（材料加工工程专业论文）新型贝氏体钢钎头材料的研制与应用.pdf

新型贝氏体钢钎头材料的研制与应用 学科；材料加工工程 研究生签字： 指导教师签字： 土舢解 黝 摘要 研制了一种钎头用新型贝氏体钢，通过x 射线衍射分柝、光学金相分析、透 射电子显微观察、扫描电镜分析、磨料磨损、多次冲击疲劳等试验，研究该钢不 同热处理工艺下的组织、力学性能、耐磨性能及其多次冲击疲劳性能。 结果表明，新型贝氏体钎钢空冷+ 回火处理后的组织为贝氏体铁素体和奥氏 体组织，属于无碳化合物析出的新型贝氏体组织；油冷和水冷后的组织为板条马 氏体和奥氏体的复相组织。不同介质冷却，新型贝氏体钢具有较高的强度和冲击 韧度。组织中残余奥氏体的存在可以改善钢的强韧性。 新型贝氏体钎钢9 0 0 正火后，3 0 0 3 5 0 回火，具有较好的强韧性配合， 获得的力学性能分别为：抗拉强度( ob ) 1 6 7 0 m p a 、硬度( h r c ) 4 8 5 、冲击韧 度( a k u ) 8 2 j 。5 0 0 。c 回火时出现回火脆性，出现回火脆性的原因与贝氏体铁素 体和奥氏体组织分解为碳化物有关。 新型贝氏体钎钢正火+ 低温回火处理，销盘磨料磨损，磨损失重小于4 0 c r 钢 磨损失重、大于3 0 c r n i 4 m o 钢的磨损失重；淬火+ 低温回火，磨损失重大于4 0 c r 钢和3 0 c r n i 4 m o 钢的磨损失重。橡胶轮磨料磨损，正火( 淬火) + 低温回火，新 型贝氏体钎钢的磨损失重均小于4 0 c r 、3 0 c r n i 4 m o 钢，具有良好的耐磨损性能。 三种试验材料不同热处理状态的多次冲击疲劳试验结果表明，空冷+ 低温回 火，新型贝氏体钢多次冲击疲劳总寿命最高，淬火+ 低温回火新型贝氏体钢多次 冲击疲劳总寿命高于4 0 c r 钢的多冲疲劳寿命、低于3 0 c r n i 4 m o 钢的多冲疲劳寿 命。多次冲击疲劳裂纹扩展路径曲折，主要以穿晶方式进行。 用新型贝氏体钎钢制各凿岩用钎头，并进行工矿试验，结果表明，能够满足 钎头材料的性能要求，使用寿命高于4 0 c r 钢钎头使用寿命，与4 2 c r m o 钢钎头使 用寿命相当。可见，新型贝氏体钢能够作为凿岩钎头用钢。 关键词：新型贝氏体钢；钎头；组织；性能；耐磨性；冲击疲劳；应用 d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fan e w - t y p eb a i n i t e s t e e lf o rd r i l l i n gb i t s d i s c i p l i n e ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：w s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 吩殇州矿 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，an e w t y p eb a i n i t es t e e lf o rd i r l l i n gb i t su s eh a sb e e nd e v e l o p e d e f f e c t so fd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n to nm i c r o s t r u c t u r e 、m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 、 a b r a s i v ew e a ra n dr e p e a t e di m p a c tp r o p e r t i e sh a v es t u d i e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ( 0 m ) 、t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i e r o g r a p h ( t e m ) 、x r a yd i f f r a t i o n ( x r d ) 、s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n da b r a s i v ew e a ra n dr e p e a t e di m p a c tt e s tm a c h i n e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t e e lw h i c hc o n s i s t so fb a i n i t ef e r r i t ea n dr e m a i n e d a u s t e n i t ei san e wt y p eb a i n i t es t r u c t u r ew i t h o u tc a r b i d ep r e c i p i t a t i o na f t e ra