淬火温度对铬钼马氏体耐磨钢组织和力学性能的影响

马文高

(四川鸿舰重型机械制造有限责任公司，四川 攀枝花 617063)

马氏体耐磨钢广泛应用于矿山机械、工程机械及农机等装备[1]。由于耐磨衬板的工况复杂，通常也采用马氏体耐磨钢制作。添加铬、钼等元素可使马氏体耐磨钢具有更高的强度、硬度和韧性[2- 4]。淬火可使钢强化并获得某些特殊性能[5- 8]。淬火温度影响奥氏体晶粒度、合金元素在奥氏体中的溶解度、钢的淬透性和马氏体板条尺寸, 进而影响钢的力学性能[9]。因此研究不同温度淬火和回火后钢的组织和性能，从而得到最佳的工艺规范，对提高耐磨钢的使用寿命具有重要意义。本文研究了淬火温度对铬钼马氏体耐磨钢组织和性能的影响。

1 试验材料与方法

试验用铬钼马氏体耐磨钢采用10 kg中频感应炉熔炼，其化学成分如表1所示。采用 DIL805相变仪确定钢的Ac3温度为845 ℃。分别在880、900和920 ℃保温1 h油淬，然后在200 ℃回火2 h。采用尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的无缺口冲击试样在JB- 500B型冲击试验机上进行冲击试验。利用69- 1型布洛维光学硬度计测定洛氏硬度，试验力为150 kg，测10个点取平均值。采用MLD- 10A型动载磨料磨损试验机进行冲击磨料磨损试验，冲击功1.5 J，磨料粒径1.5目，冲击时间分别为30、60和90 min。金相试样经磨、抛后采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，然后在Carl Zeiss金相显微镜上观察显微组织。采用Phenom型扫描电子显微镜(SEM,scanning electron microscope)观察试样及其冲击断口形貌。采用EPMA- 8050G型电子探针对析出相进行定性分析。

表1 试验用铬钼马氏体耐磨钢的化学成分 (质量分数)

2 试验结果与讨论

2.1 淬火温度对力学性能的影响

图1为淬火温度对试验钢淬火和200 ℃回火后硬度和冲击性能的影响。图1表明： 随着淬火温度从 880 ℃提高至920 ℃，钢的冲击吸收能量从31 J 增加到58 J，硬度先升高后降低，900 ℃淬火的钢硬度最高，为52 HRC。随着淬火温度的升高，淬火时形成的马氏体中合金元素含量增加，钢的硬度提高。但是淬火温度继续升高，导致组织粗大，因而920 ℃淬火的钢硬度下降。920 ℃淬火、200 ℃回火的钢的冲击吸收能量平均值虽高于900 ℃淬火、相同温度回火的钢，但前者3次冲击试验结果的最低冲击吸收能量低于后者的平均值。综合来看，900 ℃淬火、200 ℃回火的试验钢力学性能最佳。

图1 淬火、回火后铬钼马氏体耐磨钢的硬度和冲击功吸收能量随淬火温度的变化

2.2 淬火温度对组织的影响

由图2、图3可知，淬火、回火后钢的组织均为板条马氏体，较均匀。随着淬火温度从880升高至920 ℃，马氏体逐渐粗化，900 ℃淬火、200 ℃回火的钢马氏体最细小；920 ℃淬火的钢马氏体较粗，即晶粒较粗大，晶界减少，对位错的阻碍作用减弱，因此硬度降低[10]。

图2 从不同温度淬火和200 ℃回火的铬钼马氏体耐磨钢的显微组织

图3 从不同温度淬火和200 ℃回火的铬钼马氏体耐磨钢的SEM形貌

此外，扫描电镜观察发现，880 ℃淬火、200 ℃回火的钢组织中有细小析出相，采用电子探针对析出相进行了定性分析，结果如图4所示。图4表明：880 ℃淬火、200 ℃回火的钢含有细小的碳化物，其成分除铬、碳外，还含有一定量的Ti、V、Nb和Mo元素，且钒含量高于钛、铌和钼含量。含V、Ti等合金元素碳化物的析出可提高钢的强度、硬度，从而改善耐磨性[11- 14]。

