熱處理工藝對(duì)中碳中合金耐磨鋼性能的影響

1、河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 熱處理工藝對(duì)中碳中合金耐磨鋼組織和性能的影響摘 要 本文研究了熱處理工藝參數(shù)對(duì)用于制造球磨機(jī)襯板的中高碳中合金鋼磨損性能的影響。通過(guò)對(duì)比采用不同回火溫度處理的試樣的硬度、拉伸性能和磨損量，分析不同的熱處理工藝對(duì)材料的力學(xué)性能和磨損性能的影響。并且通過(guò)對(duì)比試樣的金相組織，分析熱處理工藝對(duì)試樣金相組織的影響。實(shí)驗(yàn)表明，將試樣在860淬火2小時(shí)后回火處理，在回火溫度在550610之間時(shí)，試樣硬度隨回火溫度的升高而逐漸下降；試樣的抗拉強(qiáng)度和條件屈服極限隨著溫度的升高而逐漸降低，斷面收縮率和伸長(zhǎng)率逐漸增大；由于硬度降低，試樣的磨損量也逐漸增大。隨著回火溫度升高，試樣中的回火

2、索氏體也逐漸增多轉(zhuǎn)變，回火索氏體組織具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。綜合以上分析可得：材料最優(yōu)熱處理工藝為1050退火+860淬火+570590回火+空冷?？梢缘玫捷^多的回火索氏體組織，材料硬度達(dá)到4446.67HRC，磨損損失量相對(duì)較小。關(guān)鍵詞：淬火，回火，硬度，拉伸性能，耐磨性 I河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)The impact of the heat treatment process on the microstructure and properties of wear-resistant medium-carbon medium-alloy steelABSTRACTThis paper

3、studies different heat treatment process parameters effect on the well performance of the steel alloy in the high carbon used in the manufacturing of liner of mills. By comparing the sample hardness, tensile properties and wear allowance under tempering treatment with different temperature, analysis

4、 of different treatment temperatures effecting on the mechanical properties of materials and wear performance is carried out. Besides, through the comparison of the microstructure, the heat treatments effect on metallographic organization is analyzed.Experiments showed that, putting the samples in q

5、uenching with 860 C within two hours after the tempering treatment in temper temperature in 550 610 , the sample hardness gradually decreased with the tempering temperature increasing; the tensile strength and the limit of yield conditions of the sample gradually decreased with the rise of temperatu

6、re, while area reduction and elongation gradually increased; Due to the lower hardness, the wear loss was also increasing gradually.Along with the tempering temperature increasing, the tempering sorbite in the sample increased, and the sorbite had better comprehensive mechanical properties. Based on

7、 the above analysis: the optimal heat for material treatment process is quenching with 860 + tempering with 570C 590 C+ air cooling. Under this condition, more tempering sorbites can be obtained. And sprbites material hardness can reach 44 46.67 HRC, with relatively small wear loss.KEY WORDS: quench

8、ing and tempering, hardness, tensile properties, wear resistance目 錄第一章 緒 論11.1 耐磨材料的分類(lèi)11.2 合金鋼的熱處理工藝的制定依據(jù)11.3 合金元素對(duì)合金鋼的相、組織、性能的影響31.4 本課題的研究?jī)?nèi)容及現(xiàn)實(shí)意義5第二章 實(shí)驗(yàn)方法與過(guò)程72.1 實(shí)驗(yàn)材料72.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備72.3 合金鋼的熱處理工藝82.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程92.4.1 洛氏硬度檢測(cè)92.4.2 拉伸性能檢測(cè)92.4.3 摩擦磨損檢測(cè)102.4.4 金相實(shí)驗(yàn)過(guò)程10第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析113.1 回火工藝對(duì)合金硬度的影響113.2 熱處理工藝對(duì)合

9、金拉伸性能的影響123.3 熱處理工藝對(duì)合金摩料磨損性能的影響133.3.1 磨料磨損量比較分析133.3.2 磨面電鏡圖的比較分析143.4 金相組織分析16結(jié) 論19參考文獻(xiàn)20致 謝22III河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第一章 緒 論1.1 耐磨材料的分類(lèi)磨料磨損是磨損備件消耗鋼材的重要形式，其所造成的經(jīng)濟(jì)損失約占磨損總數(shù)的50%。目前我國(guó)礦場(chǎng)每年需要消耗大量的耐磨材料，尤其是用于對(duì)礦料進(jìn)行粉碎處理的球磨機(jī)。球磨機(jī)的襯板由于工作時(shí)受到大量礦石的沖擊，磨損嚴(yán)重。一旦襯板的厚度磨損到一定程度就要停止生產(chǎn)，更換襯板，但過(guò)于頻繁的更換又影響生產(chǎn)效率，所以要求襯板材料的耐磨性好。因此, 研究磨損和

