矿山机械用 Cr-C 耐磨合金的组织性能研究

苏兴国，杨 光，李佳康，齐海龙，王永金

1鞍山钢铁集团有限公司东鞍山烧结厂 辽宁鞍山 114000

2北京科技大学材料科学与工程学院 北京 100083

随着科学技术的飞速发展和工业规模不断扩大，矿山设备的磨损严重影响了设备的工作效率[1]。磨损作为钢铁材料失效的主要形式之一，每年直接导致的经济损失达百亿元以上[2]。Cr-C 耐磨合金具有硬度高、耐磨性好的特点，可用于制造耐磨衬板。其铸态组织存在有网状碳化物，且随着含碳量的增加，凝固组织中会出现粗大的网状共晶碳化物，且偏析严重，韧性较差[3-5]，经合理的热处理可以在保证耐磨性的前提下，提高其韧性。笔者围绕 Cr-C 耐磨合金研究了热处理工艺对其组织及性能的影响。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

所用试验材料是在真空感应炉中进行合金的冶炼，并浇入石墨坩埚中，空冷至室温，试验用 Cr-C耐磨合金化学成分 (质量分数) 如表 1 所列。

表1 Cr-C 耐磨合金化学成分 (质量分数)Tab.1 Mass fraction of chemical composition of Cr-C wear resistant alloy %

1.2 热处理

热处理包括正火、淬火、回火。首先对铸态试样进行 1 000、1 100、1 200 ℃ 正火处理，保温 2 h，空冷至室温，对正火后的试样进行显微组织观察及力学性能检测。正火后的 Cr-C 耐磨合金力学性能如表 2所列。

表2 正火后 Cr-C 耐磨合金的力学性能Tab.2 Mechanical properties of Cr-C wear resistant alloy after normalizing

由表 2 可知，Cr-C 耐磨合金最佳的正火温度为1 100 ℃。在 1 100 ℃ 正火后，进行淬火+回火处理。其中，淬火处理为 900 ℃ 保温 1 h，并设置了油冷和空冷 2 种不同的冷却方式，对不同淬火处理后的试样进行回火处理，在 250 ℃ 保温 2 h 空冷至室温。

1.3 表征方法

试样热处理完成后，机加工为 U 形 55 mm×10 mm×10 mm，然后进行常温冲击韧性检测，采用洛氏硬度计对试样的硬度进行测定。同时，切取试样制备 10 mm×10 mm×5 mm的金相，经过镶样、磨样、抛光后，采用体积分数为 4%的硝酸酒精进行侵蚀后，使用 SEM 对其显微组织进行观察。

2 结果与分析

2.1 Cr-C 耐磨合金铸态组织及性能

Cr-C 耐磨合金铸态下硬度达到 43.6HRC，冲击韧性为 2.2 J/cm2。通过 SEM 观察发现铸态组织主要由粒状珠光体和网状碳化物组成，如图 1 所示。其中，网状碳化物的存在，降低了晶格之间的延续性，降低了 Cr-C 耐磨合金的性能，使 Cr-C 耐磨合金的冲击韧性下降，脆性增加，在使用中发生疲劳失效。为了消除 Cr-C 耐磨合金中网状碳化物带来的不利影响，需要对其进行预处理。对于过共析钢，可以采用正火处理，消除网状碳化物[6-7]。

图1 Cr-C 耐磨合金铸态组织Fig.1 As cast microstructure of Cr-C wear resistant alloy

2.2 正火处理对 Cr-C 耐磨合金组织及性能的影响

Cr-C 耐磨合金在硬度方面，经 1 000、1 100 ℃正火处理后，Cr-C 耐磨合金的硬度与铸态相比分别提高了 21.0HRC、14.6HRC，其中在 1 000 ℃ 时，硬度达到最大值 64.6HRC，而经过 1 200 ℃ 正火处理后，Cr-C 耐磨合金的硬度下降明显，为 30.6HRC；在冲击韧性方面，同铸态时相比较，经过 1 000 ℃ 正火处理后，冲击韧性有所降低，经 1 100、1 200 ℃ 正火处理后，冲击韧性得到提高。在 1 100 ℃ 正火处理后，冲击韧性达到最大值 4.9 J/cm2。

