劉進德, 盧俊玲, 王 亮, 馬 濤, 馬春亮, 孫永鵬

(寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司, 寧夏 石嘴山 753001)

隨著煤炭需求量的不斷增長[1],煤礦機械發(fā)展很快,礦用接鏈環(huán)作為礦井下綜合機械化、智能化采煤設備輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機等的主要零件,其結構為弧齒型,傳統(tǒng)熱處理方式為鹽水淬火加中溫回火,由于鹽水腐蝕設備,隨著使用時間的延長,造成設備故障頻發(fā),經(jīng)常發(fā)生淬火工序中斷,不能連續(xù)生產(chǎn),影響工件熱處理質(zhì)量。為解決這一問題,采用一種新的淬火劑替代鹽水淬火,但按原工藝參數(shù)淬火、回火后,在性能測試中發(fā)現(xiàn)工件的疲勞循環(huán)次數(shù)達不到標準技術要求,通過試驗發(fā)現(xiàn)增加一次回火后,工件的疲勞壽命有很大提高,達到圖紙標準技術要求,經(jīng)反復試驗分析,確定了接鏈環(huán)新的淬火和二次回火工藝參數(shù),解決了鹽水腐蝕設備影響熱處理質(zhì)量的問題,工件的熱處理質(zhì)量也達到圖紙標準的技術要求,取得良好效果。

1 試驗方法與性能測試結果

1.1 接鏈環(huán)技術要求

礦用接鏈環(huán)材料為23MnNiCrMo54鋼,是由德國最早發(fā)明使用的高級鏈條鋼,其主要的化學成分如表1 所示。

表1 23MnNiCrMo54鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)

文獻[2]研究表明,23MnCrNiMo54鋼經(jīng)880 ℃奧氏體化后的相變點分別為Ac1=708 ℃,Ac3=816 ℃,Ms=332 ℃。由于奧氏體化溫度較高,基體溶入的合金元素多,未溶碳化物少,過冷奧氏體較穩(wěn)定,貝氏體轉(zhuǎn)變開始時間較長,馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度也較低,即使在空氣中冷卻,也可得到以貝氏體為主,含少許馬氏體及殘留奧氏體的組織,硬度為32～34 HRC;在冷速大于空氣的介質(zhì)中冷卻時,可得到以馬氏體為主,含少量貝氏體及殘留奧氏體的組織;水淬后硬度為45～46 HRC,顯微組織為具有位錯亞結構的板條馬氏體。用這種鋼來制造煤機產(chǎn)品時,采用淬火加中溫回火的熱處理工藝,力學性能可達到MT/T 99—1997《礦用圓環(huán)鏈用扁平接鏈環(huán)》的技術要求,如表2所示。

表2 礦用接鏈環(huán)力學性能要求

文獻[3]研究表明,23MnCrNiMo鋼經(jīng)830 ℃奧氏體化后進行等溫轉(zhuǎn)變時,相變點分別為Ac1=715 ℃,Ac3=785 ℃,Ms=355 ℃。由于奧氏體化溫度較低,奧氏體溶入的合金元素相對較少,未溶碳化物較多,過冷奧氏體穩(wěn)定性較差,貝氏體開始轉(zhuǎn)變時間較短(430 ℃ 時3 s左右),Ms點較高(355 ℃)。該鋼淬火后獲得板條馬氏體、貝氏體、少量未溶碳化物和殘留奧氏體?；鼗饡r,由于23MnCrNiMo54鋼含有較多的合金元素,有較高的抗回火穩(wěn)定性,在430 ℃回火時,會發(fā)生碳化物的析出,殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成貝氏體,形成回火馬氏體、回火下貝氏體和少量未溶碳化物。

1.2 接鏈環(huán)回火及性能測試

礦用接鏈環(huán)零件原采用5%～10%的氯化鈉鹽水溶液于880 ℃淬火,430 ℃一次回火即可滿足力學性能要求,檢測硬度為39.7、39.4、40.0 HRC,符合技術要求,隨機抽測的3批零件的疲勞循環(huán)次數(shù)分別為55 642、56 300、44 200、55 800、40 670、47 000次,力學性能滿足MT/T 99—1997要求;采用新的淬火劑淬火后,由于冷速低于鹽水,因此在回火試驗時,為保證硬度符合技術要求,使用了由低到高的溫度進行回火,在性能檢測時發(fā)現(xiàn),不同回火次數(shù)的零件性能差異較大,但二次回火的零件性能達到技術要求。