i r c o o l i n g ，a n dt h a tc o n s i s t i n go fm a r t e n s i t ea n dr e m a i n e da u s t e n i t ei sah e t e r o g e n e o u s s t r u c t u r ew i t hag o o dc o m b i n a t i o no fs t r e n g t h ，t o u g h n e s sa n dh a r d n e s sa f t e ro i l c o o l i n go rw a t e rc o o l i n g t h er e m a i n e da u s t e n i t ec o u l di m p r o v et h es t r e n g t ha n d t o u g h n e s so ft h et e s ts t e e l a f t e rn o r m a l i z i n ga t9 0 0 ca n dt e m p e r i n ga t3 0 0 * ( 2 3 5 00 c ，t h en e wt y p e b a i n i t es t e e lh a st h eo p t i m u mm a t c h i n go fs t r e n g t ha n dt o u g h n e s sw i t ht e n s i l e s t r e n g t h ( 6 b ) o f1 6 7 0 m p a ，h a r d n e s s ( h r c ) 4 8 5a n di m p a c ts t r e n g t h ( a k u ) 8 2 j t h e t e m p e rb r i t t l e m e n ta p p e a r sa t5 0 0 t h er e a s o nf o rt e m p e rb r i t t l e m e n tr e l a t e st ot h e d e c o m p o s i t i o no fb a i n i t e df e r r i t ea n dr e m a i n ea u s t e n i t e b yt e s to fp i n - d i s ha b r a s i v ew e a rt e s t e r ，t h ew e a rw e i g h tl o s so ft h en e wt y p e b a i n i t es t e e la f t e rn o r m a l i z i n ga n dl o wt e m p e r a t u r et e m p e r i n gi sl e s st h a nt h a to f 4 0 c rs t e e la n dm o r et h a nt h a to f3 0 c r n i 4 m os t e e l ；t h ew e a rw e i g h tl o s so ft h e b a i n i t e ds t e e la f t e rq u e n c h i n ga n dl o wt e m p e r a t u r et e m p e r i n gi sm o r et h a nt h a to f 4 0 c ra n d3 0 c r n i 4 m os t e e l b yt e s to ft h er u b b e rw h e e la b r a s i v et e s t e r ，t h ew e a r w e i g h tl o s so ft h en e wt y p eb a i n i t es t e e la f t e rn o r m a l i z i n go rq u e n c h i n gi s l e s st h a n t h a to f4 0 c ra n d3 0 c f n i 4 m os t e e l t h eb a i n i t es t e e lh a st h eb e t t e rw e a r r e s i s t a n c e t h er e p e a t e di m p a c tf a t i g u et e s tw i t ht h r e ek i n d so fs t e e ls h o wt h a t ，t h e r e p e a t e di m p a c tf a t i g u et o t a ll i f eo ft h en e wt y p eb a i n i t es t e e li st h eh i g h e s ta f t e r n o r m a l i z i n ga n dl o wt e m p e r a t u r et e m p e r i n g ；w h i c hi sh i g h e rt h a nt h a to f4 0 c rs t e e l a n