常用耐磨件热处理工艺的特点

常用耐磨件热处理工艺的特点

1热处理加工技术磨损通常指承受磨损磨损的机械零件，如磨球、衬板、锤头、下巴、框架、框架、框架和其他旋转元件。通常这类耐磨件都需要进行热处理。其主要原因可归纳如下:(1)这类耐磨件一般都通过铸、锻(轧)、焊等热加工方法来达到成型的目的。但铸、锻(轧)、焊这类热加工工艺本身,不可避免地存在一些缺陷。例如铸造组织的粗大、成分与组织的不均匀及铸造后残余应力过大;锻造(轧制)后易于出现组织的不均匀型——带状组织与魏氏组织等。要消除这些缺陷,就必须进行热处理。(2)耐磨件在实际服役过程中,由于磨损机制不同,不仅要求其具有较高的硬度,而且要求具有良好的塑性与韧性,以提高其使用寿命。因此,不同磨损工况条件,对耐磨件的硬度与塑性、韧性的要求也是不相同的。所以,也必须通过热处理来达到力学性能的良好配合。(3)随着科学技术的发展,对耐磨件的要求愈来愈高,不仅要求有较高的力学性能,而且要求有较高的物理、化学性能,例如抗腐蚀性、抗高温氧化性。这些性能的获得,除合金化可以满足一部分外,热处理是达到这些目的的一个重要手段。热处理是指利用铁-碳合金的固态转变,通过加热、保温与冷却来改变其内部组织,从而获得所需要的性能的一种工艺操作过程。因此,有必要就耐磨材料热处理的加热、保温、冷却以及回火过程进行探讨。2热处理对材料的作用从目前情况来看,耐磨材料多为钢铁材料,钢铁材料之所以能够进行热处理是由于其具有共析转变这一特点,同时碳在钢铁中的溶解度是随温度而变化的。因此,钢铁材料热处理时加热的目的是使钢铁中原有的组织奥氏体化,并利用加热规范来控制奥氏体晶粒大小,随后使其以一定的冷却速度冷却下来,以获得所需要的组织和性能。因此,加热是使耐磨材料通过热处理进行组织与性能改变的基本条件。下面分别探讨常用耐磨材料在热处理加热过程中的一些特点。2.1热处理过程中二次碳化物的产出和溶入速度的变化第1期饶启昌,等:耐磨材料热处理问题的探讨·13·铬系白口铸铁是指含Cr2%～28%的合金白口铸铁,在铸态冷却过程中,其基体相(奥氏体及其转变产物)过饱和地溶解了合金元素及碳元素,因而在能量上处于不稳定状态,在以后热处理加热过程中,随着加热温度的升高,碳及合金元素的扩散能力逐渐增加,必然导致二次碳化物的析出,如图1Cr-Mo-Cu白口铸铁膨胀曲线上第一个平台所示。此处加热温度为480℃～510℃,该温度即为二次碳化物析出温度。二次碳化物开始析出时,在基体上形成细小的、高度弥散的颗粒状碳化物。随着加热温度升高,保温时间延长,在二次碳化物继续析出的同时,已析出的二次碳化物开始聚集和长大,形成条状、块状、和针状二次碳化物。二次碳化物的析出,将使此时的奥氏体中合金元素及碳元素含量降低,并相应地提高了马氏体转变开始温度Ms及马氏体转变终了温度Mf,从而有利于在随后冷却过程中增加马氏体数量和减少残余奥氏体量。同时,奥氏体中合金元素含量的降低也导致铬系白口铸铁的奥氏体转变曲线的左移,也就是说,二次碳化物的析出,将导致铬系白口铸铁淬透性的降低。上述二次碳化物的析出仅是铬系白口铸铁在热处理加热过程中相变问题的一个方面。另一个方面是,当加热温度超过其共析转变温度时,随着加热温度的升高,奥氏体中碳及合金元素的溶解度也将随之升高,这将导致已析出的二次碳化物重新溶入奥氏体中,使奥氏体中碳及合金元素溶解量增高,从而导致铬系白口铸铁的淬透性增高和马氏体转变开始温度Ms及马氏体转变终了温度Mf的下降。铬系白口铸铁热处理加热过程中二次碳化物的析出和溶入,实质上是改变了奥氏体中合金元素含量,从而影响其淬透性,同时也影响其热处理转变产物的成分,因此,对铬系白口铸铁热处理过程起着支配作用。通过高温金相显微镜对Cr-Mo-Cu白口铸铁加热过程的连续观察分析,在二次碳化物开始析出的温度至共析转变温度之间,是单纯的二次碳化物析出过程,并伴随着聚集长大。而在共析转变温度以上,则二次碳性物析出和溶入这两个过程就同时进行。在共析转变温度至某一温度之间,奥氏体仍处于过饱和状态,二次碳化物析出速度仍然超过其溶入速度。在此温度区间加热,二次碳化物仍以析出为主。