高锰钢自1882年由英国人Hadfield发明后, 因其在冲击作用下具有强大的加工硬化能力而一直被用于铁路零件、矿山、建材、冶金和能源等机械中^[1-3], 但其在低载荷下耐磨性能受到限制^[4].人们一直希望找到合适的钢种来替代高锰钢.研究发现, 双相钢具有连续性屈服、屈服强度低、拉伸性能好、韧性好等特点^[5-7].42CrMo钢是中碳低合金结构钢, 具有良好的高温强度、抗蠕变性能、淬透性, 其淬火变形小, 调质后综合力学性能较好^[8].

本文通过选取马氏体-贝氏体双相钢和42CrMo钢作为实验材料, 分别选取水和机油作为淬火介质对实验材料进行淬火及不同温度下的回火处理.观察热处理后的组织形貌并通过硬度、拉伸性能、冲击韧性及磨损性能测试得到实验材料热处理后的性能指标, 确定最佳热处理工艺.

实验材料为铸态马氏体-贝氏体双相钢和42CrMo钢, 其化学成分如表 1所示.双相钢的热处理工艺为950℃保温2 h分别进行水淬、油淬, 然后分别在220, 260, 300, 340℃回火+保温2 h+空冷.42CrMo钢热处理工艺为840℃保温2 h分别进行水淬、油淬, 然后分别在240, 280, 320, 360℃回火+保温2 h+空冷.热处理试样均取自浇注合格的基尔试样底部.

表 1(Table 1)

表 1 试样的主要化学成分 (质量分数) Table 1 Main chemical composition of specimens (mass fraction) % 化学成分 C Si Mn Cr Mo 双相钢 0.298 1.291 2.328 0.657 0.173 42CrMo 0.411 0.610 0.690 0.880 0.139

表 1 试样的主要化学成分 (质量分数) Table 1 Main chemical composition of specimens (mass fraction)

采用OLYMPUS DSX500金相显微镜观察热处理后的金相组织, HBS-3000型布洛维硬度计进行硬度测试.拉伸性能测试在WJ-30万能材料试验机上进行, 在型号为JB-5的冲击试验机上进行冲击试验.通过MSH型腐蚀磨损试验机, 以600 r/min的转速来测试磨损性能, 磨损试样长宽高分别为55, 20和8 mm.对双相钢 (950℃水淬+300℃回火) 和高锰钢进行了480 h的对照磨损实验.

双相钢和42CrMo钢热处理后的金相组织如图 1所示.由图 1可知, 双相钢经950℃水淬、油淬, 在220℃和340℃回火后的组织均为:板条马氏体+针状贝氏体+少量碳化物 (图 1a~图 1d).双相钢在340℃回火后的组织较220℃回火后的组织更均匀, 形成了平直、规则且取向更接近的板条马氏体束.其油淬组织较水淬组织更均匀、致密和细小, 拥有更多的贝氏体, 但水淬组织中含有更多的板条马氏体.42CrMo钢经840℃水淬, 在240和360℃回火后的组织均为回火马氏体+残余奥氏体 (图 1e~图 1f).360℃回火组织较240℃回火组织相界面模糊, 残余奥氏体发生分解, 数量下降, 回火马氏体尺寸变小数量稍有增加.经840℃油淬, 在240和360℃回火后的组织均为:回火马氏体+铁素体+少量贝氏体 (图 1g~图 1h).随回火温度升高, 回火马氏体增多, 铁素体稍有增多.

图 1(Fig. 1)

图 1 双相钢、42CrMo钢回火后的金相组织 Fig.1 Micro-structures of dual-phase steel and 42CrMo steel after different tempering treatments (a)—双相钢水淬，220℃回火；(b)—双相钢水淬，340℃回火；(c)—双相钢油淬，220℃回火；(d)—双相钢油淬，340℃回火；(e)—42CrMo钢水淬，240℃回火；(f)—42CrMo钢水淬，360℃回火；(g)—42CrMo钢油淬，240℃回火；(f)—42CrMo钢油淬，360℃回火.