dl o w e rt h a nt h a to f3 0 c r n i 4 m os t e e l a f t e rq u e n c h i n ga n dl o wt e m p e r a t u r e t e m p e r i n g t h ep r o p a g m i o no ft h ei m p a c tf a t i g u ec r a c ki sz i g z a g ；m o s to ft h e ma r e t r a n s g r a n u l a rc r a c k i n g p r a c t i c a la p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wt y p eb a i n i t es t e e lb i t s s e r v i c e l i f ei sl o n g e rt h a nt h a to f4 0 c rs t e e la n de q u a lt ot h a to f4 2 c r m os t e e l t h eb a i n i t e s t e e lm e e t st ot h er e q u i r e m e n to fm a t e r i a lf o r d r i l l i n g b i t s i th a se x t e n s i v e a p p l i c a t i o np r o s p e c ta sam a t e r i a lf o rt h ed r i l l i n gb i t s k e yw o r d s ：n e wt y p eb a i n i t es t e e l tb i t ；m i c r o s t r u c t u r e ：m e c h a n i c a lp r o p e r t y i m p a c tf a t i g u e ：w e a rr e s i s t a n c e ；a p p l i c a t i o n 1 绪论 1 1 前言 1 绪论 自从3 0 年代r o b e r t s o n u l 及d a v e n p o r t 和b a i n t 2 1 在钢中发现贝氏体组织以来，许多学者 对贝氏体相变机制、贝氏体组织结构和力学行为等进行了深入的研究。尽管在贝氏体相 变机制、贝氏体组织形貌等分类问题至今还存在不同的观点和看法，但这种组织的钢在 工程的应用已呈现出明显的优越性【3 州，各种贝氏体钢研制成功并应用到实际生产，取得 较好的使用效果，如与非调质钢相比，由于贝氏体钢锻造后空冷可获得贝氏体组织，因 而具有更高的韧性；与调质钢相比，在等强度下，贝氏体钢具有更高的韧性和塑性；与 回火马氏体钢相比，在等强度下，贝氏体钢则具有更高的疲劳性能和耐磨性能。正是由 于贝氏体相变理论的复杂、认识上的分歧及争论，推动贝氏体相变理论和贝氏体钢的研 究和应用不断发展，也为贝氏体组织的材料在工程中的应用奠定了坚实的基础。 1 2 钎头材料的发展概况 钎头是冲击凿岩系统中破碎岩石的工具，其质量好坏直接影响到厂矿企业的经济效 益。凿岩工作时对钎头的要求是：形状、结构合理，凿岩速度快，耐磨性好，有足够的机 械强度，排粉性能好，使用寿命长，制造和修磨方便及成本低廉。 i 2 1 钎头材料国内外研究概况 n 国外钎头材料在硬质合金钎头问世时，多采用高碳的碳素工具钢制作钎头壳体。 由于钎头工作条件的苛刻，使用寿命很短，钎具才向强度较高、耐磨、抗冲击性的合金 钢发展。其中主要的种类有： ( i ) 瑞典的z 7 0 8 钎钢( 4 0 s i m n n i c r m o ) 【l5 】z 7 0 8 钎钢是空冷硬化能力较好的合 金钎钢，用于制作钎焊硬质合金的整体钎具。 ( 2 ) f f - 7 1 0 低碳马氏体台金镪( 2 2 s i m n n i 2 c r m o ) 【1 6 jf f - 7 1 0 钢因其含有较高 的镍等元素，具有良好的强韧性与工艺性能，是瑞典f a g e r s t a 公司锥体连接十字形钎 头的主要用钢，作为钎杆时主要用于渗碳钎钢。这种含有高镍、硅的低碳马氏体钢，作 为钎头用钢，在钎焊温度下空冷，可以得到板条状低碳马氏体和残余奥氏体的混合组织， 硬度可达h r c 4 0 4 2 。 ( 3 ) 强韧性很好的优质合金钢【1 7 2 1 1 如低碳2 5 c r n i 3 m o 渗透钢或中碳4 0 c r n i m o v ( 瑞典一号) 、3 0 s i m n n i 2 c r m o ( 瑞典钎头二号) 、4 5 n i c r m o v 钢、3 0 c r 2 n i 4 m o ( 英、 美、e n3 0 b ) 和2 5 x 2 h 4 m ( 俄) 强韧钢等，用来制备中小直径螺纹连接钎头。4 5 n i c r m o v 钢为瑞典s a n d v i k 公司用来生产球齿钎头的钢种，经过调质处理和热嵌固齿以后，钢体 硬度为h r c 4 6 4 8 ，金相组织为回火索氏体，该钢种具有比较强的二次硬化效应，在 6 0 0 以下中温回火保持相当高的强度和韧性。 