徐海峰, 李 海, 李凤敏, 付胜敏, 明科宇, 郁 言
(1. 中煤张家口煤矿机械有限责任公司, 河北 张家口 075025; 2. 钢铁研究总院有限公司 特殊钢研究院, 北京 100081; 3. 河北省高端智能矿山装备技术创新中心, 河北 张家口 075025)
刮板输送机是煤矿综采的重要运输装备,也是煤矿采掘过程中用量最大、消耗最多的生产设备[1-2]。中部槽是刮板输送机的重要部件,不仅是落煤运输的主要通道,而且是整个输送机的主要受力部位[3],在使用过程中承受拉压、弯曲、冲击、磨损及腐蚀等多种作用[4-5],工作环境复杂苛刻,如果中部槽发生断裂失效,将直接影响刮板输送机的正常运行和煤矿安全生产[6]。因此要求中部槽槽帮材料具备足够的强韧性,同时兼具一定的耐磨和耐蚀性能等。
过冷奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线可直接反映出冷却速度对固态相变的影响规律,是制定钢铁材料合适热处理冷却方式的理论依据[7-8]。本文采用热膨胀仪、光学显微镜、扫描电镜、维氏硬度计研究新型槽帮钢在不同冷却速度下相变点、转变过程及组织性能的变化规律,并绘制连续冷却转变(CCT)曲线,为后续制定合理的热处理工艺提供理论依据。
试验钢经250 kg中频感应炉冶炼铸钢,采用树脂砂型浇铸成形,尺寸为(26～50) mm×65 mm×250 mm的梯形横截面试件,其化学成分如表1所示。在铸造试件上加工φ3 mm×10 mm的标准热膨胀试样,利用Formastor-FⅡ型全自动热膨胀仪进行热循环试验,以200 ℃/s的升温速度将试样升至880 ℃保温5 min后,分别以40.5、16.2、8.10、4.05、1.62、0.81、0.28、0.14和0.06 ℃/s的冷却速度降至室温,通过X-Y记录仪记录冷却过程中的温度与膨胀量数据,根据膨胀量-温度曲线确定不同冷却速度下的相变起始点。将冷至室温的试样研磨抛光腐蚀后,在OLYMPUS GX53光学显微镜下观察显微组织;利用EM500-2A维氏硬度计,载荷砝码5 kg,测量试样表面3点硬度并取平均值。综合冷却曲线、显微组织和维氏硬度,绘制试验钢的连续冷却转变(CCT)曲线。
表1 试验槽帮钢化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of the tested slot edge steel (mass fraction, %)
2.1 相变点
图1为试验钢升降温过程中的温度-膨胀量关系曲线,利用切线法测量相变温度点[8-10],加热升温时奥氏体转变开始温度Ac1=730 ℃,终止温度Ac3=825 ℃;冷却降温时马氏体转变开始温度Ms=365 ℃,终止温度Mf=230 ℃。
图1 试验钢的温度-膨胀量曲线Fig.1 Temperature-inflation curves of the tested steel(a) Ac1, Ac3; (b) Ms, Mf
2.2 连续冷却转变曲线
根据不同冷却速度下,温度-膨胀量曲线确定相变起始点,并结合显微组织与维氏硬度绘制出完整的CCT曲线,如图2所示。可以看出,试验钢完全奥氏体化后,经不同冷却速度连续冷却时,存在铁素体相变(A→F)、珠光体相变(A→P)、贝氏体相变(A→B)及马氏体相变(A→M)等[11-12]。随着冷却速度的增加,奥氏体过冷度增大,临界形核自由能的下降使形核更加容易,因此铁素体、珠光体和贝氏体的转变温度不断降低[13],室温组织中铁素体、珠光体和贝氏体转变量先增加后快速降低,直至转变量达到零值。马氏体相变点(Ms)随着冷却速度的增加而升高,马氏体转变量和钢的硬度也随之不断增加。由于冷却过程中先共析铁素体析出和贝氏体转变引起周围奥氏体组织中碳含量增加[14-15],试验钢的马氏体相变起始点的右端不断降低。当冷却速度大于6.0 ℃/s时,Ms点稳定在365 ℃,连续冷却至室温时完全转变为马氏体组织。
图2 试验钢的实测CCT曲线Fig.2 Experimental CCT curves of the tested steel
在实测连续冷却曲线中,当冷却速度低于0.14 ℃/s时处于高温转变区,室温组织为铁素体和珠光体混合组织;当冷却速度为0.14～0.81 ℃/s时,主要为高温、中温复合转变区,室温组织由铁素体、珠光体和贝氏体组成;当冷却速度为0.81～1.62 ℃/s时,主要为高温、中温和低温三相复合转变区,室温组织为铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体;当冷却速度为4.05 ℃/s时,为中温、低温两相转变区,高温转变区消失,室温组织为贝氏体和马氏体;当冷却速度高于8.10 ℃/s时,为马氏体单相转变区,因此根据不同冷却速度控制组织形态,制定合适的热处理工艺,从而获得理想的室温组织满足性能要求。
2.3 不同冷却速度下微观组织的演变规律