10、不斷發(fā)展新的耐磨材料是一項(xiàng)永遠(yuǎn)需要討論的課題1。耐磨材料的生產(chǎn)和應(yīng)用經(jīng)過(guò)了多年研究與發(fā)展的高峰期，現(xiàn)已趨于穩(wěn)定，并有自己的系列產(chǎn)品和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)歷了從高錳鋼、普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵到高鉻鑄鐵的幾個(gè)階段，目前已經(jīng)發(fā)展成為耐磨鋼和耐磨鑄鐵兩大類(lèi)2。耐磨鋼除了傳統(tǒng)的奧氏體錳鋼及改性高錳鋼、中錳鋼以外，根據(jù)其含量的不同可分為中碳、中高碳、高碳合金耐磨鋼；根據(jù)組織的不同還可以分為奧氏體、貝氏體、馬氏體耐磨鋼。而耐磨鑄鐵主要包括低合金白口鑄鐵和高合金白口鑄鐵兩大類(lèi)。二者中最具有代表性的是低鉻白口鑄鐵和高鉻白口鑄鐵，而且這兩種材料目前在耐磨鑄鐵中占有主導(dǎo)地位。馬氏體或貝氏體、馬氏體組織的球墨鑄鐵在

11、制作小截面耐磨件方面也占有一席之地，中鉻鑄鐵則應(yīng)用較少。從整體上看，合金白口鑄鐵的耐磨性?xún)?yōu)于耐磨鑄鋼，但后者韌性好，在諸如襯板、耐磨管道等方面有著廣泛的應(yīng)用18。1.2 合金鋼的熱處理工藝的制定依據(jù)金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱、保溫、冷卻，通過(guò)改變金屬材料表面或內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)來(lái)控制其性能的工藝方法。金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，與其它加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過(guò)改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的3。熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)過(guò)程

12、，有時(shí)只有加熱和冷卻兩個(gè)過(guò)程。這些過(guò)程互相銜接，不可間斷。金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理三大類(lèi)。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類(lèi)又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應(yīng)用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復(fù)雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類(lèi)繁多。其中整體熱處理是對(duì)工件整體加熱，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以改變其整體力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝4。而我們這次主要用到的方法就是退火、淬火和回火。退火是將金屬和合金加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間

13、，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火后的亞共析鋼是鐵素體加片狀珠光體；共析鋼或過(guò)共析鋼則是粒狀珠光體?？傊嘶鸾M織是接近平衡狀態(tài)的組織。退火之后一般得到的是奧氏體。退火的目的：一、降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工。二、細(xì)化晶粒，消除因鑄、鍛、焊引起的組織缺陷，均勻鋼的組織和成分，改善鋼的性能或?yàn)橐院蟮臒崽幚碜鹘M織準(zhǔn)備。三、消除鋼中的內(nèi)應(yīng)力，以防止變形和開(kāi)裂。 淬火是將金屬工件加熱到某一適當(dāng)溫度并保持一段時(shí)間，隨即浸入淬冷介質(zhì)中快速冷卻的金屬熱處理工藝。淬火工藝將鋼加熱到Ac3或Ac1點(diǎn)以上某一溫度，保持一定時(shí)間，然后以適當(dāng)速度冷卻獲得馬氏體和（或）貝氏體組織。淬火可以提高金屬工件

14、的硬度及耐磨性，因而廣泛用于各種工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齒輪、軋輥、滲碳零件等）。通過(guò)淬火與不同溫度的回火配合，可以大幅度提高金屬的強(qiáng)度、韌性及疲勞強(qiáng)度，并可獲得這些性能之間的配合（綜合機(jī)械性能）以滿足不同的使用要求。常用的鋼在加熱到臨界溫度以上時(shí)，原有在室溫下的組織將全部或大部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。隨后將鋼浸入水或油中快速冷卻，奧氏體即轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。與鋼中其他組織相比，馬氏體硬度最高。鋼淬火的目的就是為了使它的組織全部或大部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，獲得高硬度，然后在適當(dāng)溫度下回火，使工件具有預(yù)期的性能。工件進(jìn)行淬火冷卻所使用的介質(zhì)稱(chēng)為淬火冷卻介質(zhì)（或淬火介質(zhì)）。理想的淬火介質(zhì)應(yīng)具備的條件是使工件既

