锰及热处理参数对中碳低合金耐磨钢组织与性能的影响

杨宝国

（济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南 250022）

0 前言

目前，我国大型矿山特别是露天矿的挖掘机、装载机使用量不断增加，铲齿是其主要的磨耗件之一，消耗量很大，每年有相当数量铲齿需要进口[1]。

传统的铲齿材料为高锰钢，其特点是具有加工硬化性，即在使用过程中受冲击应力作用以后具有很强的硬化能力。而铲齿的实际工作受力情况属于冲击载荷不大的小能量多次冲击形式，高锰钢得不到充分加工硬化，其硬度和耐磨性无法得到有效提高。针对高锰钢铲齿存在的局限性，课题组提出了一种中碳低合金耐磨钢材质，并着重研究了Mn含量及热处理工艺对实验钢组织与性能的影响[1-5]。

1 实验材料与方法

1.1 合金元素的确定

（1）碳

C是低合金耐磨钢关键控制元素[2,6,7]，其含量的高低直接影响淬火后的基体马氏体的类型,影响钢的强度、硬度和韧性，从而影响钢的耐磨性。碳量不同获得硬度和韧性的匹配不同,而中碳合金则兼具较高硬度和良好韧性,故碳含量控制在0.4%～0.6%。

（2）锰

Mn在钢中一部分固溶于铁素体(或奥氏体)中，另一部分形成含锰合金渗碳体(Fe，Mn)3C。它是扩大奥氏体相区元素，随其含量的增加，临界温度A4线上升，A3(GS线)下降。除了降低共析温度外，还降低共析点的含碳量。因此，在相同含碳量及冷却速度下，随着钢中含锰量增加，显微组织中的珠光体不但细化，而且数量亦增多，钢的强度和硬度上升，不降低钢的塑性和韧性。能显著地提高钢的淬透性。与硅配合，既能提高强度、硬度，又能保持较高的冲击韧度[3,6-10]。

（3）硅

Si在钢中不形成碳化物，只形成固溶体，在铁素体中的固溶强化作用较强,随其含量的增加强度和硬度上升塑性有所下降,超过3%时明显下降[3,7,10]。钢中有少量的硅可减小Fe3C的厚度细化珠光体，硅还可以提高钢的抗回火性能，但降低钢的塑性和韧性，提高韧脆性转变温度，增大钢在热处理过程中的脱碳倾向，故其含量控制在0.5%～1.0%之间。

（4）铬

Cr既能固溶于铁素体中，又能与钢中的碳形成多种碳化物，增加钢的淬透性[3,6-10]。

根据各元素在钢中的作用，本实验钢主要成分设计如表1。

表1 实验钢化学成分w%

1.2 实验方法

1.2.1 试样的制备

水玻璃砂造型，在酸性中频无芯感应电炉中进行钢水熔炼；1 600～650℃加入铝丝脱氧，包内冲入稀土硅；浇注温度为1 480～1 550℃；当温度小于600℃时，开箱脱模，清理浇冒口。

1.2.2 热处理工艺

根据中碳钢的相变临界点[3-7]，确定实验钢的热处理工艺如图1。奥氏体化温度870/920/970℃×60 min；等温温度 230℃×120 min。

图1 实验钢的热处理工艺曲线

1.2.3 性能测试及组织观察

硬度实验采用HR-150A洛氏硬度仪进行测定，冲击实验选用全自动金属摆锤冲击试验机，观察显微组织时所用的是奥林巴斯金相显微镜。

图2 水冷时不同锰含量和奥氏体化温度对实验钢性能的影响

2 实验结果与分析

2.1 力学性能及分析

由图2、3、4可知，随着w(Mn)含量的增加冲击韧性逐渐下降，随着奥氏体化温度的逐渐升高，冲击韧性呈逐渐下降的趋势。这是由于奥氏体化温度升高，在相同保温时间的条件下，溶入奥氏体中的合金元素和碳量增加，同时，奥氏体化温度过高，使得晶粒粗大，从而降低室温下的冲击韧性。

