碳铬系合金铸钢硬度及冲击韧性研究

碳铬系合金铸钢硬度及冲击韧性研究

中低合金铸钢衬板的制备研磨机座垫板是研磨机的主要易损部分。现在，主要使用高锰钢来制作。高锰钢需要在强力挤压和冲击条件下使表层产生强烈的加工硬化才具有较高的耐磨性。在许多工况下如冲击力不大或研磨条件下,并不能使高锰钢充分发挥其加工硬化特性,故衬板的使用寿命较低。且高锰钢衬板在使用过程中易产生变形,拆卸困难。目前,中低合金铸钢的研究及应用日益广泛,由于其通过控制化学成份和适当的热处理得到马氏体或马氏体—贝氏体组织,具有良好的耐磨性,可用作球磨机衬板类材料。在各种形式的合金铸钢的成份中,碳是影响衬板材料力学性能,如硬度、冲击韧性的主要元素;铬则是合金耐磨铸钢常用的主要合金元素,但我国铬资源比较短缺,因此本文研制碳铬系合金铸钢,探讨碳铬含量对试验钢力学性能(硬度、冲击韧性)及耐磨性的影响,为球磨机衬板类材质成份的选择提供一定的依据。1方法1.1铁钢中mo比例的确定(1)碳(C):碳是试验钢的主要元素,选择低碳中碳及高碳3种含量,设计成份为0.30,0.60,0.90。(2)铬(Cr):作为试验钢的主要合金元素,有固溶强化、提高钢的淬透性、增加钢的回火稳定性等作用。为控制钢的成本,铬含量控制在5%范围以内,设计成份为2.0,3.0,5.0。(3)钼(Mo):Mo能显著提高钢的淬透性,减少钢对回火脆性的敏感性,提高钢的韧性。一般在有Cr,Mn,Si等能提高淬透性的合金元素配合时,空淬马氏体钢中加入Mo的含量为0.25%～0.60%。试验钢Mo的设计成份范围为0.40%～0.50%。(4)锰(Mn)及硅(Si):能固溶强化,提高钢的淬透性,另外,Mn能脱氧去硫,硅还能提高发生低温回火脆性的温度范围等。试验钢中Mn及Si的设计成份范围为0.80%～1.10%及0.60%～0.90%。综上所述,试验钢的设计成份(质量百分数)范围如下:(1)基本合金元素含量:Mo0.40～0.50,Mn0.80～1.10,Si0.60～0.90;(2)碳含量:0.30,0.60,0.90;(3)铬含量:2.0,3.0,5.0。1.2试验条件1.2.1试验材料1.2.2加热设备1.2.3钢的冲击韧性测定用金相显微镜观察热处理后试验钢的显微组织。试验钢的冲击韧性由10mm×10mm×55mm无缺口标准冲击试样在冲击试验机上测得,用布洛光学硬度计测冲击试样的硬度,多点测量后取平均值。1.2.4砂水比和磨面尺寸试验钢的磨损试验在自制的三体磨损机上进行,其工作原理如图1。磨损机运转速度为40r/min,载荷为0.6kg。磨料为40～70目的石英砂,砂水比为4:3。磨损试样尺寸为10mm×10mm×20mm,磨面为10mm×20mm面。磨损失重用感量为110-4的光电天平称量,试样经预磨后每20min称重1次,取3次磨损失重的平均值作为一个数据。磨损率(w)用单位面积(c㎡)单位时间(h)的磨损失重(g)表示,其倒数(w-1)即可表示试验钢的耐磨性,单位为g-1.c㎡.h。2碳量对试验钢硬度、韧性和耐磨性的影响高锰钢及不同含碳量及含铬量的C-Cr系合金铸钢热处理后的金相组织、硬度、冲击韧性以及耐磨性试验结果见表1。