而在某一温度以上时,二次碳化物溶入速度则要超过其析出速度。在此温度以上加热时,二次碳化物则以溶入为主。因此,若加热温度选择较低,处于二次碳化物析出为主的温度区间,二次碳化物较多,并弥散分布在奥氏体中,使奥氏体的有效晶粒度大大减小,以至在随后的冷却过程中所形成的马氏体呈隐针状。同时由于奥氏体中碳及合金元素的含量低,所转变的马氏体中含碳量也较低,残余奥氏体数量较少;反之,若析出的二次碳化物较少,则所转变的马氏体呈粗针状,其含碳量较高,并且残余奥氏体量也较多。因此,铬系白口铸铁热处理过程中加热温度的选择,实质上取决于二次碳化物的析出与溶入速度,以决定其淬火态组织与力学性能,并且影响其淬透性。关于淬火加热温度对高铬铸铁硬度的影响如图2所示。它表明,淬火加热温度对硬度的影响很大,对每一个冷却速度来讲,硬度-加热温度曲线都出现峰值。峰值点对应的温度就是每个冷却速度最佳的加热温度。不同的冷却速度,其最佳的加热温度不同。冷却速度愈慢,其最佳加热温度愈高。可以说,最佳淬火加热温度是冷却速度的函数。以上规律也是由于二次碳化物的析出规律所决定的。如果最佳淬火加热温度被理解为在这个温度下进行淬火,则冷至室温时析出的二次碳化物数量最为合适,这样,既保证了奥氏体全部转变为马氏体,又保证了马氏体含有合适的含碳量。如二次碳化物析出的数量少于最合适的量,则出现的残余奥氏体也将使硬度降低。2.2热处理对球墨铸铁含碳量的影响球墨铸铁由于具有良好的强韧性,因而作为结构材料已得到广泛的应用。近十余年来,马氏体基体球墨铸铁、贝氏体基体球墨铸铁及马氏体—贝氏体基体球墨铸铁作为耐磨材料也已被广泛应用于磨球、衬板、锤头及过流部件等耐磨件。因此,球墨铸铁热处理已成为提高这些耐磨件寿命的重要途径。球墨铸铁热处理与钢的热处理基本相似,但由于有石墨相的存在,而且其含硅量较高,因此,又有它本身的特点。(1)球墨铸铁是多元合金,主要是铁-碳-硅三个元素,因此,可以近似用Fe-C-Si三元合金相图来研究其固态相变过程。与钢不同,球墨铸铁共析转变是发生在一个相当宽的温度范围内,在这个温度范围内同时存在着铁素体、奥氏体和石墨(或渗碳体)三相的稳定(或介稳定)平衡。在共析转变的各个不同温度下,铁素体和奥氏体有不同的含碳量,所以,控制不同的加热温度和保温时间,淬火(正火)后可以获得不同比例的铁素体和马氏体(珠光体),从而可以大幅度调整球墨铸铁的力学性能。需要指出,在这个温度区间加热所得到的铁素体,其冷却后的形态多为条块状、破碎状和网状,与通常的牛眼状铁素体不同。这种形态的铁素体有利于塑性和韧性的提高。(2)球墨铸铁化学成分对其临界温度有很大的影响。由于对球墨铸铁性能要求不同,其含硅量的变化也较大,而硅对临界温度范围的影响是很大的。一般来讲,含硅量提高1%可提高共析转变的上临界点(Acz11z、Arz11z)约40℃,可提高其下临界点(Acs11s、Ars1)约30℃。由此可见:在加热时,硅对上临界点的影响比下临界点的影响为大,同时硅也促使共析转变的临界温度范围变宽。而锰却降低共析转变稳定,锰含量增加1%,加热时临界点(Acs11s、Arz11z)降低15～18℃,冷却时临界点(Ars11s、Arz11z)降低40～50℃。对于普通球墨铸铁与马氏体球墨铸铁,由于锰含量控制较低,故锰对共析转变临界温度的影响可忽略不计。但对以硅、锰为主要合金元素的贝氏体球墨铸铁,锰的影响不可忽略。(3)在热处理过程中,球状石墨作为球铁中的一个相,也参与相变过程。石墨的存在相当于一个“贮碳库”,在加热时,球状石墨表面的碳会部分溶入奥氏体中,供应其平衡所必需的碳量,加热温度愈高,球状石墨溶入奥氏体的碳量愈高,故可以通过控制加热温度来控制奥氏体的含碳量。淬火冷却后可以得到含碳量不同的马氏体。而奥氏体化后的球墨铸铁在共析转变温度以下缓慢冷却时又会析出石墨,或沉积在原有石墨表面上,或形成退火石墨。如冷却速度较快时,其将沿奥氏体晶界析出网状渗碳体。从上述球墨铸铁热处理相变特点来看,热处理时加热温度的选择是相当重要的。由于球墨铸铁含硅量较高,其共析转变临界温度较高,同时石墨的导热性较差,故石墨向奥氏体中的溶解较渗碳体困难。因此,球墨铸铁热处理时,加热温度较高,保温时间也较长。