b 国内钎头材料( 1 ) 钎焊固片一字形钎头用钢1 2 2 从5 0 年代初开始直至u 1 9 8 0 年， 西安工业大学硕士学位论文 我国采掘部门一直使用4 5 4 、5 5 。和4 0 c r 目- - 字形钎头。钎头品种单一，几何结构及参数设 计不合理、选用材质差，尽管运用各种工艺热处理，钎头体仍然强度低，硬度不足，耐 磨性差，且对合金片的夹持力较弱，其破坏形式表现为胀裤、裂裤、断腰、脱碎片等。 普遍使用的4 0 c r 钢制作的一字形钎头，金相组织为p ( 珠光体) + f ( 铁素体) 为主的复合组织， 但硬度h r c 为2 0 左右。 ( 2 ) 固片、齿钎头用钢新钢种 2 3 j由于采掘业的不断发展，对钎头用钢要求也越 来越高。1 9 6 6 年，冶金部结合我国合金元素资源的状况和钎钢工作环境恶劣的特点， 设计、试制了m n m o v 系贝氏体新钢种。其中的4 0 m n m o v 钢是适应感应钎焊固片、固 齿工艺较好的钎头体钢种，它迅速取代了传统的钎头钢种，并取得了显著的技术、经济 和社会效益。这种钢淬透性好，正火性能比较稳定，在感应加热钎焊的工艺条件下，连 续空冷或控制风冷，可以获得复相的贝氏体或马氏体组织，硬度可以达到h r c 3 5 4 5 范 围内，具有良好的强度和韧性，适用于制造中小直径钎头。 ( 3 ) 普通钎头用钢1 2 4 自2 0 世纪7 0 年代末期以来，我国采用3 5 c r m o 、3 0 c r m n s i 、 2 7 s i m n m o v 、2 5 s i m n n i c r m o v ( x g q 2 5 ) 等钢种制作焊片( 齿) 中小直径钎头：用4 0 c r n i m o 、 3 5 s i m n n i 2 c r m o v ( 5 0 2 1 ) 、2 5 n i 3 m o v 制作真空焊中、小直径钎头；用2 0 n i 4 m o 、3 5 c r n i m o 制作冷固齿球齿钎头的，用3 0 c r n i 4 m o ( e n 3 0 b ) 制作焊片中、大直径钎头的。这些钢 种的使用，都取得了优予传统钎头产品的效果。 ( 4 ) 高硅、中低碳马氏体钎头专用钢该钢种是我国在7 0 年代初期研究的直径 1 0 0 m e n 以上的浅孔钻头用钢。该钢种空冷组织为板条马氏体和残余奥氏体的混合组织， 充分发挥了稳定的残余奥氏体的作用，具有相当高的硬度和韧性。 1 2 2 钎头的种类及特点 钎头在钢种改进的同时，在其制造和几何结构方面也有很大的改进。在我国煤矿采 掘工程中。所使用的冲击凿岩工具主要有：一字形钎头、三刃钎头、十字形钎头、球齿 形钎头及硬质合金复合片齿钎头等。 a 一字形钎头一字形钎头是我国采掘工程中使用最早、使用量最大的凿岩工具 ( 图1 1 ) 。一字形钎头结构简单易加工，设备和技术要求不高，成本较低，适用广泛。但 也存在以下问题： ( 1 ) 钎头强度低，径向磨损较快，易卡钎头，经常出现的损坏形式有：刀体断裂、 崩刃、脱片、碎片、整体变形等。 ( 2 ) 钎头工作部分为一个带圆弧形的整体刀刃，刃弧半径和片高过大，一旦发生脱 片、碎片，钎头就会早期报废。在凿岩过程中，钎头旋转，刀片的两外端起着主要作用， 而其中部几乎不破岩，且钻出的孔易出现三角形形状。 ( 3 ) 锥孔太浅，钎杆与钎头连接不牢固，在工作中容易断裂或堵塞水孑l 。 ( 4 ) 排粉系统不良，大小端直径相差太小，钻速低、磨损快，钎头易出现倒锥现象。 图l 1 一字形钎头【2 5 】 2 西蜜工业大学硕士学位论文 b 。十字形舞头1 9 7 8 年羧采，我聱懋惹疆麓成臻了+ 字镶签野头窝十字实一心镑头。 在钎头系列产品中，十字钎头已成为主要产品之一，其赢径为3 2 4 8 m m 。十字钎头的刀 片楚按卡字形接列( 疑l 。2 ) ，耐磨挂毙一字形舞头提高了3 0 5 溅。该钎头尼每形状稳定， 加工比较简单，圃片质量好，钎刃凿碎点多，操作方便，对凿岩的条件适应能力强。在 矿山采掘中，这种钎头适用于较火冲击功凿岩机，钻凿裂缝性岩屡和磨蚀性强的澍层， 抗径商痞馁能力强。 臼 图1 2 十字形钎燕戮l c 兰刃钎头三刃钎头是在字形钎头的基础上发展起来的，钎刃瘸于非述续的。 捷日本、瑞典、美国、蔫苏联等萄家相继惫产赉不蠢结梅形式靛三刃话头纛，我鏊予1 9 8 1 年，由中圆地质大学研制出系列三刃钎头( 图1 3 ) 。与一字形钎头相比，三刃钎头的凿碎 杰多，王终质量黪，硬矮会金刀头霹德载充努剥惩，足键形姨瞧较好，缀囱耐黪性好， 铺速快，不易卡钎头，寿命长，佩制造工艺较一字形钎头复杂。与十字形相比，三刃钎 头修磨要简单一然，成本耀对较低。实践证明，三刃钎头的最佳囊径为3 2 4 0 嘞，主要 遗用予脆性、整体及裂豫性岩石。 臼葭二，。妒 图1 3 三刃钎文 2 7 】 d 球搬形钎头球齿形钎头将硬质会金刀片的形状及它在钎头上的位置分布进行了 凝静设计( 窝1 。4 ) 。锌头掰使强翡硬震含众齿垄奎簧有球澎、链球形窝藏锥形。球形齿静 强度和耐磨性最高；锥球齿次之；圆锥形齿最低，但凿岩效率完全相反，因此，蒙根据 不圈懿岩凑硬发粒苓羁熬鼗岩祝选择不蘑滚型鳃球塞镑头。