王踴海,張偉強(qiáng)

(1.中航工業(yè)煙臺航空液壓控制有限責(zé)任公司,山東 煙臺 265500;2.沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,沈陽 110159)

高強(qiáng)度鑄鋼在重型工程機(jī)械中發(fā)揮重要的作用,通常用于制造大型、復(fù)雜的承載或傳動零部件。某大型運(yùn)輸機(jī)械中的鏈輪一般采用20CrMnTi鋼經(jīng)過鍛造及滲碳后淬火+回火的熱處理工藝,其生產(chǎn)周期長,制造成本較高,如果采用鑄造鏈輪,則可以極大縮短鏈輪的生產(chǎn)周期;但除了表面耐磨性之外,鏈輪材料的整體強(qiáng)韌性應(yīng)該滿足鏈輪服役要求,而鑄造材料和熱處理工藝的選擇是解決這一問題的關(guān)鍵。根據(jù)鏈輪服役狀態(tài),擬采用鑄造高強(qiáng)度中碳合金鋼取代鍛造低碳低合金鋼,并以輪齒部位中頻感應(yīng)淬火代替整體滲碳淬火處理。

高強(qiáng)度鑄鋼中一般含有Cr、Mo、Ni等合金元素,近些年在部分鑄鋼中添加Ti、V、B或RE等元素,在細(xì)化晶粒方面起到很好的作用,使其經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗缶哂休^高的強(qiáng)度和優(yōu)良的塑韌性[1-2]。國內(nèi)大型機(jī)械零件中很少采用中碳高強(qiáng)度鑄鋼,這是由于存在著鑄造組織粗大、疏松、夾雜等缺陷,或其含碳量相對較高,造成塑性和韌性不足等問題,因此,人們通常通過降低含碳量或者獲得貝氏體鋼等途徑來提高材料的綜合力學(xué)性能[3-8]。德國GS-40NiCrMo656鑄鋼均屬于這類高強(qiáng)度鋼,可用于制造煤礦機(jī)械大型重載零部件。本文參照德系鑄鋼GS-40NiCrMo656熔煉ZG40CrNiMo鋼,為使該材料發(fā)揮最大的性能,需對其熱處理工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究,以獲得優(yōu)化的熱處理工藝參數(shù),為生產(chǎn)實(shí)際提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

將試驗(yàn)用鋼在中頻爐中熔化后,在砂型中鑄造成試樣尺寸,如圖1所示。ZG40NiCrMo鑄鋼的主要化學(xué)成分如表1所示,其臨界轉(zhuǎn)變溫度[9]Ac1=732℃;Ac3=774℃。 將鑄錠退火后分別加工成Φ5mm25 mm的拉伸試樣及10mm10mm55 mm的V型缺口夏比沖擊試樣。

表1 ZG40NiCrMo鋼化學(xué)成分 wt%

圖1 ZG40NiCrMo鋼錠尺寸圖(單位:mm)

將試驗(yàn)用鋼分別經(jīng)過840℃、860℃和880℃加熱,保溫30min后油淬,再分別經(jīng)過600℃、630℃和650℃回火90min,空冷。

利用HB3000-B布氏硬度計(jì)檢測樣品的布氏硬度;分別利用INSTRON5582微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)和JB-30A沖擊試驗(yàn)機(jī)測試鋼的拉伸性能和沖擊韌性;利用200MAT金相顯微鏡觀察金相組織,腐蝕劑采用4%硝酸酒精溶液,在日立S-34000N掃描電子顯微鏡上觀察斷口微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖2和圖3分別是ZG40NiCrMo鋼經(jīng)860℃和880℃加熱淬火并經(jīng)600℃、630℃和650℃回火后的光學(xué)金相照片。經(jīng)過上述不同溫度加熱淬火及高溫回火后,鑄鋼的顯微組織均為回火索氏體組織,由鐵素體基體上分布有形狀不規(guī)則的大小碳化物組成,具有良好的韌塑性和強(qiáng)度。對比不同溫度淬火后的組織可以看出,經(jīng)過880℃淬火的顯微組織較860℃略顯粗大。在860℃淬火的組織中,經(jīng)過630℃回火組織較為細(xì)小均勻,這與該溫度下馬氏體分解為細(xì)小均勻的碳化物有關(guān);880℃淬火組織經(jīng)過回火后,隨著回火溫度升高,淬火馬氏體的片狀形態(tài)逐漸消失,這是由于碳化物的數(shù)量逐漸增多,碳化物尺寸逐漸增大造成的。

