挖掘机斗齿用新型低合金耐磨钢热处理工艺参数的研究

挖掘机斗齿用新型低合金耐磨钢热处理工艺参数的研究
摘要:研究了挖掘机斗齿用的新型低合金耐磨钢，利用淬火+C配分（Q&P）工艺进行了钢的热处理。

利用Jmatpro软件模拟和奥氏体晶界侵蚀试验确定了奥氏体化温度。

采用JSM-5610LV 扫描电镜、JB-300B冲击试验机和D8ADVANCEX射线衍射仪等手段，研究了等温淬火温度。

配分温度对低合金耐磨钢组织和力学性能的影响，并分析了等温淬火温度对残留奥氏体含量的影响规律。

结果表明：在试验条件下适宜的热处理工艺参数是：奥氏体化温度为870℃，等温淬火温度为320℃，配分温度为400℃；残留奥氏体含量在等温淬火温度为320℃时达到最大的体积分数（7.1%）。

关键词：挖掘机斗齿；淬火+C配分(Q&P)工艺；力学性能；残留奥氏体
挖掘机是一种多用途土石方施工机械，斗齿是挖掘机与挖掘介质直接接触的重要零部件。

挖掘机工作时，斗齿不但存在严重的磨料磨损，同时还要承受一定的冲击载荷，所以斗齿的寿命往往很短，消耗量巨大。

目前，国内外对提高挖掘机斗齿寿命的常规途径主要集中在斗齿构形及排布的优化设计、斗齿材料的改进、挖掘机轨迹优化及动力学模型的优化，而对斗齿材料硬韧性改进的热处理工艺研究相对较少。

为此，本文根据实际工况和具体性能要求，对斗齿用钢的热处理工艺进行研究。

依据Speer等基于奥氏体的TRIP效应提出的淬火+C配分
（Q&P）工艺，制定了热处理工艺参数，并获得具有良好硬韧性配合的斗齿用钢。

1试验材料
试验材料选用某厂生产的斗齿。

将其按GB/T-229-2007相关要求加工成10mm×10mm×55mm的冲击试样。

使用SPECTROMAXx直读光谱仪与型号为Quanta450FEG场发射扫描电子显微镜进行成分分析，经多次测试取其平均值，化学成分如表1所示。

2试验方法
试验热处理采用Q&P工艺路线（图1）。

图中TA、TQ、Tp、PT分别为奥氏体化温度，淬火温度、配分温度、配分时间。

试样奥氏体化处理后，立即淬入温度在Mf～Ms的盐浴炉中进行等温淬火，等温适当时间。

然后放入温度高于Ms的盐浴炉中进行C配分回火处理，最后水冷至室温。

2.1奥氏体化温度的确定
奥氏体晶粒的大小对金属材料的力学性能和工艺性能有很大影响，晶粒越细小，性能越好。

奥氏体晶粒长大速率随加热温度升高呈指数关系增加，因此，本研究采用JmatPro软件模拟、经验公式计算和正火试验的方法确定钢的奥氏体化加热温度。

试验钢经JmatPro软件模拟计算得到的温度-相平衡图如图2所示。

由图2可见，在小于810℃时，钢中组织主要由铁素体和渗碳体组成，当温度达到810℃时，相图中曲线产生突变，组织由铁素体和渗碳体转变为奥氏体，且温度810℃时奥氏体转变完成，转变量为99.99%。

因此，其奥氏体化临界温度A3为810℃。

依据钢的热处理工艺设计经验公式计算Ac3：
Ac3=910-320C-14Ni-12Cu-10Mn+5Cr+7W+14Mo+18Si+5V
式中元素为质量分数。

根据公式计算出钢Ac3为825℃。

实际Ac3一般比临界点A3温度高20℃，钢的奥氏体化加热温度一般比实际加热时，奥氏体完成转变的临界温度Ac3高30~50℃或更高。

因此，正火试验选择860、870、880℃。

其正火工艺保温30min，最后取出空冷。

使用正火工艺根据奥氏体晶粒大小来确定合适的奥氏体化温度，正火处理后使用9g苦味酸，6g十二烷基苯磺酸钠，适量餐具洗洁精加水配制成100ml浸蚀剂，具体工艺为：侵蚀温度70℃，侵蚀时间40s。

可用该浸蚀剂侵蚀原奥氏体晶界。

本文钢的组织使用JSM-5610LV扫描电镜测试。

图3为加热温度对晶界的影响袁图中黑色团状为石墨杂质。

当加热温度860℃时，晶界线较浅，晶粒稍大；当温度为870℃时，晶粒较细，晶界线清晰；当温度为880℃时，晶粒逐渐增大。

奥氏体化温度优选为870℃。

2.2等温淬火温度与碳配分温度的选择
钢的马氏体转变开始温度（Ms）反映了过冷奥氏体开始发生马氏体转变时的最高温度，对工件热处理工艺的制定有很大影响，在生产中有重要意义。

本研究采用热膨胀试验、JmatPro软件模拟和经验公式计算的方法确定钢的Ms点。

从斗齿铸件中截取准6mm×55mm的圆柱试样，使用3500C-10/1HS75GleebleSystem热力试验机得出试验钢在快速冷却时膨胀量随温度变化曲线。

它是利用钢在相变时体积发生膨胀或收缩的原理来确定钢的转变温度。

如图4所示，由于奥氏体的比热容大于马氏体的比热容，当钢的奥氏体转变为马氏体时发生体积突变，随温度降低膨胀量不断降低袁在膨胀曲线上出现拐点，这个拐点所对应的温度就是Ms点。