在王撵装，逸齿承怒萋圭要 的凿碎任务，钎头的失效形式是边齿碎裂，所以，一般在中软岩层中选用圆锥齿钎头； 教中硬岩层中选用边齿为球齿、中遗为圆锥齿钎头：在硬岩层中溉用球拨钎头。 臼黪 图1 4 球齿形钎头i 2 9 j 根据馋数的不同，球齿形钎头有多种类型，球齿数隧与钎头的直径、结构形状和承 受冲击功酌大小蠢密切关系( 表1 1 ) 。实黢诞羁，该类垄的锌头圭要适闫予脆往、蘑链毪 瓣石，其主要优点是钻速快、工作稳定、炮孔质缀好、岩粉粗。球齿形钎头的寿命大约 怒一字形铎头豹3 5 穰，露显雀瓣、省力、省工、套糕。 西安工业大学硕士学位论文 表1 1不同直径钎头的球齿数目与直径【2 8 】 钎头直径i l l m球齿数目个球齿圆柱直径m 4 04 68 1 0 6 07 88 1 0 8 0 8 1 08 1 0 1 0 01 l 1 21 0 1 2 1 2 01 3 1 41 0 1 2 1 5 0 1 6 1 81 2 m 1 7 02 0 2 21 2 1 4 2 0 02 4 2 6 1 4 1 6 2 2 02 6 2 81 4 1 6 e 硬质合金复合片钎头硬质合金复合片钎头是吸取了上述几种钎头的优点而研 制设计出的一种较新型的钎具( 图1 5 ) ，克服了片状刃和球齿刃的缺陷，即把凿岩能力强 的片刃分布在钎头的边缘；凿岩效率高的锥球形球齿分布在钎头的中部，从而集中了三 刃、十字和球齿形钎头的凿岩优点。硬质合金复合片钎头同传统的一字形、三刃形、十 字形、球齿形钎头相比，具有转速快、寿命长、修磨少、质量稳定、节省合金和钢材、 成本低等优点，其主要技术、经济指标都超过了传统的片状和球齿系列钎具。 目。 图1 5 硬质合金复合片钎头【2 o l ( 1 ) 开钻凿眼稳定性好，钻孔速度快( 平均钻速是一字形钎头的1 4 倍左右) ，且随着 修磨次数的减少，优势更明显。 ( 2 ) 钎头的全磨寿命大约是一字形钎头、三刃钎头、十字形钎头、球齿形钎头的2 4 倍。 ( 3 ) 凿岩成本比同直径的一字形钎头或球齿形钎头仅高l 5 l 3 ，且操作比较方便。 1 3 本文研究的目的和意义 现代化的凿岩爆破技术，已成为人类向岩石圈索取资源和向地下开拓生存与发展 空间的主要手段，其中用于岩矿凿孔用的凿岩钎具，是矿山行业凿岩用必需的凿岩工具， 由于钎具工作时受到严重的冲击载荷和多冲腐蚀疲劳，经常因发生过早的断裂而失效， 钎具成为人类的所有工具中受力条件最苛刻、使用寿命最短、基础工业必备、技术含量 很高的大量消耗性工具，研制长寿命的冲击凿岩钎具，已成为全球采掘业高效、低耗凿 岩必须解决的二十一世纪重大工程难题之- - i 。 钎头连接在钎杆头部，与钎杆以锥体或螺纹连接，钎头的头部钎焊有硬质合金，在 组成细长杆系统中钎头直接与岩石接触，工作时承受着2 0 0 0 9 0 0 0 次m i n 左右的高频冲 击，冲击能量因凿岩设备的不同有所不同，一般为2 5 5 0 0j 。因此，钎头对钢材的基本 要求为高强度、高的韧性、耐磨损、耐腐蚀及高的冲击疲劳性能”1 2 l 。钎头工作时主要 4 西安工业大学硕士学位论文 的失效形式有磨损变形、硬质合金片脱落，裤体塑性变形或裤体的应力疲劳断裂等。目 前对重型钎杆钎头的凿岩寿命一般只有十几米到几十米，根据我国采矿部门不完全统计 1 3 - 1 4 ，每年消耗各种钎头3 0 0 0 万件左右，价值2 0 亿人民币以上，落后的凿岩工具，再加 上钎具工作场地狭窄，工矿条件恶劣，给凿岩工人带来艰辛的体力劳动，同时造成硬质 合金、钢材等原材料大量的浪费，因此，研制新型钎头材料，提高钎头的使用寿命，具 有重要的经济和社会意义。 1 4 本文主要研究内容 本文针对凿岩用钎头的性能要求，开发设计了一种新型贝氏体钎头用钢。具体研究 内容包括以下几个方面： ( 1 ) 新型贝氏体钢的成分设计与材料的制备：本课题是在现有贝氏体钢成分设计的 基础上，进行合金化改进设计，开发设计一种新型贝氏体钢钎头材料，之后进行钢的冶 炼、锻造，加工成所需要规格。 ( 2 ) 热处理对组织和性能的影响：研究不同的热处理工艺对新型贝氏体钢钎头材料 组织和性能的影响，为实际生产提供热处理工艺参数，为新型贝氏体钢的应用奠定基础。 ( 3 ) 新型贝氏体钢的组织和力学性能分析：利用光学显微镜( o m ) 和透射电镜( t e m ) ， 观察不同热处理工艺新型贝氏体钢的组织及其分布形态，用x 一射线衍射仪( x r d ) 进行物 相分析。 ( 4 ) 新型贝氏体钢的耐磨性能研究：通过销盘式磨料磨损和湿砂橡胶轮式磨料磨损， 与目前商用钎头材料对比，分析磨损面的形貌，从而揭示新型贝氏体钢的耐磨机理。 ( 5 ) 新型贝氏体钢的多冲疲劳试验：模拟钎头的工矿条件，在一定能量下多次冲击， 测量其裂纹起始寿命、冲击疲劳总寿命，观察裂纹扩展途径，为新型贝氏体钢在钎头方 面的应用奠定试验基础。 ( 6 ) 实际应用：进行新型贝氏体钢钎头的生产和热处理工艺，生产钎头，并进行工 矿应用，与目前商用钎钢4 0 c r 、4 2 c r m o 进行对比，探讨新型贝氏体钢作为钎钢的可能性。 