圖3 ZG40NiCrMo鋼880℃淬火+不同溫度回火后金相組織

2.2 力學(xué)性能

試驗(yàn)用鋼分別經(jīng)過不同溫度熱處理后,其硬度、拉伸性能與沖擊韌性分別如圖4和表2所示。從圖4可以看出,隨著回火溫度的提高,材料的硬度逐漸降低;而經(jīng)過較低的840℃淬火后,鋼的硬度較高;經(jīng)過860℃和880℃加熱淬火并經(jīng)過600℃回火后的硬度相差不大。但經(jīng)過較高溫度(650℃)回火后,三種溫度淬火的試件硬度已經(jīng)較為接近。采用較低的淬火溫度有助于細(xì)化奧氏體晶粒尺寸,增加奧氏體成分的不均勻性,提高淬火鋼的硬度水平。

從表2中可以看出,在相同回火溫度下,隨著淬火加熱溫度升高,鑄鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性分別有升有降,未觀察到有明確的對應(yīng)關(guān)系。

ZG40NiCrMo鋼經(jīng)過不同溫度淬火、回火后的拉伸和沖擊性能變化較大。在同一淬火溫度下,回火溫度越高,其強(qiáng)度指標(biāo)降低,而塑性和沖擊韌性有所提高。經(jīng)過840℃加熱淬火后,ZG40NiCrMo鋼回火溫度從600℃提高到630℃,其強(qiáng)度較高且下降不多,但沖擊韌性則有明顯提高。經(jīng)過860℃淬火的試件,630℃和650℃回火后,其強(qiáng)度較600℃回火下降明顯,塑性和韌性指標(biāo)顯著提高。經(jīng)過880℃淬火及600℃回火的試件,其強(qiáng)度指標(biāo)高達(dá)1300MPa以上。這是由于較高溫度的奧氏體化可以促進(jìn)碳化物的溶解,提高淬火后的馬氏體硬度,Mo等元素的固溶促進(jìn)了回火穩(wěn)定性提高。但提高回火溫度至630℃和650℃之后,其強(qiáng)度指標(biāo)迅速降低,沖擊韌性提高顯著。

適當(dāng)提高淬火加熱溫度可導(dǎo)致合金元素更多地溶入奧氏體,提高鋼的淬透性,在回火過程中容易析出細(xì)小均勻的碳化物,這些因素均有助于鋼的硬度和強(qiáng)度的提高,回火穩(wěn)定性增加;但奧氏體晶粒的粗化也會引起鋼的強(qiáng)韌性下降。所以,在相同溫度回火后,淬火加熱溫度對強(qiáng)韌性的影響規(guī)律較為復(fù)雜,且淬火溫度不宜過高。

圖4 ZG40NiCrMo不同淬火和回火溫度下的硬度

表2 ZG40NiCrMo不同淬火和回火溫度下的拉伸與沖擊性能

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要,鑄鋼熱處理后的性能達(dá)到布氏硬度 ≥250,σb≥1000MPa,αk≥28J·m-2,只有這樣才能在中頻淬火后,零件的整體仍能保持較好的強(qiáng)韌性。為此,調(diào)質(zhì)處理工藝采取860℃油冷淬火+630℃回火為宜。

2.3 斷口分析

利用掃描電子顯微鏡觀察沖擊試件的斷口(如圖5所示)發(fā)現(xiàn),鑄鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的沖擊斷口基本呈現(xiàn)脆性特征。低倍下觀察以石狀沿晶斷口為主(圖5a和5b),也伴有穿晶斷裂。這是因?yàn)殍T造過程中保留了較多的低熔點(diǎn)夾雜物,凝固后富集在晶界上,成為裂紋擴(kuò)展的通道。在提高回火溫度后斷口的照片中(圖5c和5d)顯示,斷口中存在著小而淺的微坑,且伴有解理平面(箭頭指處)。

圖5 沖擊試樣的斷口形貌

綜上所述,ZG40NiCrMo鋼作為高強(qiáng)度鋼之一,經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后,仍然能夠保持較高的強(qiáng)度,其塑性韌性也得以提升,適合作為大型礦用機(jī)械零件使用。

3 結(jié)論

(1)隨著回火溫度的提高,ZG40CrNiMo鋼的強(qiáng)度和硬度降低,而塑性和韌性提高;提高淬火加熱溫度對力學(xué)性能的影響規(guī)律較為復(fù)雜;熱處理工藝為860℃淬火+630℃回火可獲得較好的綜合力學(xué)性能。

(2)ZG40CrNiMo鋼的斷口形貌呈現(xiàn)脆性斷裂特征。