热处理工艺对830E卡车大梁母材组织影响研究

2014-01-01孙利

设备管理与维修 2014年2期

孙利

（神华准格尔能源有限责任公司设备维修中心内蒙古鄂尔多斯）

830E矿用卡车是美国小松公司生产的电动轮自卸卡车，此款卡车目前是神华准能黑岱沟露天煤矿剥离黄土的主要运输设备，由于坑下路况复杂，因此，小松公司在设计过程中广泛使用了集强度、硬度、耐磨性、抗疲劳性能于一体的Cr12MoV。由于坑下路况复杂再加上气候恶劣，因此，在日常使用过程中，卡车上的某些重要结构件容易开焊。本文主要研究热处理工艺对Cr12MoV钢组织及性能的影响。

一、理论依据-马氏体转变机理

钢经奥氏体化后超过一定的冷却速度冷却，抑制其扩散性分解，在较低的温度下发生的无扩散型相变为马氏体转变。这是过冷奥氏体的低温转变，要冷至上马氏体点Ms（奥氏体向马氏体转变的开始温度）以下。例如共析钢的Ms点约203℃。在这样低的温度下，不仅铁原子已无扩散能力，碳原子也难以扩散。

共析钢奥氏体向马氏体转变可表示为：A0.77%C面心立方→M0.77%C体心正方。显然，相变时只发生点阵重构，而无化学成分变化。在平衡状态下，体心立方结构的α-Fe中，碳的最大溶解度为0.0218%C，而马氏体保留了奥氏体中全部的碳量，所以马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，是一种单相的亚稳组织。

二、实验过程

1.实验材料及设备

（1）主要材料和试剂。主要材料Cr12MoV钢试样（长20 mm，宽8 mm，高8 mm的长方体）若干个。

试剂，4%HNO3酒精溶液，无水乙醇，苦味酸，洗洁精，抛光液和水。

（2）主要设备及仪器。UJ-α型直流电位差计；铂铑-铂热电偶；箱式电阻炉（型号SPJX-8-13）、KSY电炉温度控制器；箱式电阻炉（型号SX2-4-10）、KSD-K温度控制器；倒置式金相显微镜（OLYMPOS）；砂轮机；抛光机；砂纸若干张。

2.热处理工艺参数的确定

由于Cr12MoV钢中存在大量碳化物，且偏析严重，因此不同的热处理工艺对该钢的性能有很大的影响。通过预处理可以细化和均匀碳化物组织，为以后的热处理工艺提供基础。本实验对Cr12MoV钢制定了3个预处理工艺。

（1）球化退火。860 ℃×2 h→（炉冷）730 ℃×3 h→（炉冷）500℃→（空冷）室温。

（2）高温固溶淬火+高温回火。1100℃×40 min→（油冷）室温＋690 ℃×0.5 h+750 ℃×2.5 h→（炉冷）500 ℃→（空冷）室温。

（3）高温调质处理。1100℃×12 min→（油冷）室温+680℃×1 h→（空冷）室温+680 ℃×1 h→（空冷）室温。

3.球化退火预处理

实验采用的是一次球化法，此种退火工艺是目前生产上最常用的球化退火工艺，实际上是一种不完全退火。但由于其仅是一次加热，因而要求退火前的原始组织为细片状珠光体，不允许有网状渗碳体存在。这样，在加热稍高于Ac1的温度时，使残余奥氏体中只残存有尚未来得及溶解的渗碳体粒子或碳的富集区。在以后冷至低于Ar1的温度过程中，以这些渗碳体粒子或碳的富集区作为珠光体转变时的结晶核心，形成球状珠光体。因此，为了获得上述原始组织，一般在退火前要进行一次正火处理。

加热温度对碳化物的球化影响很大。加热温度越高，奥氏体越容易出现片状珠光体，而且不易球化，因此选择860℃加热。

在加热温度下的保温时间，对球化退火有与加热温度类似的影响。延长保温时间，使奥氏体中碳浓度趋于均匀，故会使片状珠光体出现，但其影响要比温度的作用弱得多。一般球化退火保温时间为2～4 h左右，因此本实验选择了2 h。