15、能淬成馬氏體，又不致引起太大的淬火應(yīng)力?；鼗鹗菍⒐ぜ阌埠蠹訜岬紸c1以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝?；鼗鹗构ぜ@得所需的使用性能。 鋼在淬火后一般很少直接使用，因?yàn)榇慊鸷蟮慕M織是馬氏體和殘余奧氏體，并且有內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，馬氏體雖然強(qiáng)度、硬度高，但塑性差，脆性大，在內(nèi)應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生變形和開(kāi)裂；此外，淬火后組織是不穩(wěn)定的，在室溫下就能緩慢分解，產(chǎn)生體積變化而導(dǎo)致工件變形。因此，淬火后的零件必須進(jìn)行回火才能使用?；鼗鸬哪康氖牵海?）減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力；（2）穩(wěn)定組織，穩(wěn)定尺寸；（3）降低脆性、獲得所需要的力學(xué)性能。常用回火方法有： 低溫回火（250） 低溫回火后得到回火

16、馬氏體組織。其目的是降低鋼的淬火應(yīng)力和脆性，回火馬氏體具有高的硬度（一般為5864HRC）、強(qiáng)度和良好耐磨性。因此，低溫回火特別適用于刀具、量具、滾動(dòng)軸承、滲碳件及高頻表面淬火等工求高硬度和耐磨性的工件。 中溫回火（250500） 中溫回火后得到回火屈氏體組織。使鋼具有高的彈性極限，較高的強(qiáng)度和硬度（一般為3550HRC），良好的塑性和韌性。中溫回火主要用于各種彈性元件及熱作模具。 高溫回火（500650） 高溫回火后得到回火珠光體組織。工件淬火并高溫回火的復(fù)合熱處理工藝稱(chēng)為調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)后，鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能（一般硬度為220230HBS）。高溫回火主要適用于中碳結(jié)構(gòu)鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼制作的

17、曲軸、連桿、螺栓、汽車(chē)半軸、機(jī)床主軸及齒輪等重要的機(jī)器零件。1.3 合金元素對(duì)合金鋼的相、組織、性能的影響 耐磨鋼鐵材料通常含有的合金元素為硅、錳、鉻、鉬、鎳、鈮等.充分發(fā)揮這些合金元素對(duì)材料基體組織及淬透性的影響，可使材料具有較好的抵抗磨損的能力。錳：錳是好的脫氧劑和脫硫劑。錳和鐵可以形成固溶體，進(jìn)而提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強(qiáng)度，同時(shí)錳可以進(jìn)入滲碳體中取代一部分鐵原子。錳在鋼中由于降低了臨界轉(zhuǎn)變溫度，起到了細(xì)化珠光體和提高珠光體鋼強(qiáng)度的作用。錳對(duì)提高低碳和中碳珠光體鋼的強(qiáng)度有顯著的作用。但是作為合金元素，錳也有它不利的一面。錳含量較高時(shí)，有使鋼晶粒粗化的傾向，并增加鋼的回火脆性的敏感性

18、。冶煉澆鑄和鍛軋后冷卻不當(dāng)時(shí)，容易使鋼產(chǎn)生白點(diǎn)。綜合錳對(duì)鋼的組織和性能的各種影響，在本材質(zhì)中選擇錳的含量為0.8%1.2%。硅：硅是鋼中常見(jiàn)的元素之一。作為一種合金元素，硅在鋼中的含量一般不應(yīng)低于0.4%。硅在鋼中不形成碳化物， 而是以固溶體的形態(tài)存在于鐵素體或奧氏體中。它提高鋼中固溶體的強(qiáng)度，其冷加工變形硬化率的作用極強(qiáng)，僅次于磷，但同時(shí)也在一定程度上降低鋼的韌性和塑性。硅的含量若超過(guò)3%，將顯著降低鋼的塑性、韌性和延展性。硅能顯著提高鋼的彈性極限、屈服極限和屈服比，以及疲勞強(qiáng)度和疲勞比等。硅能提高鋼的退火、正火和淬火溫度，降低碳在鐵素體中的擴(kuò)散速度，增加鋼的回火穩(wěn)定性。綜合硅對(duì)鋼的性能和組

19、織的各種影響， 在本材質(zhì)中將硅的含量范圍定在0.7%1.0%。鉻：鉻是耐磨材料的基本元素之一，主要作用是提高鋼的淬透性，同時(shí)固溶強(qiáng)化基體，顯著改善鋼的抗氧化作用， 增加其抗腐蝕的能力。鉻能顯著增加鋼的淬透性，但亦有增加鋼的回火脆性的傾向。鉻提高鋼的回火脆性，降低鋼的馬氏體點(diǎn)Ms。鉻加入純鐵和鋼中，在一定含鉻量時(shí)，都能提高強(qiáng)度和硬度。綜合鉻對(duì)鋼的組織和各種性能的影響， 取鉻含量為1.5 %2.0%。鎳：鎳和碳不形成碳化物，它是形成和穩(wěn)定奧氏體的主要合金元素。在這方面的作用僅次于碳和氮。鎳與鐵以互溶的形式存在于鋼中的 相和 相中，使之強(qiáng)化，并通過(guò)細(xì)化 相中的晶粒，改善鋼的低溫性能，特別是韌性。鎳由

