热处理对空冷贝氏体/马氏体复相耐磨铸钢组织与性能的影响

　　1920年，Robertson首先发现，钢在中温区保温一定的时间后会得到贝氏体组织[1]。30年后，Pickering等人发现在钢中加入适当含量的Mo和B可以改变CCT曲线，得到贝氏体组织，国内将其称之为Mo系空冷贝氏体钢[2]。20世纪70年代，我国清华大学方鸿生、白秉哲等人发现Mn可以使CCT 曲线出现河湾状区域，在此基础上发明了区别于Mo系空冷贝氏体钢的Mn系贝氏体钢[3-5]，并且形成了一定的体系。空冷贝氏体钢属于中低合金的耐磨铸钢，是近年开发的一种新型耐磨材料，具有高的强韧性配合，淬透性高，合金含量低，价格相对低廉，耐磨性良好，广泛应用于矿山机械、冶金、电力、化工、农机、建筑等行业[6]。据不完全统计，我国仅在冶金、矿山、电力、煤炭和农机部门，由于工件磨损而造成的经济损失每年约400亿。对于这么大的磨损量，开发和寻求更好的耐磨材料成为迫在眉睫的需求。本文研究了热处理制度对一种自行冶炼的空冷贝氏体/马氏体复相耐磨铸钢组织性能的影响，旨在探讨可获得良好组织与性能的热处理工艺，为进一步挖掘空冷贝氏体/马氏体复相耐磨铸钢的应用潜力提供参考。

　　1 试验材料及方法

　　1.1 冶炼铸钢

　　本试验所用材料为自行设计的铸钢，在50kg中频感应炉中冶炼，向Q235钢边角料中加入硅铁、锰铁、中碳铬铁、钼铁、纯镍及硼铁，然后在砂型中铸造成型，待冷却至850℃空冷，成分见表1。

　　1.2 试验方案

　　将铸坯精整后在线切割试验机上切取尺寸为10mm×10mm×55mm的冲击试样、25.5mm×56mm×66mm 的耐磨试样和金相试样。然后对试样进行以下3种工艺热处理，并分析讨论不同热处理工艺制度对材料性能的影响。工艺一: 920℃×1h，空冷+500℃ 回火×1h，空冷。工艺二: 将试样包裹在河砂中加热到920℃×1h，砂冷+500℃回火×1h，空冷。工艺三: 780℃球化退火×3h，炉冷+工艺二。

　　1.3 性能检测

　　试样经抛光后用2%的硝酸酒精溶液腐蚀，在光学显微镜上观察组织。冲击韧性试验完成后在冲击韧性试样上用洛氏硬度计测定硬度，取4～7个值的平均值。耐磨性试验在湿砂橡胶轮试验机上进行，使用相对耐磨性来和相对硬度来对比不同工艺下硬度对耐磨性的影响。相对耐磨性 =铸态磨损量 ÷热处理后的磨损量。

　　2 试验结果及讨论

　　2.1 显微组织分析

　　图1为不同热处理工艺制度下的显微组织。可以看出，上述的3种热处理工艺都得到了贝氏体/马氏体复相组织，贝氏体/马氏体复相钢良好综合性能的实现，正是依赖于这两种物相的有机搭配。图1中3种工艺都得到贝氏体/马氏体复相组织的原因是 Mo和Mn都可以推迟珠光体转变，使Ms点降低[7]，扩大了贝氏体的转变温度范围。而且，Mo和Mn与微量B相互作用还可以显著铸钢的淬透性，因此在空冷条件下都可以得到马氏体组织。获得贝氏体的方式有两种:一是经过等温转变，二是在一定的冷速范围内形成。试样在经河砂包覆冷却过程中，冷却速度明显降低，使冷速更贴近贝氏体相形成的范围，得到大量的贝氏体组织。因此，图1(b) 、图1(c) 相对于图1(a) ，贝氏体相对较多，马氏体相对较少，并伴有大量的残留奥氏体。而图1(c)试样经过780℃×3h 球化退火预处理，得到了比图1(a)和图1(b) 试样更均匀细密的组织，因为780℃球化退火温度不高，不足以使晶界熔化或晶粒长大，却能促使合金元素充分扩散，一定程度上消除了铸态组织中的枝晶偏析，还促使晶界上的成网状分布的二次碳化物球化，降低了碳化物对材料性能尤其是韧性的影响。另外，钢中的硅也有效减少了钢中碳化物的析出，使组织更加细密。