1.2.1 回火試驗結果

選取規(guī)格為φ30 mm的零件10件,采用新淬火劑淬火,分2組做回火試驗。結合長期以來接鏈環(huán)零件的熱處理情況并考慮硬度的符合性,1～6號零件確定回火試驗參數(shù)為380 ℃保溫3.5 h,回火后檢測硬度高于技術要求,再提高至420 ℃保溫3.5 h進行二次回火,硬度合格后進行清理噴丸,按照MT/T 99—1997規(guī)定的試驗方法進行性能測試,破斷負荷和疲勞循環(huán)次數(shù)都合格;對剩余的7～10號零件采取420 ℃保溫3.5 h一次回火,硬度合格后進行清理噴丸,但是疲勞循環(huán)次數(shù)不符合技術要求,檢測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 第一次回火試驗的性能測試結果

通過本次回火試驗發(fā)現(xiàn),2組回火試樣中,雖然420 ℃一次回火后硬度符合技術要求,但是經(jīng)過380 ℃+420 ℃二次回火的試樣疲勞循環(huán)次數(shù)優(yōu)于一次回火的試樣,這說明二次回火對疲勞性能有影響。

1.2.2 二次回火驗證

為進一步驗證二次回火的疲勞循環(huán)次數(shù)是否優(yōu)于一次回火,選取規(guī)格為φ34 mm的樣件6件,采用新淬火劑淬火(與第一次試驗方法相同),做二次回火試驗,實測性能如表4所示。

表4 第二次回火試驗的性能測試結果

通過本次試驗發(fā)現(xiàn),經(jīng)過380 ℃+420 ℃兩次回火的零件,6件零件的疲勞循環(huán)次數(shù)均達到標準技術要求,其中4件疲勞試驗未斷,說明零件實際疲勞循環(huán)次數(shù)會更高,文獻[4]也證實了這一結論。

2 試驗結果與分析

為給礦用接鏈環(huán)批量生產(chǎn)提供依據(jù),確定批量生產(chǎn)工藝,對一次和二次回火試樣分別進行顯微組織、非金屬夾雜物分析。

2.1 光學顯微鏡觀察與分析

對420 ℃×3.5 h一次回火和380 ℃×3.5 h+420 ℃×3.5 h二次回火的試樣分別進行金相檢驗,結果如圖1所示。從圖1可以看出,一次(420 ℃)回火和二次(380 ℃+420 ℃)回火后的顯微組織都是馬氏體和貝氏體(深色部分),貝氏體含量較多,說明奧氏體化溫度不高,合金元素未完全溶入奧氏體,冷卻速度不快或試樣尺寸較大,冷卻速度線穿過了貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。因為鋼中Mn、Cr、Ni、Mo等合金元素含量較高,有較高的抗回火穩(wěn)定性,250～400 ℃回火時,由于馬氏體分解、正方度減小以及碳化物轉(zhuǎn)變和聚集長大,硬度趨于降低;在400 ℃以上回火,產(chǎn)生α相的回復與再結晶及碳化物聚集并球化,均使硬度下降,碳化物從馬氏體和貝氏體基體上析出聚集,馬氏體的正方度[5]下降,硬度下降,獲得的仍是回火馬氏體和回火貝氏體為主的組織,見圖1,因此,一次回火和二次回火的顯微組織沒有明顯差別。

圖1 回火后試樣的顯微組織

通常殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度是200～370 ℃,但在回火加熱過程中,在常規(guī)的加熱速度下,試樣在200～370 ℃期間停留時間較短,殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變量很少,大量殘留奧氏體會保留到回火的等溫溫度下轉(zhuǎn)變。420 ℃一次回火時,殘留奧氏體在420 ℃的保溫溫度下發(fā)生轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變溫度靠近上貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū),轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為碳化物加鐵素體(上貝氏體);對于380 ℃+420 ℃二次回火,殘留奧氏體是在第一次380 ℃回火的保溫期間發(fā)生轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變溫度靠近Ms點(355 ℃),轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是下貝氏體,上貝氏體和下貝氏體在力學性能上有差異。雖然該材料合金含量高,但碳含量較低,僅為0.23%,馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Mf為215 ℃,淬火后形成的殘留奧氏體量很少。殘留奧氏體一般在晶界附近,光學顯微鏡下沒有看到殘留奧氏體痕跡,因此殘留奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物不是影響疲勞壽命的主要因素。