2 新型贝氏体钢的合金化设计 2 1 前言 新型贝氏体钢的合金化设计 二十世纪五十年代，i r v i n e 和p i c k e r n g 设计成功的1 2 m o b 系贝氏体钢【3 1 3 ”，是利 用m o 和b 大大推迟珠光体转变而对贝氏体转变的推迟作用不大这一特点而进行空冷贝氏 体钢研究的最初尝试，以后出现的各类贝氏体钢大都含有m o 或b m “l 。但由于m o 的价格昂 贵，b 钢的冶炼困难【4 引，促使后来少m o 、b 或无m o 、b 贝氏体钢的发展【4 3 14 4 1 ，在此意义上， m n 元素受到了重视，由于m n 在钢中可使连续转变曲线的铁素体和珠光体转变区域和贝氏 体转变曲线明显分离，空冷有利于获得贝氏体组织，因而以m n 代替m o 成为贝氏体钢发展 的方向之一，如方鸿生等研制成功的m n - b 系贝氏体钢 4 3 “5 删就是无m o 钢的一个例子。由 于普通贝氏体钢都是以典型贝氏体为主要组织，空冷时不可避免地有典型上贝氏体出现， 使得贝氏体钢力学性能降低，尤其是冲击韧度不高。因此有必要进行新型贝氏体钢合金 化设计。 2 2 新型贝氏体钢的合金化 贝氏体组织转变温度处于铁素体( f ) 、珠光体( p ) 转变和马氏体( m ) 转变温度之间， 目前获得贝氏体组织的方法主要有二种，一种方法是等温淬火，即奥氏体化后在中温范 围内( b s m s ) 一定温度下长时间保温，进行等温转变形成贝氏体；另一种方法是将钢 奥氏体化加热后空冷直接得到贝氏体组织。显然等温淬火方法受零件形状及尺寸的制约 较大，实际生产中对于大件很难获得完全的贝氏体组织。由于对于一般的碳钢和合金钢 高温f 和p 转变遮盖贝氏体钢转变，连续冷却过程中空冷不易获得单一的贝氏体组织，合 金化设计时可利用合金元素对f 和p 转变的影响，空冷可获得贝氏体组织。因此新型贝氏 体钢设计时，需要满足以下的要求 4 7 - 5 4 ： a 在一个相当宽的冷却范围内能够得到以贝氏体为主的组织。因此要求合金设计时 使动力学转变曲线( c c t ) 的高温区域的铁素体转变及珠光体转变曲线和中温贝氏体转变 的曲线瞻显分离，并使铁素体和珠光体转变的开始析出线显著右移，而对贝氏体开始转 变的曲线右移不大，相对左移，出现如图2 1 所示的c c t 曲线，表现出低的马氏体淬透性 和高的贝氏体淬透性的特征。这样可以保证在一个相当宽的冷速范围内空冷可获得新型 贝氏体组织。 b 所设计的钢种具有较高的韧塑性配合。要求合金元素的选择有利于b s 点的降低， 贝氏体连续转变曲线( 图2 1 ) 应具有平坦的顶部，使得转变温度在一个很宽的冷速范围 内恒定，使大截面尺寸的零件获得均匀的组织和性能。合金化时加入的合金元素阻碍碳 化物析出，形成无碳化物析出的新型贝氏体组织。 c 钢的合金元素的选择，应使钢具备良好的工艺性和使用性能，如热处理性能、焊 接性能，压力加工性能等。 d 钢的成本低廉。 6 嚣安工驻丈学磺圭学霞谂文 h k 鱼 茹 囊 耻 酵晦t 砖 图2 1 新烈贝氏体组织形成条件示意圈( c c t f 1 ) 1 4 b 2 3 新型受氏捧锶食金元素鳇选铎 2 。3 。1 显著豢遮铁素体( f ) 襄臻光律( 秘转燮豹元素选择 新型贝氏体钢设计的关键因素之一是合金元素加入后首先使连续转变瞳线f 和p 转 变开戆线与爨氏薅转黛开始绞癸褰，然后推遴漾竞舔鞠锾紊傣转变，褥鬟鞋袋氏俸免主 的组织，在贝氏体钢中具有这种作用的元素主要是钼、硼、铬、锰等。 镄在钢中莛舂霹漆强佬佟建，除了霾溶强纯终用雏铝能爨止或减较钢的爨火脆髓经 向，掇高钢的韧性惭j ，并增加揽回火性能。镭溶于铁索体中，增加铁的自扩散激活能，提 高钢的回复和再结晶漩度【5 6 1 。研究表明1 5 0 ! ，锱增加过冷奥氏体的稳定性，使c 曲线右移， 僵镭攘遮高溢f 一跨专变静律麓远大予瓣员氏体转交静维送话粥，弧丽使臻光体帮受氐体 转变曲线分离，并使詹者相对突出，大大提高贝氏体的淬透性。因此，一般贝氏体钢中， 镶是妊燕元素之一。i r v i n e 嚣p i c k e r i n g 戆王接指窭l 驯，镶会爨大予0 2 是缆下睡赛冷 速降低，含量在0 2 0 4 时作用醴十分最藩，当含量大于0 6 时，这种影响减少了。 出于镄在世爨蕊围内禽量较少，是一科| 战略炎源，应尽量少耀，在本课题材料设计中镪 量确定为0 2 o 3 。 4 0 年代末，人们发现在钢中加入微量的硼( b ) ，聊有效的提高贝目黾体组织的淬透性， 显著捺避铁素俸懿耩漱线，礁需要因溶在钢中矛有这耱 挈蔫，毽是由予硼是卡纯学性 质比较活泼的元素之一，冶炼时不易控制，硼容易形成硼化物偏聚在奥氏体晶界，降低 钢我麓往，困建隈裁了贝氏钵锈孛豹寝超。本溪题耪糕设计枣不采蠲凝会金像。 铬在钢种能提高钢的淬透性及回火稳定性。在低碳钢中，铬和钼有相似的作用，但 不熟铡强烈。铸推迟卜p 转变的作用明最大予攘迟贝氏体转变的作用，同时使f p 转变曲 线与弱氏体转交篚线分离。铬加入锅中能聂著改善钢的抗氧化作用，灌船镶的抗腐饿能 力。锻若单独加入钢中，对正火或调质后的力学性能改善不犬，一般钢在加入铬的同时， 还努须提毫或麓入荚镶会金元素，蘩轴、瀚餐，方畿鼹示塞较好毂镶麓。在本瀑题会垒 化设计中为了提高贝氏体钢的淬透性和耐腐蚀性能，材料设计中铬确定为0 6 1 0 。 