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核心运输设备,也是使用量最大和消耗最多的设备[1-2]。中部槽是刮板输送机的关键部件,不仅是工作面落煤运输的主要通道,还是整个输送机的主要受力部位[3-4],其在综采过程中受到冲击、弯曲、拉压、震动及磨损等作用[5-6],复杂多变的服役环境要求中部槽必须具有足够的强度、硬度、耐磨性和良好的韧性[7],同时具备一定的耐蚀性[8]。中部槽由中板与槽帮两部分组成,中板通常采用耐磨钢,而传统槽帮材为铸钢ZG30MnSi,其抗拉强度≥850 MPa,屈服强度≥720 MPa,伸长率≥10%,室温V型缺口冲击吸收能量≥25 J[9],该槽帮钢的强韧性已无法满足现代刮板输送机的要求。

通过优化成分和热处理控制可以提升槽帮钢的强韧性,如优化C、Si、Mn配比或加入微量Cr、Mo、V等合金元素,同时辅以合适的热处理工艺实现槽帮钢综合性能的提升,从而达到提高刮板输送机应用性能的目的。本文通过Cr、Mo微合金化设计槽帮试验钢,利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、拉伸、冲击试验机、布氏硬度计等对槽帮试验钢不同热处理下的组织性能进行测试表征,分析槽帮钢热处理过程中的组织演变及力学性能变化规律,为新型槽帮钢的工业生产提供一定试验和理论支持。

1 试验材料和方法

槽帮试验钢经中频感应炉冶炼,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。

表1 槽帮钢的化学成分(质量分数,%)

将铸造件正火处理后线切试样,随后在900～920 ℃淬火30 min后水冷,450～550 ℃回火2 h,加工成φ5 mm×65 mm标准拉伸试样和10 mm×10 mm×55 mm(V型缺口)夏比冲击试样,利用MTS880拉伸试验机和JBN-300B摆链式冲击试验机进行拉伸冲击测试,采用TH608布氏硬度计测量试样表面3点硬度并取平均值;利用JEOL JSM 7200F扫描电镜进行微观组织和断口形貌观察。

2 试验结果与分析

2.1 热处理工艺对微观组织的影响

图1为ZG-1试验钢经900、920 ℃淬火30 min水冷、不同温度回火后的微观组织。可以看出,900 ℃淬火、450 ℃回火后,淬火马氏体已完全分解,但部分组织仍保留着板条或针状的特征,同时碳化物转变为粒状渗碳体,室温下形成α相和渗碳体组成的回火屈氏体[10],如图1(a)所示;随着回火温度的升高,马氏体的位错开始多边化而形成亚晶粒,α相出现回复或再结晶,板条或针状结构向等轴晶转变[11-12],同时粒状渗碳体不断聚集长大,室温下形成α相和渗碳体组成的回火索氏体,见图1(b～d)。当淬火温度提高到920 ℃时,在不同温度回火后组织转变与900 ℃淬火时基本一致,450 ℃回火后板条或针状组织有所增加,500 ℃以上回火后板条或针状特征完全消失,形成的回火索氏体结构更加均匀,见图1(e～h)。

图1 ZG-1试验钢经不同温度淬火和回火后的显微组织

图2为ZG-2试验钢经900、920 ℃淬火30 min水冷、不同温度回火后的微观组织。从图2可看出,ZG-2试验钢淬回火过程中的组织演变规律与ZG-1试验钢基本一致,经450～550 ℃回火后组织结构由回火屈氏体向回火索氏体过渡,由于Mo的加入,奥氏体化保温时基体固溶度增加,过冷奥氏体稳定性提高,试验钢的C曲线右移且Ms点降低,淬火后马氏体多且稳定性高,而且添加Mo促进含Mo碳化物弥散析出,抑制碳化物聚集长大,细化晶粒尺寸,同时延缓马氏体分解和α相回复再结晶,因此ZG-2试验钢经不同温度回火后板条组织更加明显,碳化物含量多,尺寸小且分布更均匀。