20、于降低臨界轉(zhuǎn)變溫度和降低鋼中各元素的擴(kuò)散速度，因而提高鋼的淬透性。鎳在高含量時(shí)可顯著改善鋼和合金的一些物理性能。鎳在提高鋼強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)鋼的韌性、塑性以及其它工藝性能的損害較其它合金元素的影響小。綜合以上因素，把鎳的含量定在0.75%1.0%之間。鉬：鉬在鋼中存在于固溶體相和碳化物相中。鉬在鋼中的作用可歸納為提高淬透性、提高熱強(qiáng)性、防止回火脆性、提高剩磁和矯頑力，提高合金在某些介質(zhì)中的抗蝕性與防止點(diǎn)蝕傾向等。鉬對(duì)鐵素體有固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)也提高碳化物的穩(wěn)定性， 因此對(duì)鋼的強(qiáng)度產(chǎn)生有利的作用。鉬對(duì)鋼回火脆性的影響頗為復(fù)雜。作為單一的合金元素存在于鋼中時(shí)，鉬增加鋼的回火脆性，但和其他導(dǎo)致回火脆性的

21、元素，如鉻、錳等并存時(shí)，鉬又降低或抑止因其他元素所導(dǎo)致的回火脆性。綜合以上因素， 我們決定在實(shí)驗(yàn)中選定鉬的含量為0.3%0.4%。鈮：鈮的固溶強(qiáng)化作用很明顯。當(dāng)鈮溶于奧氏體時(shí)，可以提高鋼的淬透性，增加回火穩(wěn)定性，有二次強(qiáng)化的作用。鈮可以提高鋼的強(qiáng)度、沖擊韌性，當(dāng)含量高時(shí)可以使鋼具有良好的抗氫性能，并提高熱強(qiáng)鋼的高溫性能。綜合以上因素，在實(shí)驗(yàn)中選定鈮的含量為0.1%。鋼中碳化物的作用：1.在溫度和應(yīng)力長(zhǎng)期作用下不易聚集長(zhǎng)大，則可大大提高材料的性能和使用壽命。2.碳化物和固溶體(基體)之間不易在高溫下因原子擴(kuò)散作用而發(fā)生合金元素的再分配;3.碳化物的穩(wěn)定性對(duì)于鋼的熱強(qiáng)性也很重要。首先碳化物可使鋼在

22、更高的溫度下工作并保持其較高的強(qiáng)度和硬度；4.其次在達(dá)到相同硬度的條件下,碳化物穩(wěn)定性高的鋼可以在更高的溫度下回火，使鋼的塑性、韌性更好。所以合金鋼的綜合性能比碳鋼好。鉻和鉬可以與碳形成碳化物。鉻和鐵形成連續(xù)固溶體，與碳形成多種化合物。鉻的復(fù)雜碳化物（Cr,Fe）7C3對(duì)于鋼的性能有顯著的影響，特別是提高耐磨性。Cr 與Fe 形成金屬間化合物FeCr。當(dāng)鉬含量較低時(shí)，與鐵及碳形成復(fù)合的滲碳體；當(dāng)含量較高時(shí)，則形成它自己的特殊碳化物5-9。1.4 本課題的研究?jī)?nèi)容及現(xiàn)實(shí)意義本文研究?jī)?nèi)容主要包括：1. 研究材料硬度、拉伸性能對(duì)其磨損性能的影響；2. 研究不同回火溫度對(duì)材料硬度、拉伸性能的影響；3.

23、 通過(guò)電鏡觀察磨損試樣磨面顯微組織，研究其磨損性能和微觀組織的關(guān)系；4. 通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察材料金相組織，分析比較采用不同熱處理工藝的試樣組織的差別。目前我國(guó)球磨機(jī)襯板主要以高錳鋼為主。高錳鋼在強(qiáng)烈沖擊條件下能表現(xiàn)出較高的耐磨性，在較大沖擊載荷或接觸應(yīng)力作用下，其表層迅速產(chǎn)生加工硬化，并且有高密度位錯(cuò)和形變孿晶相繼生成，從而產(chǎn)生高耐磨性的表面層，而此時(shí)內(nèi)層奧氏體仍然保持著良好的韌性。然而，高錳鋼的優(yōu)良性能，只適用于強(qiáng)烈沖擊載荷的工況，由于在中小型球磨機(jī)中，磨球直接與襯板碰撞機(jī)會(huì)較少，襯板所受的沖擊不足以使高錳鋼產(chǎn)生加工硬化，加之高錳鋼屈服強(qiáng)度過(guò)低(只有350MPa左右)，導(dǎo)致使用過(guò)程中襯板變形