由表1可见C-Cr系合金铸钢在本试验条件下的耐磨性一般是高锰钢耐磨性的1倍以上,耐磨性明显提高。碳和铬量的含量不同,试验钢耐磨性的提高程度亦不同,为了便于分析,把试验结果用图2及图3表示。图2是含碳量对试验钢硬度、冲击韧性和耐磨性的影响,随碳量增加,硬度升高,冲击韧性下降,耐磨性提高,但当碳含量大于0.60%,性能变化的幅度减少。钢的力学性能取决于化学成份及金相组织,尤其是碳含量。碳含量对马氏体形态有很大影响。一般来说,固溶碳量低的马氏体,其形态为板条状,固溶碳量较高的马氏体其形态的为片状。众所周知,马氏体的硬度和强度与碳含量的1/2次方成正比,低碳马氏体含碳量不高,尚不能造成严重的晶格畸变,故固溶碳量较低时具有较低的硬度和较高的韧性;碳量增加,固溶在马氏体中的碳多,硬度提高,但晶格畸变程度增大,马氏体形态也由板条状向片状过渡,精细结构由位错为主转变为以挛晶为主,当碳量大于0.5%以后基本上由片状马氏体组成,片状马氏体的韧性较低,因此试验钢随碳量增加,硬度逐渐提高,韧性逐渐降低。图4(a),(b),(c)是含铬量为0.3%,0.6%,0.9%的试验钢热处理后的显微组织,可以看到低碳(0.3%)时马氏体体形态为板条状(图4(a))),较高碳(≥0.6%)时马氏体形态为片状(图4(b),(c)。在本试验条件下,当含铬量相同时,若碳量增加,硬度及耐磨性提高,说明硬度是影响耐磨性的主要因素。图3是铬量对试验钢硬度、韧性及耐磨性的影响。当碳量相同时,随铬量增加,试验钢硬度变动不大,耐磨性有所增加,但幅度较小,而冲击韧性逐渐提高。初步分析认为,这与金相组织有关。回火后组织为回火马氏体加残余奥氏体和少量的碳化物。铬提高钢的淬透性,降低Ms点,残余奥氏体量随铬量的增加而增加,硬度主要取决于基体组织(M),而残余奥氏体和少量的碳化物对其影响不大,所以硬度变化不大;但残余奥氏体对冲击韧性的影响较大,在碳量相同时,铬量增加时,残余奥氏体数量相对增多,韧性提高。图4(d)为含2%Cr,0.6%C试验钢的金相组织,图4(b)(5%Cr,0.6%C)与之相比,残余奥氏体较多。从总体来说,残余奥氏体相对含量的增加,不会对耐磨性造成多大损失,一方面残余奥氏体含量总体较少,另外,由于铬量增加固溶强化以及析出少量含铬的碳化物会使耐磨性有所增加(图3)。根据试验结果及上述初步分析,在实际应用时,为提高耐磨性可以选择较高的碳量,但当碳量大于0.6%后,耐磨性提高幅度并不大,但冲击韧性却大幅下降。当加入铬后,随铬含量增加,冲击韧性有所提高,因而可以通过适当调整钢中碳及铬的含量来适应不同的磨擦工况要求。对受冲击力不大的衬板类材料,可选择高碳量和较低的铬量;对冲击力很大的工况下的衬板类材料,可选用中等碳量和较高的铬量,以获得硬度和韧性的良好配合,取得最佳的耐磨效果。当然试验条件下所得的结果及分析仍需要实际生产的进一步证实。3c-cr系试验钢试样的空淬退火试验试验钢在高温管式电炉中熔炼,熔炼温度>1500℃,熔炼过程中通N2保护。用蜡模浇铸标准冲击试样,蜡模在退火炉内经缓慢升温至800℃,烘烤2h。浇注后铸件冷至室温开箱取样。C-Cr系试验钢试样的空淬回火处理在箱式电炉中进行。热处理工艺为940℃保温20min,空淬,300℃回火1h,空冷。(1)本试验