图2 ZG-2试验钢经不同温度淬火和回火后的显微组织

2.2 热处理工艺对力学性能的影响

ZG-1和ZG-2试验钢经不同温度淬火、回火后的工程应力-工程应变曲线如图3所示。可以看出,在不同温度淬火、回火时,两种试验钢的工程应力-工程应变曲线的变化趋势基本一致,在拉伸过程中存在明显的屈服平台,回火温度越高,屈服平台越宽,这主要是溶质原子钉扎位错引起的[13-14]。随着回火温度的升高,试验钢的强度不断降低,断后伸长率不断升高,淬火温度对回火后强度与塑性的影响不明显。ZG-2试验钢的强度更高,而ZG-1试验钢的塑性更好。

图3 不同淬火和回火温度下ZG-1试验钢(a,b)和ZG-2试验钢(c,d)的应力-应变曲线

图4为试验钢经900 ℃和920 ℃淬火30 min水冷、不同温度回火后的力学性能。从图4(a,b)可以看出,随着回火温度的升高,试验钢的抗拉强度与屈服强度不断降低,而断后伸长率和断面收缩率不断提高。当回火温度为450 ℃时,由于淬火马氏体完全分解、碳化物析出及渗碳体形成,ZG-1试验钢的抗拉强度与屈服强度为1134 MPa 和1076 MPa,当回火温度提高到500 ℃以上时,α相回复再结晶及渗碳体聚集长大[15],固溶强化和析出强化作用进一步减弱,ZG-1试验钢的抗拉强度与屈服强度由500 ℃回火时的999 MPa和931 MPa下降至550 ℃回火时的920 MPa和840 MPa;而ZG-2试验钢中Mo元素细化了组织结构,提高了钢的淬透性和回火稳定性[16],促进含Mo碳化物析出、抑制碳化物聚集长大[17-18],因此在回火过程中仍具有较高的固溶强化、析出强化和细晶强化作用,特别是高温回火时更明显,ZG-2试验钢的强度明显高于ZG-1试验钢,随着回火温度的升高,抗拉强度与屈服强度由450 ℃回火时的1158 MPa和1107 MPa逐渐下降至550 ℃回火时的964 MPa和894 MPa,如图4(a)所示。而ZG-1试验钢的断后伸长率和断面收缩率略高于ZG-2试验钢,在450～550 ℃回火时,ZG-1试验钢的断后伸长率由11.8%提高到17.3%,断面收缩率由44%提高到54%;ZG-2试验钢的断后伸长率由11.8%提高至15.5%,断面收缩率由42%提高到46%,如图4(b)所示。

图4 试验钢经900 ℃(a,b)和920 ℃(c,d)淬火30 min和不同温度回火后的力学性能

由图4(c,d)可知,920 ℃淬火后试验钢力学性能的变化与900 ℃淬火时一致,因此淬火温度对回火后的力学性能影响不明显,两者性能相差不大。随着回火温度的升高,ZG-1试验钢的抗拉强度和屈服强度由1126 MPa和1066 MPa逐渐降至924 MPa和843 MPa,断后伸长率由12.8%提高到17.3%,断面收缩率由40%提高到50%;ZG-2试验钢的抗拉强度和屈服强度由1159 MPa和1106 MPa逐渐降至965 MPa和895 MPa,断后伸长率由13.8%提高到15.5%,断面收缩率由49%提高到51%。