24、嚴(yán)重，耐磨性差，壽命短，用于制作中小型球磨機(jī)襯板并不太適合。合金白口鐵在各類(lèi)鋼鐵中其抗磨性居首位，但其脆性較大，而且價(jià)格高，其應(yīng)用受到限制。因此我們要求球磨機(jī)襯板材料不僅要具有良好的塑性和韌性，還要有足夠的硬度及耐磨性。所以我們選擇中碳中合金鋼作為球磨機(jī)襯板材料，中碳中合金鋼通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囂幚砗罂梢愿淖兤浠w組織，克服鑄態(tài)組織的不均勻性，使材料的強(qiáng)度、硬度、塑性及其他性能達(dá)到最佳匹配，使其具有良好的韌性和足夠的強(qiáng)度、硬度，來(lái)滿足中小型球磨機(jī)的工況要求，同時(shí)中合金耐磨鋼成本較低，通過(guò)加入少量合金元素Cr、Mn、Si及微量元素Mo、Nb合金化。因此對(duì)中碳中合金鋼的熱處理工藝及磨損性能研究有重

25、大的意義。第二章 實(shí)驗(yàn)方法與過(guò)程2.1 實(shí)驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)所用材料為含碳量為0.65%、含有鉻、錳等元素的中碳中合金鋼。其化學(xué)成分如表2-1所示。表2-1 試樣材料化學(xué)成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）編號(hào)CMnSiCrNiMoRENb10.6-0.70.8-1.20.7-1.01.5-2.00.75-1.00.3-0.420.6-0.70.8-1.20.7-1.01.5-2.00.75-1.00.3-0.40.1830.6-0.70.8-1.20.7-1.01.5-2.00.75-1.00.3-0.40.180.1試樣取自鑄件本體，采用線切割加工后進(jìn)行熱處理。磨損試樣尺寸為6mm20mm。2.2 實(shí)驗(yàn)儀器和

26、設(shè)備量筒(量程50ml和500ml)、燒杯(量程250ml)、橡膠棒、勺子、鋼尺(量程50cm)、切割刀、托盤(pán)天平(量程2110g)、空氣壓縮機(jī)、超聲波清洗儀，以及：高溫箱式電阻爐 型號(hào)：VFX9/160-YG；中溫箱式電阻爐 型號(hào)：SJX-4-13； 掃描電鏡 型號(hào)：日產(chǎn)-JSM-5610LV型；精密萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī) 型號(hào)：AG-250KN(Shimadzu-島津)。金相顯微鏡 型號(hào)：XJ-16B洛氏硬度計(jì) 型號(hào)：HRD-150金相試樣拋光機(jī) 型號(hào)：P-2光學(xué)金相顯微鏡 型號(hào)：OLYMPUS PMG3型（倒置式）2.3 合金鋼的熱處理工藝熱處理工藝方案如下，（1）退火 1050退火，保溫2小時(shí)，隨

27、爐冷卻至500，取出空冷（2）淬火 860保溫2個(gè)小時(shí),取出油冷（3）回火 分別在550、570、590、610下保溫2個(gè)小時(shí)后，空冷熱處理各階段工藝圖如圖2-1、2-2、2-3所示。圖2-1 退火工藝曲線圖2-2 淬火工藝曲線圖2-3 回火工藝曲線2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)經(jīng)過(guò)不同熱處理工藝處理過(guò)的材料進(jìn)行洛氏硬度、拉伸性能以及摩粒磨損等性能測(cè)試，并通過(guò)掃描電鏡和光學(xué)金相顯微鏡，對(duì)合金試樣進(jìn)行掃描電鏡和光學(xué)金相顯微鏡實(shí)驗(yàn)，分析合金的微觀組織和微區(qū)成份。2.4.1 洛氏硬度檢測(cè)當(dāng)被測(cè)樣品過(guò)小或者布氏硬度（HB）大于450時(shí)，就選用洛氏硬度（HR）計(jì)量。實(shí)驗(yàn)方法是用一個(gè)頂角為120的金剛石圓錐

