宋春梅，焦玉鳳，張德秋

（佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007）

1 目的與意義

20世紀(jì)20年代，Robertson首先發(fā)現(xiàn)鋼的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物[1-4]，隨后Devenport和Bain等人對(duì)這種組織進(jìn)行了大量細(xì)致的研究[5-9]，直到1934年“貝氏體”術(shù)語(yǔ)的提出[10]，貝氏體結(jié)構(gòu)及其相變機(jī)制一直是人們研究的重點(diǎn)。貝氏體鋼的研究，主要集中在低碳鋼和較為復(fù)雜的熱處理工藝上。從中碳低合金鋼入手，采用鑄態(tài)空冷技術(shù)，能獲得更高的硬度和耐磨性，并能在很大程度上減少鋼的熱處理環(huán)節(jié)，減少因一般淬火時(shí)快速冷卻引起的變形和開(kāi)裂的傾向，比如：等溫淬火，扎制等。最終制成一種生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便、成本低、耐磨性好、抗斷裂能力強(qiáng)的鑄態(tài)空冷貝氏體鋼[11-13]。可以代替高鉻鑄鐵和鎳硬鑄鐵應(yīng)用到破碎機(jī)和球磨機(jī)的襯板上，以提高它們的使用壽命。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法

首先對(duì)合金進(jìn)行合理的成分設(shè)計(jì)，精確配料后采用砂型鑄造工藝，使用10 kg中頻感應(yīng)爐進(jìn)行澆鑄，制備后的試樣經(jīng)過(guò)淬火和回火后，對(duì)試樣進(jìn)行粗磨，然后使用HR-150A洛氏硬度計(jì)測(cè)量試樣的硬度；使用ZBC-300B全自動(dòng)金屬擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)打完硬度的試樣進(jìn)行無(wú)缺口的沖擊，記錄下相應(yīng)試樣的沖擊值αk（J/cm2）.然后在GX71奧林巴斯金相電子顯微鏡下觀察沖擊斷口掃描組織。

3 結(jié)果與討論

對(duì)熔煉后的三組合金進(jìn)行性能測(cè)試，三組合金各元素含量如表1所示。

實(shí)驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行，圖1所示為3種合金最優(yōu)熱處理工藝所得照片。由圖1所示，A成分的試樣含有大量粒狀貝氏體，并對(duì)試樣進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為43.5，B、C成分的鋼主要含有很多針狀的下貝氏體，洛氏硬度分別為53.8和58.5，由測(cè)試后的硬度值可以看出，試樣的微觀組織對(duì)性能有較大的影響，因?yàn)锽、C合金中主要是含有大量針狀下貝氏體，并且B中的含量要高于C合金，所以B、C合金的硬度高于A合金，但同時(shí)韌性明顯下降。

表1 熔煉合金元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖1 3種不同成分貝氏體鑄鋼的金相組織（×1000）

圖1A成分的鋼中含大量粒狀貝氏體，所以它的硬度比其他兩個(gè)合金低[14,15]，而沖擊韌性高。B、C成分的鋼主要含有很多針狀的下貝氏體，因此，他們的硬度非常高，而沖擊韌性明顯下降。B中的下貝氏體含量高于C成分的，這也通過(guò)力學(xué)性能體現(xiàn)出來(lái)：B成分的綜合性能稍?xún)?yōu)于C成分。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)各種合金進(jìn)行了沖擊韌性測(cè)試。圖2為不同淬火溫度對(duì)試樣硬度和沖擊韌性的影響。

圖2a）組試樣，從中可以看出940℃奧實(shí)氏化加熱可以獲得硬度，沖擊韌性值綜合力學(xué)性能。圖2b）表明在此成分920℃奧氏體化獲得很好的綜合力學(xué)性能，圖2c）的沖擊韌性值與奧氏體化溫度的關(guān)系，開(kāi)始硬度曲線(xiàn)不斷升高，而沖擊韌性曲線(xiàn)變化不大，到960℃時(shí)達(dá)到很好結(jié)合。顯示了很好的綜合力學(xué)性能。硬度與韌性的綜合分析與合金組織有密切的關(guān)系，B合金的韌性低于A、C合金，A合金的韌性值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種合金，這主要是由于奧氏體后各種合金內(nèi)部組織發(fā)生了變化，導(dǎo)致性能之間的差異。為了進(jìn)一步分析合金的性能機(jī)理，對(duì)斷口進(jìn)行了掃描分析，如圖3所示。

圖2 淬火溫度對(duì)試樣硬度和沖擊韌性的影響

圖3 掃描斷口SEM照片

A成分鑄鋼由于碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較低，并且生成了大量的粒狀貝氏體，所以它的斷裂方式應(yīng)該是韌性斷裂，并且從圖中可以觀察到斷口存在有大量的韌窩，所以可以判斷A合金主要是韌性斷裂。B成分和C成分鑄鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較高，奧氏體化后生成了大量的下貝氏體組織。斷中掃描清晰看出，含有大量的臺(tái)階和光滑的準(zhǔn)解理面，所以它的斷裂方式應(yīng)該是脆性斷裂。

4 結(jié)論

1）成功制成一種成分以 w（C）：0.35%～0.5%，w（Cr）：1.5%，w（Mn）：0.5%～1.5%，w（Si）:0.5%～1.5%，w（Cu）：0.5%～1.5%為主要添加元素的低成本中碳合金鑄鋼。

2）鑄造成型后在880℃～960℃范圍內(nèi)加熱奧氏體化直接空冷均獲得以貝氏體為主含少量殘余奧氏體的組織。

3）實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)920℃奧氏體化具有很好的強(qiáng)韌配合：硬度≥53 HRC；αK≥23 J/cm2.

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