热处理后试验钢硬度如图 2所示.由图 2可知:两种钢水淬回火后的硬度明显高于油淬回火后的硬度, 双相钢水淬试样硬度最高, 42CrMo钢油淬试样硬度最低.水淬时冷却速度大, 淬火后马氏体含量高, 回火后回火马氏体总量多, 故水淬回火后具有明显高于油淬回火后的硬度.随着回火温度的升高, 两种钢硬度皆呈下降趋势.原因为低温回火时, 一方面马氏体发生分解使硬度下降, 另一方面残余奥氏体转变为下贝氏体或回火马氏体使硬度增加, 两者共同作用使硬度下降平缓.温度升高后, ε-碳化物转变成渗碳体, 共格关系破坏以及渗碳体聚集长大, 使硬度进一步降低^[9].

图 2(Fig. 2)

图 2 试验钢在不同回火温度的硬度曲线 Fig.2 Hardness curves of test steel at different tempering temperatures

双相钢和42CrMo钢在不同回火温度下的冲击韧性曲线如图 3所示.由图 3可知:42CrMo钢油淬后冲击韧性最高, 双相钢水淬后冲击韧性最低; 水淬和油淬双相钢的冲击韧性都随回火温度的升高呈现先升再降的趋势.原因是在低于300℃回火时, 其残余应力逐渐消除进而改善韧性, 故随回火温度升高其冲击韧性得到提升.回火温度在300℃以上时, 析出的碳化物增多, 导致试样冲击韧性下降.在340℃回火时, 出现回火脆性.这是因为马氏体分解时沿马氏体条或边界析出薄壳状碳化物造成的^[8].对于水淬和油淬42CrMo钢, 随回火温度的升高, 其冲击韧性总体上也呈现出先升后降的趋势.在300℃以下回火时, 残余应力逐渐消除使淬火钢的冲击韧性提高; 残余奥氏体分解产生下贝氏体或等温马氏体, 不会引起韧性下降, 且在适当温度回火可以提高残余奥氏体的机械稳定性, 提高冲击韧性^[10].在温度超过320℃后, 冲击韧性出现下降, 分析为沿马氏体边界析出薄壳状碳化物所致.

图 3(Fig. 3)

图 3 双相钢和42CrMo钢冲击韧性曲线 Fig.3 Impact toughness curves of dual-phase steel and 42CrMo steel

拉伸性能的测试结果见图 4和表 2.由图 4a和表 2可知, 相同回火温度下, 油淬处理的双相钢试样其抗拉强度、屈服强度均较水淬处理的低, 但延伸率却高于水淬试样.随回火温度的升高, 水淬和油淬试样的抗拉强度、屈服强度均先降低后升高, 延伸率则先升高后降低.在热处理过程中, 水淬回火后试样具有更多板条马氏体且取向一致化程度高, 所以回火强度较油淬试样高.油淬试样较水淬试样组织中具有更多的贝氏体, 这使得油淬试样具有更好的塑韧性, 同时油淬试样较水淬试样具有更致密、细小、均匀的组织, 二者共同作用使得油淬试样的延伸率更高.回火过程中, 既存在残余应力消除和位错密度降低的软化作用也存在碳化物沿位错线析出钉扎位错的强化作用^{[9, 11]}.温度低于260℃时, 软化作用强于强化作用; 而当温度高于260℃时, 残余应力已基本消除, 而碳化物则越来越多, 强化作用大于软化作用.故表现出试验钢的抗拉强度、屈服强度先降低后升高, 延伸率则先升高后降低的现象.