28、體或直徑為1.59mm/3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測(cè)材料表面，由壓痕深度求出材料的硬度。本實(shí)驗(yàn)采用HRD150型電動(dòng)洛氏硬度計(jì)測(cè)洛氏硬度，實(shí)驗(yàn)載荷為1500kg。在測(cè)試布氏硬度前，將試樣表面用砂紙磨平，將標(biāo)準(zhǔn)試樣平放在其面上上均勻選取五個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)試其硬度，求平均值。2.4.2 拉伸性能檢測(cè)本實(shí)驗(yàn)在島津AG-250KN精密萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。測(cè)試金屬在靜拉伸下的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，延伸率、斷面收縮率，評(píng)價(jià)金屬的強(qiáng)度以及在靜拉伸下金屬的塑性變形能力。塑性指標(biāo)的高低能反映材料的冶金質(zhì)量，如鋼中夾雜物過(guò)多時(shí)，塑性必定下降。對(duì)絕大部分機(jī)械制造用鋼來(lái)說(shuō)，采用光滑的圓試樣，在靜拉伸

29、實(shí)驗(yàn)機(jī)上作靜拉伸實(shí)驗(yàn)，根據(jù)拉斷后試樣的延伸率和斷面收縮率作為鑒定材料塑性變形能力大小的指標(biāo)。2.4.3 摩擦磨損檢測(cè) 本實(shí)驗(yàn)在ML-100型磨料磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)所用上試樣為實(shí)驗(yàn)合金，規(guī)格為620mm。實(shí)驗(yàn)所用載荷為20N，進(jìn)給半徑為120cm。本次磨損實(shí)驗(yàn)取12組磨損試樣分別為：3種成分實(shí)驗(yàn)用鋼在4種熱處理工藝條件下的試樣。每組試樣有3個(gè)，一共12組試樣。分別用分析天平測(cè)量試樣磨損前磨損后的質(zhì)量，取其平均值。2.4.4 金相實(shí)驗(yàn)過(guò)程金相檢驗(yàn)是觀察和分析金屬微觀組織結(jié)構(gòu)及其缺陷的重要手段?，F(xiàn)代金相技術(shù)包括光學(xué)和電子顯微分析技術(shù)兩個(gè)方面。金相分析技術(shù)所獲得的結(jié)果是聯(lián)系材料加工工

30、藝科學(xué)及材料性能之間的重要橋梁。我們?cè)陂L(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中認(rèn)識(shí)到，產(chǎn)品質(zhì)量的好壞和材料性能有著密切的聯(lián)系。顯微組織不同，材料的性能也不同。只有通過(guò)控制組織才能達(dá)到控制性能的目的。利用金相顯微鏡及其所拍攝的金相照片對(duì)合金的微觀組織進(jìn)行檢驗(yàn)分析，研究不同回火溫度對(duì)合金的結(jié)構(gòu)組織的影響以及它們的變化規(guī)律，從而達(dá)到通過(guò)控制組織來(lái)實(shí)現(xiàn)控制和改善其性能的目的。金相試樣的制備包括：截取、磨光、拋光及腐蝕。首先將進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)的試樣從斷口處開(kāi)始截取一段作為金相試樣，再在粒度為400#，800#，1000#，1200#的砂紙上依次磨光；金相試樣經(jīng)磨光后，有細(xì)微磨痕以及表面仍有金屬的形變擾動(dòng)層，影響正確地顯示組織，因而

31、必須拋光。拋光的目的，一方面為拋掉磨面上的痕跡，另一方面為消除磨面上的形變擾動(dòng)層。拋光是在拋光機(jī)上進(jìn)行的，選用呢綸作為拋光布，粗拋時(shí)用粒度為W2.5的金剛石拋光膏，細(xì)拋時(shí)用較小的濃度，最后可用清水拋光，避免雜質(zhì)留在拋光面上，拋光后用4%的苦味酸酒精對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕，將制備好的金相試樣在金相顯微鏡下觀察。 第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 回火工藝對(duì)合金硬度的影響合金硬度測(cè)量結(jié)果如表3-1所示。表3-1 硬度測(cè)定結(jié)果工藝編號(hào)HRC550 回火570回火590回火610回火成分148.3746.6742.542成分247.7545.544.8342.5成分34544.624443根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制

32、圖3-1。 圖3-1 回火工藝對(duì)材料硬度的影響試樣在860下淬火，采用不同的回火工藝，由圖可知，淬火后，材料硬度隨回火溫度的升高而逐漸下降。在同一回火溫度，不同成分之間的硬度值相差不大。由圖可見(jiàn)，成分1沒(méi)有添加稀土變質(zhì)劑，材料的力學(xué)性能對(duì)回火溫度比較敏感，在570590溫度區(qū)間內(nèi)，洛氏硬度值下降超過(guò)4個(gè)單位。而成分2、成分3分別添加有不同成分的稀土變質(zhì)劑，硬度值基本呈線性變化。試樣淬火后組織主要是馬氏體，還存在不同數(shù)量的殘余奧氏體或未溶碳化物，回火后，馬氏體分解，殘余奧氏體分解，碳化物的轉(zhuǎn)變，當(dāng)回火溫度在550610時(shí)，鋼的硬度、強(qiáng)度下降，中碳中合金鋼多采用高溫回火，以獲得強(qiáng)度與韌性的最佳配合