在試樣的熱處理過程中,都經(jīng)歷了相同的淬火過程,只是回火不同,而本試驗條件下的回火,即420 ℃×3.5 h一次回火和380 ℃×3.5 h +420 ℃×3.5 h二次回火,回火的溫度在中溫回火區(qū)間,但鋼的合金元素Mn、Cr、Ni、Mo含量較高,提高了鋼的回火穩(wěn)定性,獲得的仍是回火馬氏體和回火貝氏體,馬氏體或貝氏體基體析出的碳化物很細小。由此可以認為,兩種回火工藝下的其它組織形態(tài)差別不大,其差別主要在于碳化物的形態(tài)和分布。

2.2 掃描電鏡觀察與分析

為了進一步分析碳、合金元素和碳化物的形態(tài)和分布,利用ZEISS EVO 18掃描電鏡對一次回火和二次回火后的試樣分別進行觀察,結果如圖2和圖3所示。

圖2 420 ℃×3.5 h下一次回火后試樣的SEM圖和微區(qū)元素分布

圖3 380 ℃+420 ℃二次回火后試樣的SEM圖和微區(qū)元素分布

圖2為420 ℃×3.5 h一次回火后的試樣,圖2(a,b)為SEM照片,可看到馬氏體和貝氏體基體上的細小碳化物,照片凹凸感較強;圖2(c)顯示C、Fe和Mo元素的分布;圖2(d)顯示碳化物(紅色部分),碳化物數(shù)量較多(約70%)。圖2(e)中碳化物數(shù)量比圖2(d)稍低,碳化物呈球狀或條狀,有少部分奧氏體化時未溶的碳化物(較清晰的球狀);圖2(f)中碳化物數(shù)量少,只有圖2(d)的1/3左右,碳化物與基體的邊界清晰,沒有邊界模糊的碳化物,碳化物大多呈球狀,少量呈條狀。圖2(f)中碳化物數(shù)量少,可能與溶入基體的合金元素不均勻有關,邊界清晰的碳化物可能是奧氏體化時未溶解的碳化物;邊界清晰的碳化物與邊界模糊的碳化物可能具有不同的結構。420 ℃一次回火時,碳化物的析出有的以未溶碳化物為核心聚集長大,有的重新形核再聚集長大。

圖3為380 ℃×3.5 h+420 ℃×3.5 h二次回火后的試樣,比較圖2(a,b)和圖3(a,b)發(fā)現(xiàn),圖3(a,b)組織較平整,浮凸和下凹程度較輕。在微區(qū)范圍各元素分布均勻(見圖3(c)),沒有發(fā)現(xiàn)如圖2(f)所示碳化物有明顯減少的區(qū)域,圖3(d,e)的大部分紅色碳化物邊界模糊,呈絮狀紅色,只有少數(shù)碳化物(紅色)邊界清晰,碳化物數(shù)量比圖2(d,e)的略多,因此,二次回火試樣韌性比一次回火好,對提高疲勞性能有益[6-7]。

