75Si2Mn1.5CrB铸钢等温淬火组织及力学性能

来源:先进结构材料省部共建教育部重点作者:艾地

对新型的高碳低合金75Si2Mn1.5CrB钢进行了在200℃等温淬火工艺组织和力学性能的研究。利用激光显微镜、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)对等温淬火处理的试验用钢进行了观察和分析。结果表明,75Si2Mn1.5CrB钢经920℃奥氏体化快冷至200℃等温处理后,组织为带有奥氏体薄膜的贝氏体铁素体、马氏体和残留奥氏体。75Si2Mn1.5CrB钢在200℃等温22h时,其综合力学性能良好。

目前国内外使用最多的耐磨材料大体上分为3类:铸造高锰钢、合金耐磨钢、铸造白口铸铁等。我国目前广泛使用的耐磨材料仍以高锰钢为主。然而许多研究表明,在非强烈冲击载荷作用下,高锰钢并不耐磨。合金耐磨钢由于其合金含量较高,加入较多的贵重元素,成本很高,一定程度限制了其使用。低合金耐磨钢常用Cr、Mn、Nb、Ni、和Si等合金元素进行合金化,通过马氏体、贝氏体相变强化及析出相强化手段来提高耐磨性,因此其相对于前两种钢来说其优点是强韧积较高,综合力学性能良好,而且成本低。

Bhadeshia等研究指出,富Si多元合金化的高碳钢在稍高于马氏体转变开始点的较低温度进行等温转变,可获得由很细的板条状的贝氏体铁素体和分散在板条间的薄膜状的残留奥氏体组成的贝氏体组织。本文采用的75Si2Mn1.5CrB铸钢属于高碳低合金耐磨铸钢,通过不同条件下的等温淬火得到了(BF+A)型贝氏体加(M+AR)复相组织。

近期的研究表明,钢材组织为成束条状贝氏体铁素体(BF)与条间成膜状残留奥氏体(AR)的混合物(也称超级贝氏体或者强硬贝氏体)时,其性能具有高韧性、高强度,从而具有高的耐磨性和抗破裂性,这应是耐磨钢最佳的显微组织形态之一。而且获得这显微组织用钢主要是Si-Mn钢,价格较低,因而可能成为耐磨零件用钢的发展方向。在此基础上,研究等温淬火后试验用钢的组织与力学性能。

本文对不同条件的等温淬火下75Si2Mn1.5CrB铸钢的微观组织进行观察,研究等温淬火后75Si2Mn1.5CrB铸钢贝氏体铁素体与奥氏体的形态特征及分布,探讨不同条件下的等温淬火对75Si2Mn1.5CrB铸钢组织和力学性能的影响,为优化热处理工艺、提高铸钢综合力学性能及针对铸钢的不同用途合理选择热处理工艺提供依据。

1、试验材料及方法

1.1、试验材料

试验钢成分设计,既考虑到可以获得高强韧积超级贝氏体,又考虑制造厚度较大的零件,需要其过冷奥氏体具有较大的稳定性,设计钢号为75Si2Mn1.5CrB钢,成分如表1所示。经电炉冶炼达到基本成分之后,进行炉外精炼,砂模浇注成试样,试样尺寸是为60mm×60mm×120mm。

表175Si2Mn1.5CrB钢的化学成分(质量分数,%)

75Si2Mn1.5CrB钢的化学成分

1.2、试验方法

铸钢试样奥氏体化温度为920℃,其直接油淬后的组织为均匀细密的马氏体组织,参照文献[8]中的经验公式,计算出该试验用钢的Ms为140℃。等温热处理工艺采用:600℃、20min预热,920℃、30min奥氏体化,取出快速放进油里冷却,待温度降到200℃以上,取出用红外线测温仪测温,然后放进至200℃炉中等温(15min、1h、3h、22h和109h),空冷。等温淬火试样的尺寸为12mm×12mm×120mm。热处理后试样经磨光、抛光、4%硝酸酒精溶液腐蚀后,采用OLYMPUSLEXT3DMeasuringLaserMicroscopeOLS4000激光显微镜观察组织;用HR-150A型洛氏硬度计测量试样等温淬火后的硬度,硬度值取8点的平均值;冲击试样采用10mm×10mm×50mm的标梅氏试样,U型缺口,在摆锤式冲击试验机上对试样的冲击韧度进行测量;拉伸试验在万能材料试验机上进行,试样尺寸10mm×110mm。在JEM-2000EX型透射电子显微镜(TEM)下观察试样中的贝氏体铁素体与奥氏体的形态、分布及物相定性分析。TEM试样用线切割切成约0.5mm厚的薄片,用SiC砂纸磨至约30μm厚,再用离子减薄仪将试样减薄。用D/MAX2000/PC型X射线衍射仪(XRD)进行物相组成分析,所用辐射为Cu-Kα,电压40kV,电流200mA。

结论

1)设计的75Si2Mn1.5CrB耐磨铸钢采用920℃奥氏体化,快冷至200℃等温,等温不同时间后空冷至室温的等温淬火工艺处理后,室温组织为带有奥氏体薄膜的贝氏体铁素体、马氏体和残留奥氏体,75Si2Mn1.5CrB钢在200℃等温22h时,其综合力学性能良好;

2)经过等温淬火的75Si2Mn1.5CrB耐磨铸钢的力学性能随着等温时间的变化而变化。随着等温时间的延长,材料的冲击韧度值先升高到最大值然后稍有下降最后趋于稳定值,而强度和硬度的变化正好与冲击韧度相反。

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