随着煤炭工业的发展和技术进步 ,综合采煤机已普遍应用于各大煤矿。采煤机每年要消耗大量配件 ,其中消耗最大的就是截齿。目前我国截齿每年用量约为 5 0 0万把 ,齿柄材料多为 3 5 Cr Mn Si,并采用盐浴炉等温淬火处理。因此 ,原材料价格高、生产工艺复杂、费用高、耗能大、污染厉害 ,并严重危害工人健康。针对 3 5 Cr Mn Si截齿的缺点 ,清华大学材料科学与工程系研制了截齿用新型高硅空冷低碳贝氏体钢。这种新型贝氏体钢 ,以富有的普通元素锰、硅及微量硼合金化 ,不含有钼或钨等贵重元素 ,具有价格低的优点<1～ 3 > ;由于合金元素 Mn能显著降低贝氏体转变温度 ,有利于获得高强韧性的贝氏体或贝氏体 +马氏体复相组织 ,可提高截齿性能 ;同时 ,新型高硅空冷低碳贝氏体钢截齿采用空冷硬化 ,可简化生产工艺 ,减少污染并降低成本。本文阐述了新型高硅空冷低碳贝氏体钢成分设计原则、研究了其空冷特性、微观组织结构和力学性能 ,并测定了用其制造的截齿的力学性能和使用性能。结果表明 ,新型高硅空冷低碳贝氏体钢具有良好的空冷硬化特性和优良的力学性能 ,用其制造的截齿的各项指标均达到或超过了技术标准中的要求1 新型高 Si低碳空冷贝氏体钢的成分设计为了在空冷条件下获得贝氏体组织 ,避免发生先共析分解 ,必须通过合金化对钢的等温转变曲线(TTT曲线 )或连续转变曲线 (CCT曲线 )进行改造 ,使得钢的先共析转变孕育期显著加长 ,贝氏体转变孕育期相对变短。为了改造钢的转变动力学曲线 ,前人多采用加钼或钨合金化 ,并发展了 Mo- B系、W- B系等贝氏体钢 <1,2 > 。但钼、钨等元素在地球上储量少 ,价格昂贵 ,使得 Mo- B系、 W- B系等贝氏体钢在工业生产中的大量广泛应用受到很大的限制。新型 Mn- B系空冷贝氏体钢 ,以一定的锰量和微量的硼合金化 ,在很宽的冷速范围内可获得性能优良的贝氏体或贝氏体 /马氏体复相组织。为了进一步提高 Mn- B系空冷贝氏体钢的空冷淬透性和韧性 ,除保持原有的合金元素 Mn、 B外 ,提高了元素 Si的含量 ,成分设计如下 (1 0 0× w,w为质量分数 ) :C为 0 .1 9～ 0 .2 7,Mn为 2 .0～ 4.0 ,B为 0 .0 0 1 5～ 0 .0 0 3 ,Si为 0 .7～ 1 .6。碳是决定钢硬度的主要元素。在一定的范围内 ,碳量越高 ,空冷淬透性越高 ,空冷后的硬度也越高。但碳量过高也会严重地降低钢的韧性 ,为了保证硬度 HRC不小于 42和冲击韧性 αk 不小于 5 0 J/cm2 ,选择 w C为 0 .1 9%～ 0 .2 7%。锰在一定的条件下能够显著地推迟高温转变 ,提高钢的贝氏体组织的淬透性 ,并使 TTT曲线和 CCT曲线上出现河湾 ;B元素可强烈地提高钢的淬透性。合金元素 Si可使钢的 TTT或 CCT曲线向右下方移动和提高钢的贝氏体淬透性和韧性。在中温转变区 ,贝氏体中片状铁素体的长大是由片条宽面上存在的小台阶测向迁移完成的。小台阶的阶面具有非共格属性 <4 > ,在台阶阶面的迁移过程中 ,大量的碳原子向阶面附近的基体奥氏体中扩散 ,当阶面处碳原子富积到一定程度后 ,扩散被阻 ,铁素体的长大停止。由于此时阶面处富碳 ,而且非共格的台阶阶面可提供额外形核驱动力 ,因而碳化物将在阶面处形核 ,然后向奥氏体中长大。由此可见 ,贝氏体相变过程的实质是贝氏体铁素体和贝氏体碳化物两者竞相形核长大的过程<5> 。由于 Si是非碳化物形成元素 ,几乎不溶于碳化物 ,因而碳化物在台阶的阶面处形核前 ,首先必须预先完成 Si由阶面附近向奥氏体或铁素体内的扩散迁移。而 Si是一种置换型原子 ,在中、低温下这种置换型原子的扩散速度相当慢 ,从而使碳化物形核、长大速度减慢。由于铁素体和碳化物两者是交替形核长大 ,碳化物形核、长大速度的减慢相应地也使铁素体片条长大速度减慢 ,从而导致了过冷奥氏体转变减慢 ,贝氏体孕育期增长 ,TTT或CCT曲线向右下方移动 ,钢的空冷淬透性和韧性提高 <3～ 6>。在上述设计的成分范围内 ,C,Mn,Si分别控制在下述范围内 ,w C:± 0 .0 4 % ,w Mn:± 0 .2 % ,w Si:± 0 .2 %。此钢经 1 1 6 3 K奥氏体化后空冷 ,即可获得具有良好的高硬度、高韧性配合的贝氏体或贝氏体 /马氏体复相组织 ,其 CCT曲线如图 1所示。图 1 新型高 Si低碳空冷贝氏体钢的 CCT曲线2 新型高 Si低碳空冷贝氏体钢的组织和性能2 .1 空冷后的显微组织和精细结构新型高硅低碳空冷贝氏体钢的不同截面尺寸试样经 1 1 6 3 K奥氏体化后空冷后的光学显微组织见图 2。