图 4(Fig. 4)

图 4 双相钢和42CrMo钢在不同回火温度下的抗拉强度和屈服强度 Fig.4 Tensile strength and yield strength of dual-phase steel and 42CrMo steel at different tempering

表 2(Table 2)

表 2 双相钢和42CrMo钢在不同回火温度下的延伸率 Table 2 Elongate rate of dual-phase steel and 42CrMo steel at different tempering temperatures 回火温度/℃ 220 260 280 300 320 双相钢水淬/% 6.1 7.6 — 7.3 — 双相钢油淬/% 7.6 9.7 — 9.3 — 42CrMo钢水淬/% — — 8 — 10.5 42CrMo钢油淬/% — — 9.5 — 11

表 2 双相钢和42CrMo钢在不同回火温度下的延伸率 Table 2 Elongate rate of dual-phase steel and 42CrMo steel at different tempering temperatures

由图 4b和表 2可知, 随着回火温度的升高, 水淬和油淬的42CrMo钢试样其抗拉强度和屈服强度均下降, 延伸率升高.这是由于在回火的过程中, 残余应力的消除和位错密度的降低使其抗拉强度、屈服强度下降, 但析出的渗碳体又会使钢的强度升高.只是在回火温度低于320℃时, 试验钢残余应力消除和位错密度降低带来的软化效果强于渗碳体析出的强化效果, 导致试验钢抗拉强度和屈服强度下降而延伸率增加^{[9, 11]}.

图 5和表 3分别为磨损实验中试验钢磨损量随时间的变化曲线和双相钢、高锰钢对照磨损实验中的磨损数据.由图 5知, 同种试验钢经水淬处理的耐磨性能好于油淬处理的, 水淬处理的42CrMo钢耐磨性能最好, 油淬处理的42CrMo钢耐磨性能最差.由表 3知双相钢水淬+300℃回火试样相对耐磨性为1.532.换算后42CrMo水淬+280℃回火、42CrMo油淬+280℃回火和双相钢油淬+300℃回火试样的相对耐磨性分别为:1.558, 1.121和1.314, 均比高锰钢耐磨性能好.材料的耐磨性是硬度、塑韧性等多方面作用的结果^[12-13], 单纯的高硬度或高韧性无法获得较高的耐磨性, 只有材料具有良好的塑韧性及硬度配比时才能拥有较高的耐磨性.通过以上的数据可以发现, 42CrMo水淬280℃回火试样具有良好的硬度、塑韧性配比, 这是其具有最好的耐磨性的原因.

图 5(Fig. 5)

图 5 试样磨损量随时间的变化曲线 Fig.5 Changing curves of wearing capacity of specimens at different time

表 3(Table 3)

表 3 双相钢和高锰钢480 h磨损数据 Table 3 Abrasive wear data of dual-phase steel and high-manganese steel after 480 h 试验钢 原始质量/g 磨后质量/g 损失质量/g 相对耐磨性 双相钢 65.150 64.672 0.178 1.532 高锰钢 67.708 66.973 0.273 1.000

表 3 双相钢和高锰钢480 h磨损数据 Table 3 Abrasive wear data of dual-phase steel and high-manganese steel after 480 h

从综合性能分析得出:双相钢最佳热处理工艺为950℃油淬+300℃回火, 42CrMo钢的最佳热处理工艺为:840℃水淬+280℃回火.

1) 经水淬、油淬处理的双相钢显微组织均为:板条马氏体+针状贝氏体+碳化物, 且油淬处理的试样组织更加致密和细小.经水淬处理的42CrMo钢显微组织为:回火马氏体+残余奥氏体; 油淬处理的42CrMo钢显微组织为:回火马氏体+铁素体+贝氏体.

2) 双相钢最佳热处理工艺为:950℃油淬+300℃回火.其硬度为425HBW, 冲击韧性为38.8 J/cm², 抗拉强度、屈服强度可以达到1450, 1180MPa, 延伸率为9.3%. 42CrMo钢最佳热处理工艺为:840℃水淬+280℃回火.其硬度为445HBW, 冲击韧性为35 J/cm², 抗拉强度、屈服强度可以达到1565, 1362MPa, 延伸率为8.0%.

3) 水淬+280℃回火处理的42CrMo钢耐磨性能最好, 其相对耐磨性可达高锰钢的1.558倍.