图5为试验钢经900、920 ℃淬火、不同温度回火后的硬度和冲击性能。由图5可以看出,随着回火温度的升高,试验钢的室温硬度不断下降,而冲击吸收能量呈连续上升趋势。在900 ℃淬火、450～550 ℃回火时,ZG-1试验钢的室温硬度由331 HBW下降至269 HBW,冲击吸收能量由52.0 J上升至70.5 J,而ZG-2试验钢的室温硬度由336 HBW下降至283 HBW,冲击吸收能量由45.5 J上升至68.5 J,如图5(a)所示。当淬火温度从900 ℃提高到920 ℃时,试验钢的室温硬度仅有小幅波动,ZG-1试验钢的室温硬度由333 HBW下降至274 HBW,冲击吸收能量由53.5 J提高至69.0 J;而添加Mo使得碳化物形核位置增加,碳化物析出增多、尺寸细化且不易聚集长大,在回火过程中碳化物的弥散强化可抵消基体的回复软化[19-20],因此ZG-2试验钢的室温硬度缓慢下降,特别是高温回火阶段的回火抗力更加明显,试验钢的室温硬度由338 HBW逐渐下降至286 HBW;此外添加Mo细化了奥氏体晶粒,淬回火后微观组织更加细小均匀。ZG-2试验钢经920 ℃淬火、不同温度回火后的冲击性能优于900 ℃淬火,ZG-2试验钢经920 ℃淬火、450～550 ℃回火后冲击吸收能量由45.5 J提高至71.0 J,如图5(b)所示。

图5 试验钢经不同温度淬火和回火后的硬度和冲击吸收能量

ZG-1和ZG-2试验钢经900、920 ℃淬火30 min、不同温度回火后的冲击断口形貌分别如图6和图7所示。可以看出,两种试验钢的冲击断口以韧性断裂为主,回火温度越高,韧窝数量越多,韧窝越大越深。当回火温度为450 ℃时,ZG-1试验钢的室温组织为α相和渗碳体组成的回火屈氏体,断口形貌中韧窝较多,局部存在少量的解理平台,如图6(a, d)所示;由于Mo元素的加入,ZG-2试验钢的强度与硬度明显提高,而冲击性能小幅下降,断口形貌中存在较多的解理平台,如图7(a, d)所示。随着回火温度升高至500 ℃以上,室温组织由回火屈氏体过渡为回火索氏体,两种试验钢断口形貌中韧窝数量明显增加,而且韧窝大而深,试验钢的冲击性能明显提升,断口为韧性断裂。

图6 ZG-1试验钢经不同温度淬火和回火后的冲击断口形貌

图7 ZG-2试验钢经不同温度淬火和回火后的冲击断口形貌

综合分析热处理后的组织和性能可知,ZG-1试验钢经900、920 ℃淬火、500 ℃回火后可获得较高的综合性能,抗拉强度999～1002 MPa,屈服强度931～933 MPa,断后伸长率15.0%～14.0%,室温硬度296～298 HBW,冲击吸收能量61.0～63.0 J。而添加Mo、Cr提高了淬透性和回火稳定性,细化了组织结构,改变了碳化物类型、尺寸及分布,因此ZG-2试验钢的综合力学性能得到了显著提高,920 ℃淬火、500～520 ℃回火后获得良好的强韧性匹配,抗拉强度1039～1011 MPa,屈服强度981～947 MPa,断后伸长率15.0%～15.3%,室温硬度305～298 HBW,冲击吸收能量64.5～67.5 J。

3 结论

1) 添加Cr、Mo等合金元素提高了槽帮钢的淬透性和回火稳定性,细化了组织,促进碳化物析出并抑制碳化物聚集长大,不同温度淬、回火后槽帮钢的微观组织更加均匀、细化。

2) 通过Cr、Mo等元素微合金化使槽帮钢的强韧性匹配得到明显改善,随着回火温度的升高,两种试验钢的强度与硬度不断降低,塑性和韧性呈连续上升趋势。

3) ZG-1试验钢经900、920 ℃淬火、500 ℃回火后的抗拉强度为999～1002 MPa,屈服强度931～933 MPa,断后伸长率15.0%～14.0%,室温硬度296～298 HBW,冲击吸收能量61.0～63.0 J;ZG-2试验钢经920 ℃淬火、500～520 ℃回火时获得更优的强韧性匹配,抗拉强度1039～1011 MPa,屈服强度981～947 MPa,断后伸长率15.0%～15.3%,室温硬度305～298 HBW,冲击吸收能量64.5～67.5 J。