在380 ℃第一次回火時,部分碳化物以未溶碳化物為核心聚集生長,另一部分重新形核聚集生長,由于回火溫度較低,碳的擴散相對困難,碳化物聚集長大的驅(qū)動力小,形成的碳化物尺寸較一次回火(420 ℃)小,在進行420 ℃第二次回火時,由于380 ℃第一次回火時碳化物析出降低了馬氏體和貝氏體基體的碳含量,一部分碳化物會以第一次形成的碳化物為核心生長,另一部分重新形核生長。以第一次析出的碳化物為核心繼續(xù)長大的碳化物(見圖3(d,e),中間為邊界清晰的紅色球狀碳化物,周圍包裹邊界模糊的紅色絮狀部分),因基體碳含量較低,不能形成第一次380 ℃低溫回火時已形成原碳化物的結構,而是形成了介于基體和碳化物之間的較高碳濃度區(qū)的準碳化物或過渡碳化物,這類碳化物保持了與基體和碳化物的共格關系,因此成像為邊界模糊不清晰的絮狀,由于420 ℃第二次回火的碳化物是在第一次380 ℃回火形成的碳化物和基體之間,碳含量較380 ℃第一次回火形成的碳化物低,可以形成尺寸較大的過渡碳化物,見圖3(d,e)紅色絮狀部分,過渡碳化物的晶格結構從基體的馬氏體或貝氏體結構過渡到一次回火形成的碳化物結構,碳化物和基體保持了一種連續(xù)的共格結構,這種結構沒有割裂馬氏體或貝氏體基體,因此具有較高的抗疲勞性能。另一部分為重新形核的碳化物,因380 ℃第一次回火碳化物的析出,基體碳含量較低,碳化物形核后基體沒有足夠的碳濃度形成結構穩(wěn)定的碳化物,而是形成了碳濃度較高的過渡碳化物或準碳化物,見圖3(d,e)邊界模糊的紅色絮狀部分,這些準碳化物保持了和基體的共格關系,沒有割裂基體,疲勞壽命也很高。邊界清晰的碳化物,晶體結構與基體差異較大,割裂了基體,容易成為疲勞裂紋源,因此疲勞壽命低。

如果繼續(xù)延長二次回火時間,過渡碳化物也會聚集形成尺寸較小的穩(wěn)定碳化物,不再和基體保持共格關系,工件的疲勞強度也會降低。

2.3 夾雜物觀察與分析

零件疲勞壽命往往與應力集中、零件尺寸、表面狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)、加載順序和頻率等因素有關,微觀上除了與顯微組織相關之外,還可能與材料中的非金屬夾雜物相關。本試驗采用光學顯微鏡和蔡司(ZEISS)EVO 18掃描電鏡,分析了試樣的非金屬夾雜物,利用掃描電鏡配置的能譜功能對420 ℃×3.5 h一次回火試樣和380 ℃×3.5 h +420 ℃×3.5 h二次回火試樣分別進行了面掃描,兩個試樣中的夾雜物未見有明顯差異,結果如圖4所示。

圖4 試樣一次回火和二次回火后的非金屬夾雜物形貌

根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》,對夾雜物形態(tài)的描述可知,420 ℃×3.5 h一次回火和380 ℃×3.5 h+420 ℃×3.5 h二次回火試樣中的夾雜物均為硫化錳,有以球形夾雜物為中心的細長硫化錳,存在鋁的氧化物與硫化錳的復合夾雜,除此之外,未觀察到較為明顯的其它類型夾雜物,總的看來,兩個試樣夾雜物數(shù)量少,未見有明顯差異,對疲勞壽命的影響是一樣的。

綜合光學顯微鏡和掃描電鏡分析,420 ℃×3.5 h一次回火的顯微組織為回火馬氏體、少量貝氏體和碳化物,合金元素分布均勻,碳化物邊界較清晰、尺寸較細小、有分布不均勻現(xiàn)象;380 ℃×3.5 h+420 ℃×3.5 h 二次回火的顯微組織為回火馬氏體、少量貝氏體和碳化物,碳化物數(shù)量較多、碳化物邊界為絮狀模糊態(tài)、尺寸較大,沒有發(fā)現(xiàn)殘留奧氏體,非金屬夾雜物沒有明顯差異;23MnNiCrMo54鋼接鏈環(huán)工件采用380 ℃×3.5 h+420 ℃×3.5 h二次回火能顯著提高疲勞壽命,可能與二次回火時形成的過渡碳化物與基體保持了共格結構有關。

3 結論

1) 23MnNiCrMo54鋼的接鏈環(huán)工件,使用380 ℃×3.5 h+420 ℃×3.5 h二次回火工藝,成功解決了420 ℃×3.5 h一次回火疲勞壽命低且不合格的問題。

2) 掃描電鏡及能譜分析結果顯示,420 ℃一次回火試樣與380 ℃+420 ℃二次回火試樣的碳化物具有不同的結構形態(tài),是二次回火后工件具有更高疲勞壽命的主要原因。

3) 觀察顯微組織可知,殘留奧氏體不是引起疲勞循環(huán)次數(shù)降低的主要因素。

4) 材料的非金屬夾雜物硫化錳、鋁氧化物與硫化錳的復合夾雜物,不是引起疲勞循環(huán)次數(shù)差異的原因。