33、。得到的回火索氏體，是在鐵素體基體上彌散分布著粒狀碳化物。由于馬氏體強(qiáng)化態(tài)的消失，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，塑形和韌性顯著提高5,10-13。3.2 熱處理工藝對(duì)合金拉伸性能的影響 將試樣在860下淬火，油冷后，在不同的溫度下回火處理。以成分1為例，拉伸性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3-2。表3-2 成分1拉伸性能測(cè)試結(jié)果編號(hào)回火工藝抗拉強(qiáng)度b（MPa）條件屈服極限s（MPa）斷面收縮率（%）伸長(zhǎng)率（%）1-1550回火1310.681256.033.212.131-2570回火1303.861208.713.523.661-3590回火1285.351188.994.684.261-4610回火1275.941

34、149.345.614.62在回火索氏體上，合金碳化物可以看作第二相，這種第二相粒子非常細(xì)小，屬于彌散分布型合金，彌散分布型合金的屈服強(qiáng)度，對(duì)不可變形微粒而言，取決于粒子間距離，稱(chēng)為彌散強(qiáng)化。多相合金的屈服強(qiáng)度，除與基體相成分性質(zhì)、第二相尺寸、數(shù)量有關(guān)外，還與第二相的形狀、分布特點(diǎn)有關(guān)。金屬的屈服強(qiáng)度是一個(gè)非?；钴S的力學(xué)性能指標(biāo)，可以通過(guò)合金化，熱處理等手段來(lái)改變17。以成分2為例，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出在550610的過(guò)程中，材料的抗拉強(qiáng)度隨著回火溫度的升高而逐漸減低，但是幅度較??；而材料的條件屈服極限隨著回火溫度的升高則有明顯降低。在塑性方面，隨著回火溫度的升高，材料的斷面收縮率和伸長(zhǎng)率都有明

35、顯提高。 圖3-2 回火工藝對(duì)強(qiáng)度的影響 圖3-3回火工藝對(duì)塑性的影響3.3 熱處理工藝對(duì)合金摩料磨損性能的影響3.3.1 磨料磨損量比較分析磨損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表3-3。表3-3合金摩擦磨損量(g)回火溫度/平均磨損量/g550570590610成分10.06760.06810.07930.0748成分20.07190.07190.08190.0838成分30.07330.07520.07910.0778將試樣在860下淬火，在不同的溫度下回火處理2小時(shí)后，不同回火溫度對(duì)材料磨損性能的影響如表3-3所示。耐磨性與材料的硬度和塑性有一定的聯(lián)系，材料承受磨料磨損時(shí)，磨損率由兩部分組成，即：Wt=W

36、c+Wf ，其中Wc，它是由于切削作用引起的磨損，主要決定于材料的硬度；Wf為疲勞機(jī)制引起的磨損，與材料的硬度和塑性?xún)蓚€(gè)因素有關(guān)。當(dāng)外加載荷為20N，轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/min時(shí)，在550570 回火溫度區(qū)間，磨損量變化不大，當(dāng)回火溫度上升到610時(shí)，磨損量顯著增大。這是因?yàn)槟チＤp的耐磨性與材料的硬度近似呈線性關(guān)系。在500-A1溫度范圍內(nèi)回火，粒狀碳化物進(jìn)一步聚集，鐵素體回復(fù)，針狀馬氏體消失，得到的組織為鐵素體和大顆粒碳化物的混合組織，即回火索氏體。高溫回火，鋼的硬度強(qiáng)度下降；而回火索氏體的強(qiáng)度主要依靠細(xì)小彌散的碳化物顆粒對(duì)鐵素體基體的彌散強(qiáng)化作用，鐵素體本身的固溶強(qiáng)化作用非常弱。高溫回火后形成

37、的碳化物，碳化物顆粒間的距離，即顆粒的彌散度，在強(qiáng)化作用中是主要因素，合金碳化物的強(qiáng)化作用主要由尺寸來(lái)決定，碳化物顆粒越細(xì)，強(qiáng)化效果越大。但是隨著回火溫度的提高，碳化物不斷聚集長(zhǎng)大，強(qiáng)度有所下降，反映在材料的耐磨性上，就是磨損量有所增加14,15。3.3.2 磨面電鏡圖的比較分析 各回火溫度得到的試樣磨面如圖3-4圖3-6所示。 a） 550回火 b） 570回火 c） 590回火 d） 610回火圖3-4成分1回火后磨損試樣圖 a）550回火 b） 570回火 c）590回火 d） 610回火圖3-5 成分2回火后磨損試樣圖 a） 550回火 b） 570回火 c） 590回火 d） 610