图3 空冷时不同锰含量和奥氏体化温度对实验钢性能的影响

图4 等温淬火时不同锰含量和奥氏体化温度对实验钢性能的影响

空冷冲击韧性值最大,等温盐冷次之,水冷最低，这也符合一般规律。合金元素使共析碳含量降低，促进珠光体含量增加。锰使共析温度降低，使珠光体分散度增加，细化珠光体，使钢的冲击韧性提高。

w(Mn)从1.3%～1.5%冲击韧性略有下降，增加到1.7%后明显下降；洛氏硬度先上升后下降。当锰含量较低时，锰元素能强化铁素体、奥氏体；随着锰量增加，组织中容易出现网状铁素体；回火脆性倾向增大并会导致钢淬火组织中残余奥氏体量增加，故硬度下降。随奥氏体化温度的升高，洛氏硬度呈下降趋势。这是由于随着奥实体化温度升高，奥氏体中固溶合金元素量增加，使最终得到的组织中残余奥氏体的合金含量增加，从而硬度呈下降趋势。

由图可知水冷组织洛氏硬度值最大，等温盐冷次之，空冷最大。水冷组织为马氏体+铁素体+残余奥氏体；空冷组织为珠光体+铁素体+残余奥氏体；等温盐冷组织为下贝氏体+铁素体+残余奥氏体。洛氏硬度大小比较：马氏体＞下贝氏体＞珠光体。

2.2 金相组织观察及分析

2.2.1 锰对实验钢组织的影响

由图5可看到,水冷后回火试样的组织为回火马氏体+残余奥氏体+铁素体，其中暗黑色为回火马氏体,白亮的为铁素体和残余奥氏体。马氏体的形态为针状，随着锰含量的增加，马氏体量越来越少，铁素体和残余奥氏体量增加。原因是锰能降低马氏体转变点（Ms），降低奥氏体分解（析出碳化物）速度。

2.2.2 奥氏体化温度对实验钢组织的影响

图6是水冷处理+低温回火得到的组织，暗黑色的是回火马氏体，白亮色的是铁素体和残余奥氏体。由图中可以看出随着奥氏体化温度升高，图中的暗黑色区域变少，生成的马氏体量减少。随着奥氏体化温度的升高，溶入奥氏体的合金量会增加，增加了奥氏体的稳定性，使得奥氏体向马氏体转变困难；而且奥氏体化温度越高使得奥氏体晶粒长大，得到的马氏体组织也粗大。

2.2.3 不同淬火方式对实验钢组织的影响

图7是奥氏体化温度870℃时试验钢通过不同淬火方式得到的显微组织，由于870℃奥氏体化合金溶入量较少，合金元素的加入使C曲线右移，临界冷却速度降低。在等温过程中得到组织主要为贝氏体+马氏体，由于等温时间较短所以贝氏体转变量较少见图3.7a；空冷时因冷却速度较慢，在此过程中得到组织主要是珠光体+少量铁素体见图3.7b；水冷时因冷却速度较快，又因合金元素的加入使C曲线右移，临界冷却速度降低，直接进入马氏体转变区域，故得到组织主要为马氏体+少量铁素体+残余奥氏体见（C）。

3 装机实验

采用w(Mn)1.5%，870℃奥氏体化保温1 h后等温1 h得到的材质，在北方某露天矿的挖掘机上进行了产品的装机实验，结果证明，使用寿命比原高锰钢材质的铲齿提高80%～120%。

4 结论

通过对实验钢不同含锰量、不同热处理工艺的对比分析，得出结论如下：

（1）w(Mn)从1.3%升至1.5%时硬度呈上升趋势,当w(Mn)增至1.7%时硬度明显下降。w(Mn)从1.3%升至1.7%时冲击韧性值逐渐降低。

（2）等温处理后得到的组织主要为马氏体和下贝氏体，空冷得到组织主要是珠光体和少量铁素体；水冷得到组织主要为马氏体还有少量铁素体和残余奥氏体。

（3）w(Mn)1.5%时，870 ℃奥氏体化保温1 h后等温1 h得到的试样的综合力学性能最佳，冲击韧性达到244.97 J/cm2，硬度为 HRC48.2；w（Mn）1.7%时 970℃时水冷得到钢的冲击韧性最差为41.93 J/cm2，洛氏硬度硬度最差为HRC43.7。

（4）实验钢材质用于矿山挖掘机铲齿时，其使用寿命比高锰钢材质提高80%～120%。

图5 不同锰含量对（920℃+水冷）实验钢的显微组织 ×1000倍

图6 不同奥氏体化温度水冷锰含量1.7%的试样显微组织 ×1000倍

图7 奥氏化温度为870℃+不同淬火方式实验钢的显微组织 ×1000倍

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