浚辩 s7 l 表暖，碳钢中加入一定壁的锰霹以使连续转变越线f 和p 转变舞始线与贝氏钵 ， 西安工业大学硕士学位论文 转变开始线分离，并推迟f 和p 转变开始线，为连续冷却获得贝氏体组织创造条件，因此 一般贝氏体钢中含锰量都比较高，是贝氏体钢首选的合金元素之一。 2 3 2 有利于形成贝氏体铁索体和奥氏体组织的元素选择 获得新型贝氏体钢组织的合金化设计中，硅和锰元素受到了足够的重视，硅和锰为 新型贝氏体钢的主要合金元素。 硅以固溶态的形式存在于铁素体或奥氏体中，固溶强化及冷加工变形硬化的作用极 强，强于其他置换合金元素，仅次于磷 5 8 6 2 】，提高钢的强度和耐磨性。硅是缩小奥氏体 相区的元素，但却增加过冷奥氏体的稳定性及钢中残余奥氏体的含量【6 3 、6 4 1 。硅增加碳在 奥氏体中的活度，强烈阻碍渗碳体的析出【6 5 l ，提高钢的抗回火稳定性陆7 1 。过去认为硅 含量的增加降低钢的塑性和韧性，特别是降低冲击韧度 6 8 - 6 9 ，但近年来的研究认为随硅含 量的增加，在一定的成分范围内，硅不仅提高钢的强度，而且提高钢的韧性，同时还降 低韧性一脆性转交温度【7 “圮】。硅对贝氏体组织的影响，最令人注目的是利用硅提高奥氏 体稳定性及阻碍碳化物的析出，使钢获得由贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的新型贝氏 体组织。在本课题材料设计中硅量确定为1 5 2 o 。 过去人们普遍认为钢中较高的锰含量会降低钢的韧性，特别是低温韧性，文献【7 3 峙旨 出，含锰的钢韧性降低的主要原因是由于锰增加钢的过热敏感性，淬火温度偏高时，容 易造成晶粒粗化，高温回火时，在脆性温度范围内停留时间太长而导致回火脆性所致。 s m i t h l s 6 1 等认为锰促使磷向奥氏体晶界偏聚而引起第二类回火脆性，而g r a b k s l 7 4 5 认为锰本 身就是一种脆性元素，降低晶界的结合力。然而随锰量的增加，残余奥氏体量的增加及 稳定性的提高，有可能利予韧性的提高。一些研究表明【7 那，锰本身部分与铁互溶，存在 于铁素体及奥氏体固溶体中，部分与铁碳形成渗碳体，强化作用不大，作用不及碳、硅、 磷，但锰含量增加，可通过提高马氏体、贝氏体的淬透性，使马氏体、贝氏体含量增加， 并降低钢的相变温度，使晶粒细化，通过这些作用达到强化的目的。正是利用锰具有提 高钢的淬透性，增加残余奥氏体含量的作用。故在本课题材料设计中锰的含量较高，设 计为2 0 9 6 2 5 。 2 3 3 提高钢的强度和韧性元素选择 合金元素在贝氏体钢中的强化作用主要表现为，降低贝氏体转变开始点温度( b s ) 、 固溶强化和细化晶粒等方面。碳是圆溶强化最强且最廉价的元素之一，贝氏体钢合金元 素设计时选择不同的碳量可以获得不同强度级别的钢种。但是钢种增加碳量虽然提高了 强度指标，但降低了钢的塑性、韧性和工艺性能。因此根据钎钢的性能要求，在本课题 材料设计中碳含量选择中低碳，确定碳含量为0 2 0 3 。 贝氏体转变点b s 和合金元素之间存在以下关系【7 6 】： b s ( ) = 8 3 0 2 7 0 c - 9 0 m n 一3 7 n i 一7 0 c r 一8 3 m o ( 2 1 ) 式中元素符号表示该元素的w t 。由上式可以看出，间隙式溶质原子c 的作用最大，置换 式溶质原子的作用随m n ，m o ，c r 顺序对b s 点的作用依次降低。因此从降低b s ，细化组织、 强度和冲击韧性的影响等方面考虑，新型贝氏体钢合金元素设计中，主要选择了c r 、m n 、 m o 等元素。 8 疆安工北大学硕士学位论文 2 4 新型贝氏体钢的制备 零课题掰设计懿镄秘为c r - m n s i 。m o 系凝壅委爨钵钢，葵藏分整匿翻予 表2 1 。 裘2 。1 试验材辩成分范整 元索 cs i m n c rm op 、si | 浚计藏分 o 。2 曲3i 争砭02 嵇。2 。50 。6 1 o& 2 0 。30 0 3 5i 采用0 5 t 中频感威电炉冶炼，熔化工艺为；先熔清废钢，进行炉前分析，再加入中 淹舍衾调整锅滚成分，矮铝终澈氧，黧入量炎0 8 k 晷 t ，采焉炉蘸热入巍惫巍渖入法，浇 注成啦1 5 0 的钢锭，之后进彳亍自由锻造，锻造成4 0 m m 的棒料和1 5 0 n 糊1 0 m f f l x 3 m 讯 的摄誊孝，之后遴孬裹激圈火，强火蜃磺度h b 、 o 1 m m 使用精度为0 0 1 m m 的工具 显微镜间断测量不同冲击次数n 时的裂纹长度a ，并以试样两侧裂纹平均长度 a = 0 0 2 0 o 0 1 m m 时的n 值定为冲击疲劳裂纹形成寿命n o0 2 ，而以试样被冲断 的n 值定为冲击疲劳总寿命n f ，裂纹扩展寿命则为n p = n f n o0 2 。用 a m a r a y - 1 0 0 0 型扫描电子显微镜下观测冲击韧度断口形貌，用n e o p h o t 3 型 光学显微镜观察金相组织中裂纹扩展路径( 腐蚀使用4 硝酸酒精溶液) 。 6 3 试验结果 6 3 1 多次冲击试验数据及其分析 表6 2 是多冲疲劳试验结果。