馬文高 陳湘茹 翟啟杰

(1.四川鴻艦重型機(jī)械制造有限責(zé)任公司，四川 攀枝花 617063； 2.先進(jìn)凝固技術(shù)中心，上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

球磨機(jī)是采礦行業(yè)常用的機(jī)械設(shè)備，襯板是球磨機(jī)的關(guān)鍵部件。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，工業(yè)化國(guó)家磨料磨損的總成本高達(dá)國(guó)民生產(chǎn)總值的1%～4%[1]，因此如何提高襯板的綜合性能是重要的研究課題。硬度和韌性是耐磨鋼的主要性能指標(biāo)，其合理匹配對(duì)襯板的使用壽命有直接影響[2]。

合金化和熱處理是確保耐磨襯板用鑄鋼性能的主要手段，合理的熱處理工藝是獲得高硬度、高韌性耐磨襯板的關(guān)鍵[3- 4]。耐磨襯板的熱處理工藝通常為正火、淬火和回火。本文研究了經(jīng)過(guò)淬火的鉻鉬耐磨鑄鋼回火后的冷卻方式對(duì)其顯微組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用鋼采用10 kg中頻感應(yīng)爐冶煉，用砂型澆鑄成基爾試塊，從試塊底部切取尺寸為22 mm×22 mm×60 mm的試樣3塊，其化學(xué)成分如表1所示，熱處理工藝如圖1所示。將熱處理后的試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)無(wú)缺口沖擊試樣，然后在JB- 500B半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。利用69- 1型布洛維光學(xué)硬度計(jì)測(cè)定洛氏硬度，試驗(yàn)力為150 kg，測(cè)10個(gè)點(diǎn)取平均值。金相試樣經(jīng)磨、拋后采用體積分?jǐn)?shù)為2%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后在Carl Zeiss金相顯微鏡上觀察顯微組織。采用Phenom掃描電鏡(SEM)分析沖擊試樣的斷口形貌，采用EPMA- 8050G型場(chǎng)發(fā)射電子探針(EPMA)檢測(cè)元素分布和熱處理后的顯微組織。采用MLD- 10型動(dòng)載荷磨料磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊磨料磨損試驗(yàn)，沖擊功1.5 J，沖擊頻率200 次/min，磨料為粒徑8～16目(2.36～1.00 mm)的石英砂，采用電子分析天平稱量磨損試驗(yàn)前后的失重。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the investigated steel (mass fraction) %

圖1 熱處理工藝Fig.1 Heat treatment process

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

回火后以不同方式冷卻的鋼的力學(xué)性能如圖2所示。從圖2可以看出，回火后以不同方式冷卻的鋼的硬度無(wú)明顯差異，但回火后油冷、空冷和爐冷的鋼的沖擊吸收能量依次降低。

圖2 回火后以不同方式冷卻的鉻鉬耐磨鑄鋼的硬度(a)和沖擊吸收能量(b)Fig.2 Hardness (a) and impact absorption energy (b) of the wear- resistant cast chrome- molybdenum steel cooled by different methods after tempering

回火后以不同方式冷卻的鋼的顯微組織如圖3所示。從圖3可以看出，回火后冷卻方式不同的鋼組織均為回火索氏體，部分回火索氏體仍保留了馬氏體位相。

圖3 回火后油冷(a)、空冷(b)和爐冷(c)的鉻鉬耐磨鑄鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of the wear- resistant cast chrome- molybdenum steel cooled in oil (a), air (b) and furnace (c) after tempering

回火后以不同方式冷卻的鋼的SEM圖像如圖4所示。從圖4可以看出，3種方式冷卻的鋼的掃描電鏡組織相似，均有一定數(shù)量尺寸為200～300 nm的球狀析出相，但與空冷和爐冷的鋼相比，油冷的鋼中球狀析出相的數(shù)量明顯減少。這是因?yàn)橛屠渌俣容^快，馬氏體難以分解，顯微組織中的球狀碳化物全部形成于回火過(guò)程中；而空冷和爐冷速度較慢，在冷卻過(guò)程中會(huì)繼續(xù)形成新的碳化物，從而導(dǎo)致油冷的鋼的碳化物數(shù)量明顯少于空冷和爐冷的鋼。這些球狀碳化物對(duì)鋼有一定的強(qiáng)化作用，因?yàn)椴牧习l(fā)生形變時(shí)，位錯(cuò)難以繞過(guò)這些硬質(zhì)析出相。但同時(shí)基體的韌性會(huì)有一定程度的降低。