可以看出 ,1 0 mm× 1 0 mm× 1 0 0 mm试样为下贝氏体与马氏体复相组织 ;3 0 mm× 3 0 mm×1 0 0 mm的试样为粒状贝氏体与下贝氏体组织 ;而6 0 mm× 6 0 mm× 1 0 0 mm试样则几乎全部贝氏体为粒状。图 3为低碳贝氏体钢空冷试样的透射电镜照片 ,可以看出在贝氏体针中有碳化物析出。2 .2 空冷后的硬度及冲击韧性新型高硅低碳空冷贝氏体钢不同尺寸试块空冷后的硬度及冲击韧性 (梅氏 U形试样 )见表 1。可以看出 ,硬度随着新型高硅低碳空冷贝氏体钢的横截面的增大而减小 ,但是由于新型高硅低碳空冷贝氏体钢有较强的空冷淬透性 ,所以 ,在试块的横截面积为 6 0 mm× 6 0 mm时 ,空冷后硬度 HRC仍可达 40以上 ,而 3种试块的冲击韧性αk 都在 70 J/cm2 以上。这表明 ,新型高硅低碳空冷贝氏体钢空冷后有良好的强韧性配合 ,是制造截齿齿柄的理想材料图 2 不同截面尺寸的贝氏体钢经 116 3K空冷后的光学显微组织 (放大倍数均为 5 0 0倍 )图 3 低碳贝氏体钢空冷试样的的精细结构(放大倍数为 2 0 0 0 0倍 )2 .3 回火后的硬度和冲击韧性新型高硅低碳空冷贝氏体钢不同尺寸试样经不同温度回火后的硬度及冲击韧性见表 1。可以看出 ,空冷硬化后的新型低碳贝氏体钢试块 ,经 473 K回火后 ,与未回火试样相比 ,硬度略有下降 ,而冲击韧性略有上升。表 1 新型高 Si低碳空冷贝氏体钢的硬度和冲击韧性试块尺寸m m× mm× mm 处理工艺 HRC αk J.cm- 210× 10× 10 0
空冷 48.0 78.2473K回火 47.380 .530× 30× 10 0 空冷 43.5 81.0473K回火 42 .881.46 0× 6 0× 10 0 空冷 41.0 70 .0473K回火 39.5 81.93 新型高硅低碳空冷贝氏体钢截齿的性能3 .1 工艺性能新型高硅低碳空冷贝氏体钢截齿的生产工艺为 :下料→锻造→高温回火→机加工→焊接合金刀头→空冷→低温回火。由于最终采取了箱式炉加热和空冷 ,免除了盐炉等温淬火 ,不仅节约了能源 ,降低了成本约 1 0 % ,同时减小了污染给工人健康和环境带来的危害。3 .2 力学性能抽样检查的新型高硅低碳空冷贝氏体钢截齿的力学性能结果列于表 2～ 4。由表中数据及所列技术要求可以看出 ,其硬度、
冲击韧性、抗弯强度均达到或超过了规定标准。表 2 硬度试验结果 (HRC)试样编号齿尖距齿尖 30 m m处B1 47 45B2 47 45B3 46 45B44 846B54 846B64 7 45 技术要求 <7> :硬度≥ 42 HRC表 3 静弯负荷试验结果试样编号支点距离 / m m 破断载荷 / k NB1 6 5 46 0B2 6 5 44 5B3 6 5 431 技术要求 <7> :破断载荷≥ 2 0 6 k N表 4 冲击韧性试验结果试样编号 试样断面尺寸m m× mmAKJαk J.cm- 2B41 8.0 4× 10 .0 85 2 .0 6 4.2B42 8.0 2× 10 .0 2 5 6 .470 .2B51 7.96× 10 .0 6 5 6 .470 .2B51 8.0 1× 10 .0 45 9.0 73.7B61 8.0 6× 10 .0 44 5 .0 5 5 .6B62 7.98× 10 .0 6 5 1.2 6 3.8 技术要求 <7> :αk≥ 5 0 J.cm- 23 .3 使用性能新型高硅低碳空冷贝氏体钢截齿在某煤矿进行了工业性试验 ,试验条件及结果如下 :煤质硬度 f 值 3～ 4;煤层厚度为 3 .2 9m;采煤机为 MG2× 3 0 0型双滚筒采煤机。试验结果为 :新型高硅低碳空冷贝氏体钢截齿万吨耗齿量为 1 2 4件 ,齿体无弯曲和折断 ,而3 5 Cr Mn Si截齿平均万吨耗齿量为 1 3 6件。采用新型空冷低碳贝氏体钢截齿可降低齿耗 8.8%左右。4 结 论1 )新型高硅低碳空冷贝氏体钢采用新的合金化途径 ,用普通的 Mn、B及 Si元素合金化 ,空冷后可获得贝氏体 /马氏体复相组织 ,具有高硬度、高韧性相结合的特点。2 )较高的 Si含量可使新型低碳空冷贝氏体钢的 TTT或 CCT曲线向右下方移动 ,提高钢的空冷淬透性和韧性。3 )新型高硅低碳空冷贝氏体钢制造截齿 ,采用空冷硬化 ,工艺简单 ,免除了盐炉加热和盐浴等温淬火 ,从而节约了能源 ,降低了成本约 1 0 % ,减少了污染 ,保护了环境。4)新型高硅低碳空冷贝氏体钢截齿的使用表明 ,万吨煤齿耗比原 3 5 Cr Mn Si等温处理截齿降低8.8%左右截齿用新型高硅低碳空冷贝氏体钢的组织与性能@姜忠良$清华大学材料科学与工程系!北京100084
More abstracts about the 截齿用新型高硅低碳空冷贝氏体钢的组织与性能