图4 880 ℃淬火、200 ℃回火的铬钼马氏体耐磨钢中的碳化物的电子探针定性分析

2.3 冲击试样断口形貌

图5～图7分别为不同温度淬火、相同温度回火的钢的冲击试样断口形貌。图5表明：随着淬火温度的升高，冲击试样断口的韧窝数量增多。与880 ℃淬火的钢相比，900 ℃淬火的钢的冲击试样断口韧窝深度显著增加，冲击吸收能量也从31 J提高到了52 J。920 ℃淬火、200 ℃回火的钢的冲击试样断口形貌与900 ℃淬火、200 ℃回火的钢差异不大，都有大量韧窝，但920 ℃淬火的钢的冲击试样断口韧窝更多，冲击吸收能量也从52 J提高到58 J。不同温度淬火的钢的冲击试样断口都有白色球状第二相，其EDS分析结果如图8所示，为稀土氧化物，是韧窝的形成质点，可增加韧窝数量，提高韧性。

图5 880 ℃淬火、200 ℃回火的铬钼马氏体耐磨钢冲击试样的断口形貌

图6 900 ℃淬火、200 ℃回火的铬钼马氏体耐磨钢冲击试样的断口形貌

图7 920 ℃淬火、200 ℃回火的铬钼马氏体耐磨钢冲击试样的断口形貌

图8 冲击试样断口的稀土氧化物及其能谱分析

2.4 淬火温度对冲击磨料磨损性能的影响

图9为不同温度淬火、相同温度回火的钢的冲击磨料磨损失重随试验时间的变化。从图9可以看出，磨损试验时间相同，900 ℃淬火的钢的磨损失重明显小于880和920 ℃淬火的钢。

图9 不同温度淬火、相同温度回火的铬钼马氏体耐磨钢的磨损失重与磨损试验时间之间的关系

图10为不同温度淬火、相同温度回火的钢经冲击磨料磨损试验后的形貌。从图10可以看出，920 ℃淬火、200 ℃回火的钢磨损面的磨料嵌入区明显多于880和900 ℃淬火、200 ℃回火的钢，而880和900 ℃淬火的钢磨损面的显微切削区面积大于920 ℃淬火的钢，且880 ℃淬火的钢磨损面有明显的裂纹。从上述力学性能和磨损失重分析可知，920 ℃淬火、200 ℃回火的钢硬度低但韧性高，磨损试验过程中有大量磨料嵌入区和塑性变形区，试样表面因疲劳而发生剥落，磨损严重；880 ℃淬火、200 ℃回火的钢硬度高但韧性低，在长期磨损试验过程中易产生微裂纹并扩展，从而发生大片剥落；相对而言，900 ℃淬火、200 ℃回火的钢具有更好的综合力学性能。

图10 从不同温度淬火和200 ℃回火的铬钼马氏体耐磨钢冲击磨料磨损试验后的形貌

3 结论

(1)随着淬火温度从880 ℃提高至920 ℃，铬钼马氏体耐磨钢的冲击韧性提高，冲击吸收能量从31 J提高到了58 J；硬度先升高后下降，900 ℃淬火、200 ℃回火的钢硬度最高，达52 HRC。900 ℃淬火、200 ℃回火的钢的耐磨料磨损性能最好。

(2)淬火、回火后铬钼马氏体耐磨钢的组织为均匀的板条马氏体，随着淬火温度从880 ℃提高至920 ℃，钢的组织逐渐细化，900 ℃淬火的钢马氏体最细小。

致谢：本文工作是攀钢集团项目支持下与上海大学先进凝固技术中心合作开展的，感谢上海大学先进凝固技术中心的老师和同学对样品分析检测工作给予的支持和帮助。