随着奥氏体化温度的提高,奥氏体含碳量增加,如图3所示。而随着奥氏体化温度增高,奥氏体溶碳量增加,则淬火冷却后残余奥氏体数量也较多,如图4所示。球墨铸铁在不同加热温度下淬火,经过250℃回火后其硬度和冲击韧性如图5所示。随着奥氏体化温度升高,其硬度趋向提高,冲击韧性趋向降低。不过奥氏体化温度进一步提高,其硬度增高与冲击韧性降低的趋势则趋向缓和。2.3加热温度及保温时间的影响高锰钢是已使用百余年的一种含碳0.9%～1.4%,含锰10%～14%的耐磨钢,其铸态组织是奥氏体+碳化物+珠光体类型的组织。其碳化物的数量和分布状况以及共析组织的弥散度都取决于钢的化学成分和冷却速度,通常是随着含碳量的增加和冷却速度的降低,高锰钢中碳化物数量增加。高锰钢热处理时加热过程有以下特点:(1)高锰钢水韧处理加热时,不仅要求组织奥氏体化,而且要求铸态析出的碳化物充分溶解。因此,就必须将高锰钢零件加热至Acm以上,保温一段时间,使碳化物充分溶入奥氏体,并使共析组织奥氏体化,得到均匀的奥氏体组织。(2)高锰钢是高合金钢种,在铸件加热过程中,也有碳化物的析出和奥氏体的分解。当温度升到Ac1以上时,开始进行奥氏体化过程。铸态组织中共析组织、先共析碳化物、加热时析出的碳化物以及加热过程中奥氏体分解所得到的共析组织等,最终都以各种方式全部转变为奥氏体。加热至Acm以上温度时,上述各种组织都逐步消失,只有奥氏体存在。(3)高锰钢由于导热性低、热膨胀系数高,且铸态组织中存在大量碳化物,其脆性很大,所以,水韧处理加热时很容易因应力而开裂。特别是当铸件中有残余应力时,应力的叠加极易形成裂纹,因而高锰钢铸件的入炉温度和加热速度是不可忽视的。大件、复杂件入炉温度应偏低,一般<400℃;小件、简单的薄壁件入炉温度可较高,一般可在600～650℃。加热速度薄壁件可取70℃/h,厚壁件可取50℃/h左右。一般希望在650～670℃下进行保温,在此温度下保温后,高锰钢进入塑性区,可以用较快的速度升温。因此,高锰钢铸件水韧处理的加热温度及保温时间的选择应以铸态的碳化物能否充分溶解为准,这是高锰钢水韧处理能否获得成功的关键。但同时也应指出,过高的加热温度将促使奥氏体晶粒粗大;过长的保温时间将使高锰钢铸件氧化脱碳,从而使其表层性能下降。2.4热处理对试验材料的影响合金耐磨钢具有良好的强韧性配合,且可通过热处理工艺的变化,在较大范围内调整其强度(硬度)与塑性、韧性的配合,以满足不同工况条件对耐磨件的要求,而得到广泛的使用。合金耐磨钢一般均通过淬火处理以获得马氏体基体,然后再通过回火,获得所需要的性能配合。合金耐磨钢在热处理过程中具有以下特点:(1)加热温度的选择需视其含碳量而定。亚共析钢必须加热到Ac3以上进行完全淬火,即加热温度宜选择在Ac3+(30～70)℃;而共析钢、过共析钢宜选择在Ac1+(30～70)℃,即进行不完全淬火。之所以如此,是因为亚共析钢如果在Ac1～Ac3之间加热,必然有一部分铁素体存在。这部分铁素体在淬火冷却过程中不会转变为马氏体,因而严重降低高锰钢的强度(硬度)。共析钢和过共析钢必须在Ac1～Ac3之间加热进行不完全淬火,使淬火组织中保留一定数量的细小弥散的碳化物颗粒,以提高其耐磨性。(2)要通过加热温度来控制碳化物的溶解数量,以控制奥氏体中的碳及合金元素含量,从而控制马氏体的成分、组织和性能。过高的加热温度,会使碳化物充分溶解于奥氏体中,淬火冷却后,将会出现针状马氏体,使脆性增大。(3)过高的加热温度,使碳化物全部溶解,将失去阻碍奥氏体晶粒长大的作用。而奥氏体晶粒过分粗大,淬火后马氏体也会更粗大,且显微裂纹增多,脆性增大。因此,合金耐磨钢在加热过程中,关键是确定合适的加热温度。含碳量0.4%～0.6%,含铬量4.5%～5.5%的中铬耐磨钢的奥氏体化温度对其硬度和冲击韧性的影响如图6所示。Cr-Ni-Mo低合金耐磨钢的淬火温度对其硬度和冲击韧性的影响如图7所示。它们表明,过高、过低的奥氏体化温度均导致硬度的降低。ZG30CrMnSiMoV低碳低合金耐磨钢,其不同淬火加热温度对其硬度的影响如表1所示。进一步从金相组织观察,800℃加热淬火后存在