从表6 2 可以看出，新型贝氏体钢正火低温回 火的裂纹起始寿命高于4 0 c r 正火低温回火裂纹起始寿命，而低于3 0 c r n i 4 m o 钢 正火低温回火的裂纹起始寿命，但新型贝氏体钢正火低温回火处理的疲劳总寿命 高于4 0 c r 和3 0 c r n i 4 m o 钢正火低温回火的疲劳总寿命。油淬低温回火新型贝氏 表6 2 多次冲击疲劳试验结果 试样编号裂纹起始寿命n o0 2裂纹扩展寿命n 。总寿命n f 12 5 0 04 7 0 57 2 0 5 2l8 0 05 2 9 07 0 9 0 31 6 0 06 6 5 58 2 5 5 4 1 0 0 0 4 4 0 0 5 4 0 0 51 2 0 03 8 4 75 0 4 7 61 2 0 03 9 41 5 9 4 71 4 0 04 7 2 06 1 2 0 81 9 0 05 5 8 67 4 8 6 93 0 0 03 2 6 56 2 6 5 西安工业大学硕士学位论文 体钢的裂纹起始寿命均高于4 0 c r 油淬低温回火及3 0 c r n i 4 m o 钢油冷低温回火的 裂纹起始寿命，但新型贝氏体钢油淬低温回火处理的疲劳总寿命高于4 0 c r 钢而 低于3 0 c r n i 4 m o 钢油淬低温回火的疲劳总寿命。4 0 c r 铜正火高温回火疲劳总寿 命高于正火低温回火和淬火低温回火的多冲疲劳总寿命。从表还可以看出， 3 0 c r n i 4 m o 钢油淬高温回火( 调质处理) 的疲劳总寿命最高，高温回火提高多 次冲击疲劳寿命，与高温回火形成的比较细的组织有关，弥散分布的细化的粒状 碳化物在疲劳裂纹扩展过程能够阻碍疲劳裂纹的扩展。 图6 1 是多冲疲劳裂纹扩展裂纹长度与冲击次数的关系曲线。从图可以看出， 在相同的冲击次数下，多冲疲劳裂纹扩展过程4 0 c r 钢的疲劳裂纹速度较快，淬 火低温回火态的疲劳裂纹扩展速率最快，一旦出现裂纹，便快速扩展而断裂， 3 0 c r n i 4 m o 钢扩展速率较慢，新型贝氏体钢的扩展速率介于4 0 c r 钢和 3 0 c r n i 4 m o 钢之间，以正火低温回火为例，新型贝氏体钢裂纹扩展速率比4 0 c r 钢小比3 0 c r n i 4 m o 钢大，但疲劳裂纹扩展的寿命却比4 0 c r 钢和3 0 c r n i 4 m o 钢 要高。 1 l 2 o3 _ 4 - 5 6 7 9 ，7 、8 9 夕 冲击次数nj 0 油 图6 1 多冲疲劳裂纹扩展裂纹长度与冲击次数关系 6 3 2 多次冲击断口形貌 图6 2 是试验材料多次冲击断口形貌扫描图。可以看出，三种材料冲击疲劳 断口为准解理断裂形式，疲劳条纹不明显，所有断口都出现二次裂纹，二次裂纹 的扩展方向与外加应力垂直，是疲劳裂纹扩展过程裂纹出现分岔的结果。 8 - 6 _ 4 3 0 l j目、_趟掣潞臻 西安工业大学硕士学位论文 a ) 3 0 c r n i 4 m o 钢油冷低温回火 b ) 4 0 c r 钢正火高温回火c ) 新型贝氏体钢正火低温回火 图6 2 多次冲击疲劳断口形貌 6 3 3 多次冲击疲劳裂纹扩展途径 图6 3 是新型贝氏体钢多次冲击疲劳裂纹扩展图。可以看出，多冲疲劳裂纹 扩展路径比较曲折，有些地方还出现分岔。因为裂纹扩展过程出现弯曲或分岔， 会增加裂纹扩展路径，需要消耗更多的能量，延缓裂纹的扩展速率。图6 3 a 是 新型贝氏体钢正火低温回火裂纹扩展路径，可以看出，裂纹在扩展过程出现弯曲， 裂纹扩展属于穿晶断裂( 图6 3 b ) 。新型贝氏体钢9 0 0 水淬3 0 0 回火裂纹扩 展出现明显的分岔( 图6 3 c ) 。这些现象的存在会降低裂纹扩展速率。 a ) 正火低温回火，5 0 0 xb ) 正火低温回火，1 0 0 0 c ) 水冷低温回火，1 0 0 0 图6 3 是新型贝氏体钢多次冲击疲劳裂纹扩展路径 图6 , 4 是4 0 c r 钢8 5 0 正火2 0 0 回火裂纹扩展形貌。从裂纹扩展途径可以 看出，裂纹扩展路径比较曲折，出现部分分岔。 图6 5 是3 0 c r n i 4 m o 钢多次冲击疲劳裂纹扩展图。裂纹也有不同程度的分岔， 裂纹以穿晶的方式进行扩展。 西安工业大学硕士举位论文 翻6 44 0 c r 钢援火低溢豳a ) 正太低温西火b ) 滴冷藏灏圈火 火裂纹扩展形貌，2 0 0 蹰6 53 0 c r n i 4 m o 钢多次冲击疲劳裂纹扩展，5 0 0 6 4 小结 ( 1 ) 三耱试验耪辩不弱热娃瑾袄态静多次滓爨疲劳试验结莱表鳙，空冷+ 低温回火，新型贝氏体铜多次冲击疲劳总寿命最高，淬火低温回火新型贝氏体钢 多次净蠢疲劳慈寿鑫褰- 7 ：4 0 c r 弱多挚疲莠寿念、低予3 0 c r n i 4 m o 戆多净疲劳寿 命。 ( 2 ) 试验材料冲击疲劳裂纹扩展路径蓝拼，裂纹扩展出现分岔，多冲疲劳断 裂主要黻穿晶方式进行，多狰疲劳裂纹扩展颧面出现较多静二次裂纹。 7 新型贝氏体钢钎头产品的制备与应用 7 1 前言 7 新型贝氏体钢钎头产品的制备与应用 钎头工作时直接与岩石等接触，承载着高频冲击、扭转、弯曲、挤压等各种 复合外载，并在高速回转、碰撞条件下，经受岩石、岩粉和矿坑水等腐蚀介质的 腐蚀。正常工作条件下，要根据具体情况选择钎头的品种和规格，应通过凿岩性 质和技术、经济效益的综合分析，才能做出最后的决定