由热膨胀试验结果可知Ms点为350℃。

等温淬火温度直接决定了碳配分过程中马氏体和未转变奥氏体的体积分数。

在冷却过程中，马氏体相变属于非扩散型相变，马氏体转变量计算采用
KoistinenMarburge公式：
f M（T）=1-exp[-k(Ms-T)]
式中f M(T)为马氏体体积分数；Ms为马氏体开始转变温度；T为初始淬火温度；k为常数，取k=0.011。

通过KoistinenMarburge公式计算可知，产生10%、30%、50%、70%、90%马氏体量所对应的温度分别是Ms-10℃、Ms-30℃、Ms-55℃、Ms-110℃、Ms-210℃。

因此，本文选取340、320、295、240、140℃作为等温淬火温度，淬火时间为1min。

在Q&P工艺各参数中，配分温度对试样的性能影响很大，徐祖耀等通过理论计算表明，在400℃以下碳原子在两相之间的扩散非常迅速，因此配分温度选择360、380、400、420、440℃。

最终确定试验方案为：先将试样加热至870℃，并保温
30min，然后等温淬火至不同的温度（140、240、295、320、340℃）保温1min，随后升温至不同的配分温度（360、380、400、420、440℃）进行碳配分处理并保温1min，最后水冷至室温。

热处理后在JB-300B自动冲击试验机和HRS-150型数显洛氏硬度计上进行冲击试验和硬度测试，然后将试样粗磨尧细磨、抛光、用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在JSM-5610LV扫描电镜上进行微观组织观察，利用D8ADVANCEX射线衍射仪分析残留奥氏体含量。

3试验结果与分析
3.1不同等温淬火温度对组织性能的影响
试样经不同等温淬火温度处理的力学性能如图5所示（配分温度为400℃）。

随着等温淬火温度的升高，冲击韧性先升高后下降，硬度先下降后升高，在等温淬火温度为320℃时，冲击韧性达到最高，硬度最低。

经不同等温淬火温度Q&P工艺处理的试样微观组织如图6所示。

等温淬火温度的高低，决定了等温淬火生成的马氏体含量，亦决定了未转变过冷奥氏体的含量。

在等温淬火温度较低时，马氏体转变量较多。

只有少量的未转变奥氏体经过碳配分处理稳定下来，如图6（a）所示，其微观组织为回火态板条马氏体组织，硬度较高而韧性较低。

随着等温淬火温度的升高，微观组织中块状组织的数量和尺寸逐渐增大（图6（b）），当等温淬火温度为320℃时，马氏体转变量与未转变过冷奥氏体量适中，碳配分效果明显，此温度下韧性达到最高，硬韧性配合最佳。

当等温淬火温度为340℃时，只得到少量的马氏体，因此碳配分效果不明显，从而导致稳定至常温的残留奥氏体量减
少，马氏体量增加（图6（c），组织中马氏体含量明显多于320℃时，使得硬度升高而韧性降低。

3.2不同碳配分温度对组织性能的影响
试样经不同配分温度的力学性能如图7所示（等温淬火温度320℃）。

随着等温淬火温度的升高，冲击韧性先升高后降低，硬度先降低后升高，在400℃时，冲击韧性达到最高，硬度最低。

不同配分温度下试样的微观组织如图8所示（等温淬火温度320℃)。

随着配分温度的升高，碳原子扩散速度增加，碳原子从马氏体向残留奥氏体转移的量增多，增加了残留奥氏体的稳定性，使更多残留奥氏体稳定至室温。

配分温度为360℃时，组织中能看到明显的板条马氏体：当配分温度为400℃时，马氏体量减少，同时有少量的针状马氏体分布：配分温度升高到440℃后，碳原子的活动能力增加，能够进行长距离扩散，这时析出碳化物，马氏体发生连续分解袁其板条尧针状形貌变得模糊，钢中残留奥氏体碳含量大大降低，反而导致冷却室温过程中残留奥氏体含量减小。

当配分温度为400℃时，淬火得到的残留奥氏体在该温度下稳定到室温的含量最大，此温度下硬韧性配合最佳。

3.3等温淬火温度对残留奥氏体量的影响
采用D8ADVANCEX射线衍射仪测残留奥氏体含量，图9为残留奥氏体的X射线衍射谱。

选取奥氏体γ（111）、γ（200）、γ（220）3条衍射线，当等温淬火温度为140℃时，图谱中并没有明显的奥氏体波峰，说明当淬火至140℃时，奥氏体已基本转变为马氏体，仅含有极少量的残留奥氏体。

利用Jade软件分别计算不同等温淬火温度下残留奥氏体体积分数如图10所示。

随着等温淬火温度的升高，残留奥氏体含量先上升后下降遥等温淬火温度为320℃时，残留奥氏体含量最高，含量在7.1%，说明在320℃时能获得适量的马氏体与未转变奥氏体，以获得较好的配分效果，最终得到较多的能稳定到室温的残留奥氏体。

4结论
（1）当奥氏体化温度860℃时，晶界线较浅，晶粒稍大；当温度为870℃时，晶粒较细，晶界线清晰；当温度为880℃时，晶粒较之870℃增大。

因此，奥氏体化温度选择870℃。

（2）随着等温淬火温度的升高，试样的硬度先降低后升高，冲击韧性先升高后降低，在320℃时硬韧性配合最佳。

随着配分温度的升高，试样的硬度先降低后升高，冲击韧性先升高后降低。

（3）残留奥氏体含量随等温淬火温度的升高先升高后降低，残留奥氏体含量在320℃达到最大的体积分数（7.1%）。

（4）当等温淬火温度为320℃、配分温度为400℃时，试样钢获得最佳硬韧性配合。