38、回火圖3-6 成分3回火后磨損試樣圖通過(guò)對(duì)同種成分不同回火溫度磨損試樣磨損面電鏡圖進(jìn)行比較可得：隨著回火溫度的升高，磨損試樣的犁溝逐漸加深（如圖3-4）。這是因?yàn)殡S著回火溫度升高，材料的硬度逐漸降低。在550時(shí)材料的硬度最高，在淺層出現(xiàn)的犁溝大致沿磨損試樣機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向產(chǎn)生（如圖3-4 a.），該方向也是磨損最大的方向；當(dāng)回火溫度達(dá)到590后，材料硬度有明顯下降，砂紙上磨粒的尖角在試樣表面產(chǎn)生較深的溝紋（如圖3-4 c.）。同時(shí)，隨著回火溫度的上升，試樣擠出棱的剝離程度加劇，表現(xiàn)為590回火的試樣表面較為平整（如圖3-6 c.），550回火的試樣則相對(duì)雜亂無(wú)章（如圖3-6 a.）。這是因?yàn)?50

39、回火的試樣硬度高，表面不易剝落，590回火的試樣，不僅表面軟，而且擠出棱很容易從試樣表面脫落16,19,20。3.4 金相組織分析試樣被加熱到860淬火保溫2個(gè)小時(shí)后，使得材料奧氏體化后冷卻得到馬氏體組織后，將淬火鋼再分別加熱到550、570、590和610保溫2個(gè)小時(shí)空冷到室溫。將得到的試樣拋光，然后用4%苦味酸酒精溶液腐蝕試樣表面，用掃描電鏡觀察金相組織，以成分1為例。如圖3-7所示： a） 550回火 b） 570回火 c） 590回火 d） 610回火圖3-7 成分1試樣回火后的金相組織圖3-7中顯示的主要為回火索氏體，圖a.）滲碳體顆粒較大，圖b.）滲碳體顆粒變小，圖c.）碳化物顆粒

40、極其細(xì)小，圖d.）的碳化物聚集球化。隨著回火溫度的升高，從550到590，滲碳體的尺寸逐漸減小。610高溫下，碳原子擴(kuò)散活躍，碳化物顆粒再次聚集長(zhǎng)大成球狀?；鼗鹚魇象w組織具有良好的強(qiáng)度、彈性、塑性、韌性等綜合機(jī)械性能。圖3-8為成分2在不同回火溫度條件下的微觀組織。圖3-8中都是回火索氏體。其中590回火工藝下，均勻彌散的分布著極其細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)。合金鋼中碳化物的聚集過(guò)程，與碳鋼的規(guī)律基本相同。但該實(shí)驗(yàn)用鋼中存在碳化物形成元素，由于碳與合金元素的親和力大，因而細(xì)小的碳化物顆粒難以溶解，阻礙了碳化物的聚集長(zhǎng)大。 a） 550回火 b） 570回火 c） 590回火 d） 610回火圖3-8 成

41、分2試樣回火后的金相組織結(jié) 論1.在回火溫度從550上升到610的過(guò)程中，試樣硬度隨著溫度的升高而逐漸降低。同種成分之間，最大硬度差值為6.37HRC,最小硬度差值為2HRC。2.當(dāng)回火溫度在550610之間上升時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度和條件屈服極限隨著溫度的升高而逐漸降低，斷面收縮率和伸長(zhǎng)率逐漸增大。3.隨著回火溫度的升高，試樣中回火索氏體組織逐漸增多，這種組織具有良好的硬度、彈性、塑性、韌性等綜合機(jī)械性能。當(dāng)回火溫度為590時(shí)，材料的綜合性能比較好，此時(shí)ZG70Cr2MnNiSi鋼的抗拉強(qiáng)度為1285.35MPa，條件屈服極限為1188.99MPa，斷面收縮率為4.68%，伸長(zhǎng)率為4.26%。4.材料最優(yōu)熱處理工藝為1050退火+860淬火+570590回火+空冷。此種工藝可以得到較多的回火索氏體組織，材料硬度達(dá)到4446.67HRC，磨損損失量相對(duì)較小。參考文獻(xiàn)1 邱常明，張貴杰，王彥鳳. 耐磨金屬材料的最新研究進(jìn)展.甘肅冶金，2007，29（2）:1-32 劉松濤. 中碳中合金耐磨鋼襯板斷裂失效的研究. 農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程,2009,(8):40-4