加热后，在Ar1点附近的冷却速度也很重要。随着冷却速度增大，碳化物的直径减小。冷却速度过大，珠光体转变温度过低，会出现片状组织，故一般球化退火的冷却速度应该控制在20℃/h为了缩短球化退火总过程的时间，可采用在700℃附近的等温退火的工艺，等温时间为5～10 h。合金元素较多的钢，奥氏体稳定性较大，宜采用较长的等温时间。但是本实验中的试样较小，所以在730℃只保温3 h。

4.高温固溶淬火+高温回火

固溶处理是为了溶解基体内碳化物、γ＇相等以得到均匀的过饱和固溶体，便于时效时重新析出颗粒细小、分布均匀的碳化物和γ＇等强化相，同时消除由于冷热加工产生的应力，使合金发生再结晶。其次，固溶处理是为了获得适宜的晶粒度，以保证合金高温抗蠕变性能。固溶处理的温度范围大约在980～1250℃，主要根据各个合金中相析出和溶解规律及使用要求来选择，以保证主要强化相必要的析出条件和一定的晶粒度。对于长期高温使用的合金，要求有较好的高温持久和蠕变性能，应选择较高的固溶温度以获得较大的晶粒度；对于中温使用并要求较好的室温硬度、屈服强度、拉伸强度、冲击韧性和疲劳强度的合金，可采用较低的固溶温度，保证较小的晶粒度。高温固溶处理时，各种析出相都逐步溶解，同时晶粒长大。对于过饱和度低的合金，通常选择较快的冷却速度；对于过饱和度高的合金，通常为空气中冷却。

5.高温调质预处理

调质预处理的目的在于改善金属组织，获得均匀细小的碳化物颗粒，减少网状和片状碳化物析出及其它缺陷等，为模具成形后减少变形、防止开裂，防止模具在服役中失效有很好的作用。上述工艺中有较高的淬火加热温度有利于小块状碳化物的溶解和大块状碳化物尖角形态的改变，减缓和减轻了碳化物数量多和呈尖角形态时易造成应力集中的不利影响，降低了模具的脆性、增加了模具的韧度；调质处理之后由于不要求获得索氏体组织及性能，故回火温度可高于正常回火温度，以利于精加工成形。

将经上述3种热处理工艺后磨制成金相的试样置于OLYMPUS晶相显微镜下观察，比较其组织中碳化物大小及分布，在它们当中确定一种合理的预处理工艺。

三、实验结果与分析

1.试样的原始组织

试样名称Cr12MoV；编号YS；热处理经过，原始态；浸蚀剂4%HNO3酒精溶液；放大倍数400X；组织，P+碳化物。从金相照片中可以发现，原始组织中含有大量的共晶碳化物，可能是由于锻压的原因而呈一个方向排列。

2.预处理后的组织比较

图1 原始态组织

图2 球化退火组织

图3 高温固溶淬火+高温回火组织

图4 高温调质处理组织

（1）球化退火后的组织，试样名称Cr12MoV；编号1A；热处理经过，球化退火；浸蚀剂4%HNO3酒精溶液；放大倍数400X；组织，S+碳化物。

（2）高温固溶淬火+高温回火后的组织。试样名称Cr12MoV；编号1B；热处理经过，高温固溶淬火+高温回火；浸蚀剂，4%HNO3酒精溶液；放大倍数400X；组织，S回火+碳化物。

（3）高温调质处理。试样名称Cr12MoV；编号1C；热处理经过，高温调质处理；浸蚀剂，4%HNO3酒精溶液；放大倍数400X；组织，S回火+碳化物。

上述3张金相照片是由不同种预处理工艺后得到的组织。由图可见，经（1）和（2）两种工艺处理后，碳化物颗粒细小，分别均匀弥散。（3）工艺得到的碳化物也很细小，但与（1）和（2）两种工艺相比较，碳化物的分布效果不很理想。对（1）和（2）两种工艺的晶相组织比较后发现，（2）工艺的球化效果更好。这是因为（2）工艺奥氏体化温度较高，碳化物溶解充分，其大小、形态、分布有所改善，而且（2）工艺奥氏体化后是按淬火方式冷却，这样就能形成许多晶体缺陷及亚结构，并形成了热应力，这些都有利于碳化物的高度弥散析出，使球化过程加速。（3）工艺和（2）工艺相比较，前者回火温度较低且时间较短，碳化物析出不充分，因而分布效果不如（2）工艺好。故为达到较好的球化效果，选用（2）工艺比较合适。