图3为试验钢在不同冷却速度下的室温显微组织。由图3(a)可知,当冷却速度为0.06 ℃/s时,室温组织由白色块状铁素体和黑色块状珠光体构成,部分珠光体呈片层状分布。当冷却速度为0.14 ℃/s时,铁素体量及其尺寸降低,黑色块状珠光体量明显增加,同时观察到灰(褐)贝氏体的存在,见图3(b)。当冷却速度为0.28 ℃/s时,铁素体和珠光体量降低,贝氏体量增加,铁素体边界分布着黑色絮状珠光体,见图3(c)。当冷却速度为0.81～1.62 ℃/s时,铁素体和珠光体量进一步降低,冷却时以中温贝氏体转变为主,同时开始出现马氏体转变,室温组织为铁素体、珠光体、贝氏体和小块马氏体的混合组织,见图3(d,e)。当冷却速度增加至4.05 ℃/s时,铁素体与珠光体消失,室温组织主要由贝氏体和马氏体组成,见图3(f)。随着冷却速度达到8.10 ℃/s以上时,室温组织全部转变为马氏体,见图3(g～i)。
为了更加清晰地表征试验钢的组织演变规律,不同冷却速度冷至室温的SEM图如图4所示。可以看出,当冷却速度为0.06 ℃/s时,室温组织是块状铁素体和片层状珠光体的混合组织,见图4(a);当冷却速度为0.14 ℃/s时,铁素体和珠光体量减少,室温组织中出现条状贝氏体组织,见图4(b);当冷却速度为0.28 ℃/s时,珠光体组织不断减少,条块状贝氏体显著增多,见图4(c);当冷却速度为0.81～1.62 ℃/s时,出现少量块状马氏体,如图4(d,e);随着冷却速度增加至4.05 ℃/s,奥氏体的过冷度显著提高,原子扩散速度降低,抑制高温的铁素体和珠光体转变,在冷却过程中以中温贝氏体转变[16-17]和低温马氏体转变为主[18],见图4(f);当冷却速度进一步增大(8.10～40.5 ℃/s)时,冷至室温时合金原子来不及扩散[19],无法进行高温与中温转变,仅能以切变形式发生低温马氏体相变[20-21],形成完全马氏体组织,室温下清晰地观察到板条马氏体分布,如图4(g～i)。
图4 不同冷却速度下试验钢的SEM图Fig.4 SEM images of the tested steel under different cooling rates(a) 0.06 ℃/s; (b) 0.14 ℃/s; (c) 0.28 ℃/s; (d) 0.81 ℃/s; (e) 1.62 ℃/s; (f) 4.05 ℃/s; (g) 8.10 ℃/s; (h) 16.2 ℃/s; (i) 40.5 ℃/s
2.4 不同冷却速度对室温硬度的影响规律
试验钢在不同冷却速度下获得的微观组织和硬度见表2,根据表2数据绘制冷却速度与硬度之间的关系曲线,如图5所示。从图5中看出,当冷却速度小于4.05 ℃/s时,冷却速度-硬度曲线的斜率较大,硬度随着冷却速度的增加而快速上升。当冷却速度为0.06 ℃/s时,室温下形成的铁素体和珠光体的硬度较低,仅为195 HV5;当冷却速度为0.14～0.81 ℃/s时,室温下形成铁素体、珠光体和贝氏体的混合组织,试验钢的硬度为227～303 HV5;当冷却速度为0.81～1.62 ℃/s时,室温下形成铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体的混合组织,随着冷却速度的增加,铁素体和珠光体含量不断降低,贝氏体含量不断增加,同时出现少量马氏体组织,而且贝氏体转变时碳原子向邻近的奥氏体中富集而提高其稳定性[22],通过C、Mn、Si和Mo等合金元素的固溶强化来实现贝氏体组织的强化效果,试验钢的硬度迅速上升至355 HV5。当冷却速度为4.05 ℃/s时,钢中主要发生马氏体相变而形成了M+B组织,由于马氏体组织的硬度较高[23-24],冷至室温时硬度达到460 HV5;随着冷却速度的提高,马氏体转变量增加,当冷却速度为8.10 ℃/s时,室温下形成完全马氏体组织,硬度值达到501 HV5,随着冷却速度进一步提高,马氏体转变量基本稳定,硬度值也逐渐趋于平稳,呈小幅上升趋势,当冷却速度达到40.5 ℃/s时,硬度值仅小幅升高到515 HV5。
图5 不同冷却速度下试验钢的室温硬度Fig.5 Room temperature hardness of the tested steel under different cooling rates
表2 不同冷却速度下试验钢的微观组织与室温硬度Table 2 Microstructure and room temperature hardness of the tested steel under different cooling rates
1) 利用膨胀仪并结合金相-硬度获得新型槽帮钢的连续冷却转变(CCT)曲线,临界温度Ac1=730 ℃,Ac3=825 ℃,Ms=365 ℃,Mf=230 ℃。
2) 新型槽帮钢连续冷却降温过程中发生高温铁素体-珠光体转变、中温贝氏体转变和低温马氏体转变,随着冷却速度的增加,铁素体、珠光体、贝氏体先增加后降低,直至完全消失,最终形成完全马氏体组织。
3) 当冷却速度为0.06 ℃/s时,室温组织主要为铁素体和珠光体,硬度为195 HV5;当冷却速度为0.14～0.28 ℃/s,铁素体和珠光体减少,贝氏体不断增加,其硬度值为227～273 HV5;当冷却速度为0.81～1.62 ℃/s时,低温马氏体相变使显微硬度由303 HV5增加至355 HV5;当冷却速度达到4.05 ℃/s时,室温组织主要由贝氏体和马氏体组成,显微硬度迅速上升至460 HV5;当冷却速度为8.10～40.5 ℃/s时,试验钢仅发生低温马氏体转变,马氏体组织结构不断细化、均匀化,其显微硬度由501 HV5增大至515 HV5。
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