程巨強,劉志學,徐美玲,劉男杰
(西安工業(yè)大學材料與化工學院,陜西西安710032)
截齒是裝在采煤機滾筒上的切割刀具,采掘機械的采掘功率主要是通過截齒對煤層切割來消耗,截齒質量的好壞直接影響采煤機械生產(chǎn)效率。采煤生產(chǎn)中,截齒的失效形式主要有[1-3]:截齒的磨損,硬質合金頭的碎裂及脫落,截齒庫體材料的彎曲和斷裂等。從國內煤礦使用的截齒來看,截齒的庫體材質主要有40Cr、42CrMo、35CrMnSi等鋼種,由于現(xiàn)有截齒材料存在淬透性較差或熱處理工藝等原因,生產(chǎn)的截齒質量較差。據(jù)統(tǒng)計[4],我國煤炭生產(chǎn)企業(yè)每采一萬噸煤消耗截齒400~1300個,截齒的消耗量很大。因此,研制新型的截齒材料,提高截齒的使用壽命,減少截齒消耗,降低采煤成本,具有重要的意義。本文研究了35SiMnMo截齒鋼正火后不同的回火溫度對其組織和力學性能的影響,為35SiMn-Mo在截齒方面的應用奠定試驗數(shù)據(jù)。
實驗材料35SiMnMo,材料的制備工藝為:電爐冶煉、澆注成φ200 mm的鋼錠、鑄錠清理、鋼錠加熱、鍛造成φ20 mm的棒料和15mm×15mm方料,加工成10mm×10mm×55mm的U型缺口沖擊試樣。
正火熱處理工藝為900℃×1h空冷。正火后不同的回火溫度為:不回火,200℃,250℃,300℃,350℃,400℃,450℃,500℃,550℃,600℃的回火,回火保溫時間2h。
利用CMT5105型萬能材料試驗機試驗測試不同回火溫度試驗材料的力學性能。利用JB-30型擺錘式?jīng)_擊試驗機測試材料的沖擊韌度。用HR-150A洛氏硬度儀測試不同熱處理材料的硬度。利用Neophot-30型光學金相顯微鏡觀察不同回火溫度試驗材料的金相組織,腐蝕液為4%的硝酸酒精溶液。在HITACHIS2570型掃描鏡下觀察沖擊斷口形貌。
圖1是正火后不同的回火溫度對試驗材料力學性能的影響曲線??梢钥闯?,250℃以下回火,隨著回火溫度的提高,抗拉強度增加,250℃回火抗拉強度出現(xiàn)最高值,強度為1730MPa,超過250℃回火,試驗材料的抗拉彈度降低。300℃以下回火,隨著回火溫度的提高,沖擊韌度提高,300℃沖擊韌性出現(xiàn)峰值,在400℃沖擊韌度值最低,出現(xiàn)回火脆性,出現(xiàn)回火脆性的原因與組織中馬氏體、貝氏體和板條界上的殘余奧氏體在回火時的分解有關。試驗材料的硬度值在200~300℃回火,變化不大,超過300℃回火,材料的硬度下降。因此,試驗材料900℃正火+250℃回火,可獲得超高強度和一定沖擊韌度,此時獲得的力學性能為:強度(σb)1730MPa,沖擊韌度(AKU)55J,HRC58。900℃正火+250℃回火試驗材料的硬度和沖擊韌度遠高于煤炭行業(yè)國家標準對硬度和沖擊韌度的要求(齒頭HRC≥40,AKU≥49J/cm2)[5]。900℃正火+600℃低溫回火,試驗材料可獲得高強度和高的沖擊韌度,此時獲得的力學性能為:強度(σb)930MPa,沖擊韌度(AKU)126J,HRC35。因此,結合截齒的生產(chǎn)工藝,利用35SiMnMo制造截齒時,感應加熱釬焊硬質合金后空冷,截齒頭部應具有較高的強度、硬度和耐磨性,而柄部硬度較低,具有較高的沖擊韌度,以滿足采煤機截齒工作要求。上述截齒鋼力學性能隨不同溫度回火變化的原因,與試驗材料在回火過程發(fā)生組織分解有關。
圖1 回火溫度對試驗材料力學性能影響
圖2 900℃正火不同溫度回火的金相組織
圖2是900℃正火不同溫度回火后的金相組織。由圖可以看出,900℃正火后不回火的組織為馬氏體、貝氏體和少量的奧氏體,馬氏體基體上分布的貝氏體以針狀形式存在(圖2a),應為下貝氏體組織;200℃~300℃回火時,組織形貌變化較小,均為回火馬氏體、貝氏體組織和少量殘余奧氏體組織(圖2b、圖2c);400℃回火,組織中分解有少量的顆粒狀滲碳體(圖2d);500℃回火(圖2e)組織中的貝氏體鐵素體和殘余奧氏體已發(fā)生分解,形成滲碳體并有聚集長大的趨勢,但組織仍保持原馬氏體、貝氏體組織的位向;隨回火溫度的提高,600℃回火(圖2f),組織為粒狀滲碳體和鐵素體組織,即為典型的回火索氏體組織。
圖3為900℃正火后200℃、400℃、600℃回火沖擊韌度試樣斷口掃描(SEM)照片??梢钥闯?,200℃回火斷口特征主要為韌窩形式,屬于韌性斷口特征。400℃回火斷口為準解理斷口特征,屬于脆性斷口特征,600℃回火,斷口為韌窩形式,存在大量塑性變形痕跡,屬于韌性斷裂特征,不同回火沖擊韌度試樣斷口與沖擊韌度值具有良好的對應關系。
圖3 900℃正火不同溫度回火沖擊斷口SEM照片
(1)35SiMnMo鋼900℃正火不同溫度回火熱處理,強度在200℃回火出現(xiàn)最高值,沖擊韌度在300℃回火出現(xiàn)峰值,400℃回火出現(xiàn)回火脆性,超過400℃回火沖擊韌度上升。
(2)35SiMnMo鋼在900℃正火+250℃回火可獲得超高強度和一定沖擊韌度,此時獲得的力學性能為:σb=1730Mpa,AKU=51J,HRC58。組織為馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體;900℃正火+600℃高溫回火可獲得高強度和高韌度配合,此時獲得的力學性能為:σb=961MPa,AKU=126J,HRC35,組織為回火索氏體。
(3)900℃正火200℃及600℃回火試驗材料的沖擊韌性斷口機理為韌窩機制,屬于韌性斷裂特征。400℃回火沖擊斷裂機制為準解理斷裂,屬于脆性斷裂特征。
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[5]MT/T246-2006采掘機械用截齒[S].