Cr-C 耐磨合金正火后的 SEM 组织如图 2 所示。由图 2 可以观察到，经过不同温度正火处理后，Cr-C耐磨合金的组织发生了改变。随着正火温度的升高，网状碳化物不断溶解到基体组织中，网状形态得到一定的缓解。在 1 000 ℃ 时，原网状碳化物网出现溶断，碳化物溶解为小颗粒，但仍可依稀看出原网状碳化物的形貌；在 1 100 ℃ 时，可以看到，碳化物主要集中在部分晶界处，在部分位置可以看到晶粒周围被碳化物包围；在 1 200 ℃ 时，碳化物网基本消失，可以在晶界处看到颗粒状的碳化物。在基体层组织方面，经 1 000 ℃ 正火处理后，得到的原奥氏体晶粒更加细小，平均晶粒尺寸为 10 µm，同时在晶粒内部有细小的二次碳化物析出，硬度最大；在 1 100 ℃ 时，奥氏体晶粒明显粗大，平均晶粒尺寸＞20 µm，可以观察到马氏体的表面浮凸，硬度也降低；在 1 200 ℃，保温过程中，奥氏体晶粒继续长大，同时碳化物进一步溶解，基体中 Cr 含量升高，Ms 点降低，最终奥氏体组织在室温下得到保留。

图2 不同温度正火后 Cr-C 耐磨合金的显微组织Fig.2 Microstructure of Cr-C wear resistant alloy after normalizing at various temperatures

综合分析，在 1 000 ℃ 时，细小的奥氏体晶粒和大量未溶的断网碳化物，使得此时硬度保持在较高水平，同时大量的细小颗粒碳化物集中分布于某些晶界处，不利于冲击韧性的提高；在 1 100 ℃ 时，在晶界处保留了部分碳化物，同时奥氏体长大，冷却后得到马氏体组织，二者的相互作用使得试验钢的硬度和冲击韧性均处于较高水平；在 1 200 ℃ 时，较高的保温温度促进了奥氏体的长大，同时，网状碳化物的溶解使得奥氏体中合金元素含量增多，Ms 点降低，在室温下得到奥氏体组织，粗大的奥氏体晶粒使得此温度下硬度急剧下降，不利于冲击韧性的进一步提高。

2.3 淬火+回火处理对 Cr-C 耐磨合金组织及性能的影响

淬火+回火后的 Cr-C 耐磨合金的力学性能如图3 所示。Cr-C 耐磨合金经空冷淬火+回火后，硬度为 55.7HRC，冲击韧性为 3.2 J/cm2，其硬度和冲击韧性较正火后均有所降低，性能未能实现再次提升；而经油冷淬火+回火后，Cr-C 耐磨合金的硬度提高到 58.9HRC，但冲击韧性下降明显，冲击韧性由正火态的 4.9 J/cm2降低为 2.7 J/cm2。

图3 淬火+回火后 Cr-C 耐磨合金的力学性能Fig.3 Mechanical properties of Cr-C wear resistant alloy after quenching+tempering

不同热处理后的 Cr-C 耐磨合金组织如图 4 所示。由图 4 可以看到，空冷淬火+回火后，基体组织为马氏体组织，晶界处初生碳化物得到细化，同时可以看到部分晶粒内存在更加细小的颗粒状碳化物。油冷淬火+回火后，基体组织为回火马氏体组织，晶界处碳化物较为粗大，基体上的二次碳化物呈现出颗粒状。

图4 不同热处理后的 Cr-C 耐磨合金组织Fig.4 Microstructure of Cr-C wear resistant alloy after various heat treatment

综合分析，空冷淬火+回火后，初生碳化物溶入基体，碳化物含量降低，且由于马氏体硬度要低于碳化物的硬度，最终表现为硬度降低。油冷淬火+回火后，初生碳化物粗大，二次碳化物增多，硬度提高。

3 结论

(1) Cr-C 耐磨合金铸态组织中存在明显的网状碳化物，基体组织为粒状珠光体，经正火处理后，网状碳化物部分溶解到基体组织中，网状形态得到一定的缓解，性能得到改善。正火后进行淬火+回火，晶界处碳化物得到保留，基体中开始析出二次碳化物。

(2) 经 1 000 ℃ 正火处理后，所得到的奥氏体晶粒更加细小，平均晶粒尺寸为 10 µm，正火温度超过1 100 ℃ 之后，奥氏体晶粒明显粗大，平均晶粒尺寸＞20 µm。经不同正火温度处理后，Cr-C 耐磨合金的基体组织也发生改变，在 1 000 ℃ 和 1 100 ℃ 时，基体组织为马氏体组织；正火温度为 1 200 ℃ 时，碳化物进一步溶解，基体中 Cr 含量升高，Ms 点降低，最终在室温下获得奥氏体组织。

(3) 正火后经淬火+回火的热处理，可以保证Cr-C 耐磨合金的硬度保持在较高水平，硬度均＞55 HRC，但其冲击韧性较 1 100 ℃ 正火后，均表现为降低，且经油冷淬火+回火处理的试样冲击韧性最低，为 2.7 J/cm2。

(4) Cr-C 耐磨合金最佳的热处理工艺为 1 100 ℃正火，保温 2 h。在此条件下，Cr-C 耐磨合金的冲击韧性最好，为 4.9 J/cm2，同时也保证其有较高的硬度，为 58.2HRC。