获取本次实验所选取的材料成分及造型方法对试样淬透性的影响。试样洛氏硬度测试点示意图如图8所示。

4 结 论

1）随着碳含量的增加，水淬钢组织中马氏体含量增加，空淬钢组织中珠光体含量增加，冲击韧性降低，洛氏硬度上升。

2）碳含量为0.344%，热处理工艺为“940℃淬火×1.5h+水冷/空冷+200℃×3h回火”试验钢的综合力性能最好，水淬部分硬度为49HRC，冲击韧性ak值为145J/cm2;空淬部分硬度为30HRC，冲击韧性ak值为260J/cm2。

3）局部水淬/空淬耐磨钢完全满足犁铧材质工况要求，实验证明其使用寿命比高锰钢材质犁铧高2～3倍。

参 考 文 献：

[1] 白智辉， 高峰， 王大峰. 不同颗粒度碳化钨的WC-17Co等离子涂层组织及摩擦学特性研究[J]. 热喷涂技术， 2015， 7（3）：48.

[2] 邓锋， 胡锋， 吴开明. 低合金高强度耐磨钢的发展与应用[J]. 金属材料与冶金工程， 2016， 44（2）：29.

[3] 罗晔， 薛思毅， 袁宇峰. 国内外低合金耐磨钢生产概况[J]. 冶金管理， 2013（11）：20.

[4] 李文斌， 费静， 曹忠孝， 等. 我国低合金高强度耐磨钢的生产现状及发展方向[J]. 机械工程材料， 2012， 36（2）：6.

[5] 张圳炫， 荣守范， 刘会. 中高碳贝氏体钢耐磨犁铧的研究[J]. 佳木斯大学学报（自然科学版）， 2018， 36（1）：86.

[6] 陈德东， 李卫. 低合金耐磨铸钢的研究与应用[J]. 金属铸锻焊技术， 2011， 40（11）：17.

[7] 赵培峰， 国秀花， 宋克兴. 高锰钢的研究与应用进展[J]. 材料开发与应用， 2008（4）：85.

[8] 张峰， 樊飞. 碳钢及低合金钢制压力容器母材热处理试件与产品焊接试件是否合并的选择[J]. 石油和化工设备， 2016， 19（12）：48.

[9] 张圳炫， 荣守范， 焦仁宝， 等. 热处理工艺对中碳贝氏体钢组织与性能的影响[J].铸造设备与工艺，2018（4）：28.

（编辑：温泽宇）