圖4 回火后油冷(a)、空冷(b)和爐冷(c)的鉻鉬耐磨鑄鋼的SEM圖像 Fig.4 SEM micrographs of the wear- resistant cast chrome- molybdenum steel cooled in oil (a), air (b) and furnace (c) after tempering

采用電子探針檢測(cè)了回火后油冷的鋼中元素分布情況，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，球狀析出相主要含Cr、V、Nb和C元素，即為含Cr、V和Nb的碳化物。這是因?yàn)镃r、V和Nb是強(qiáng)碳化物形成元素，在高溫回火過(guò)程中易與C元素結(jié)合而析出，且Nb和C形成的MC型碳化物硬度高[5]，因此常用作耐磨性要求較高的零件的添加劑[6- 9]。含V耐磨合金鋼高溫淬火后能獲得高硬度[10- 11]，能在一定程度上提高鋼的耐磨性。Si和Mn元素主要固溶于基體，有一定的固溶強(qiáng)化作用。

圖5 回火后油冷的鉻鉬耐磨鑄鋼的元素分布Fig.5 Element distribution in the wear- resistant cast chrome- molybdenum steel cooled in oil after tempering

回火后冷卻方式不同的鋼的沖擊試樣斷口形貌如圖6所示。從圖6可以看出，回火后以3種方式冷卻的鋼的沖擊試樣均為準(zhǔn)解理斷裂，且斷口無(wú)韌窩；回火后油冷的鋼的沖擊試樣斷口的斷裂刻面尺寸較小，數(shù)量較多，在沖擊力作用下吸收的能量更多，因而沖擊韌性較高，這與上述沖擊性能數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。

圖6 回火后油冷(a)、空冷(b)和爐冷(c)的鉻鉬耐磨鑄鋼沖擊試樣的斷口形貌Fig.6 Fracture patterns of impact specimens for the wear- resistant cast chrome- molybdenum steel cooled in oil (a), air (b) and furnace (c) after tempering

回火后以不同方式冷卻的鋼的磨損量與沖擊磨損試驗(yàn)時(shí)間之間的關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出，隨著磨損試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，回火后冷卻方式不同的鋼的磨損量均隨著磨損試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而明顯增大，油冷鋼的磨損量最大，爐冷鋼的磨損量最小。

圖7 回火后以不同方式冷卻的鉻鉬耐磨鑄鋼的磨損量與沖擊磨損試驗(yàn)時(shí)間之間的關(guān)系

回火后以不同方式冷卻的鋼沖擊磨料磨損試驗(yàn)后的形貌如圖8所示。圖8表明：磨損試驗(yàn)時(shí)間相同、回火后以不同方式冷卻的鋼的形貌相似，均有顯微切削、塑性變形和磨料嵌入等區(qū)域。但油冷鋼的磨料嵌入?yún)^(qū)和塑性變形區(qū)面積較大，而空冷鋼的磨損面以顯微切削區(qū)為主。此外，爐冷鋼有明顯的微裂紋。其原因是：以3種方式冷卻的鋼硬度接近，但油冷鋼的沖擊韌性較高，磨損試驗(yàn)時(shí)間和沖擊吸收能量相同時(shí)，更易被磨料磨損，磨損失重急劇增大；爐冷鋼的沖擊韌性較差，磨損試驗(yàn)時(shí)間和沖擊吸收能量相同時(shí)，磨損量較小，但容易產(chǎn)生微裂紋，會(huì)導(dǎo)致襯板在使用中斷裂；空冷鋼的磨損以顯微切削為主，綜合性能最好，因此空冷是回火后最好的冷卻方式。

3 結(jié)論

(1)回火后冷卻方式對(duì)鉻鉬耐磨鑄鋼的硬度無(wú)明顯影響，但隨著回火后冷卻速度的增大，鋼的沖擊韌性明顯改善。

圖8 回火后以不同方式冷卻的鉻鉬耐磨鑄鋼試樣沖擊磨料磨損試驗(yàn)2 h后的微觀形貌Fig.8 Microscopic appearances of the wear- resistant cast chrome- molybdenum steel samples cooled by different methods subsequent to tempering after impact abrasive wear test for 2 h

(2)回火后油冷、空冷和爐冷的鉻鉬耐磨鑄鋼的顯微組織均為回火索氏體，但與空冷和爐冷的鋼相比，油冷的鋼的球狀碳化物明顯減少，因此強(qiáng)度較低，但沖擊韌性明顯較好。

(3)回火后空冷有利于提高鉻鉬耐磨鑄鋼的耐沖擊磨料磨損性能。