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1、钎钢材料的合金化设计及其材料选择程巨强( 西安工业大学材料与化工学院，陕西西安7 1 0 0 3 2 )摘要：论述了合金元素在钢中的作用及其材料合金化设计的特点，针对钎钢材料的性能要求和生产工艺特点，指出钎具材料应考虑淬透性高、渗碳性能优异的材料，组织设计时应考虑力学性能优良的马氏体、贝。氏体和奥氏体复相组织的材料。并说明了新型贝氏体钢在钎头材料方面试验结果。主题词：钎钢材料；合金化设计；性能钎头在钻凿过程中接触并破碎岩体，受到巨大的冲击载荷和磨料磨损。从而达到钻凿岩孔的目的。针对钎头苛刻的钻岩条件，对钎头材料的基本要求为】：在热处理状态下材料具有较高的塑性、韧性和硬度；材料要有高的疲劳强度和
2、耐磨性：材料要有较高的空冷淬硬性；热处理工艺简单、成本低廉等。随着采掘技术的不断进步，凿岩机冲击功率的加大，传统工艺条件下制造的钎头难以胜任，各个国家开始改进工艺及研究新型钎头材料。国外钎头材料的发展趋势为：钎头用钢合金化。钎具生产专业化。目前，国内外优质钎头材料主要 为C r N i 型优质钢，如瑞典的2 4 S i M n C r N i 2 M o ( F F 7 1 0 ) 、英美的3 0 C r 2 N i 4 M o 、前苏 联的2 5 C r 2 N i 4 M o 等，C r N i 型钢因含有较高的稀有元素N i 等，成本较高。国内钎头材料研究方面经历了仿制、创新、提高三个阶
3、段【引，先后研制出4 0 C r 、3 5 C r M o V 、3 0 C r N i 3 M o等钢种。结果表明钎头的使用寿命和质量同国外产品相比较低，不能满足生产的需要。本文从钎具材料性能要求和合金化设计方面讨论了钎头材料的组织、力学性能和耐磨性能特点为新型钎具用钢的设计提供理论依据。1 合金化设计特点1 1 合金元素的作用渗碳用钎具材料一般使用低碳的合金钢，合金化设计一般是含有提高淬透性和渗碳性能的合金元素对于非渗碳用钢合金化设计时可采用中高碳合金钢，合金元素在钢中的作用论述如下M 】：碳：钢的强度、硬度主要和碳量有关，碳的强化主要是通过固溶强化、降低相变点细化晶粒、相变强化来实现，碳
4、量过高，会降低其韧性和焊接性能。碳具有极强的固溶强化作用。强化系数为4 4 1 0M P a w t 。钢中含碳量的增加虽然可以提高零件的强度和耐磨性，但却损害了钢的塑韧性和工艺性。所以设作者简介：程巨强，男，( 1 9 6 3 3 一) ，陕西吱山人，博士，教授，主要从事高强度铜铁材料及耐磨材料的研究、开发与应用工作。E m a i l ：c h e n g j u q i a n g 1 6 3 c o r n计钢种碳含量时。要根据不同的条件来确定含碳量，对于渗碳件，在满足强度要求的前提下。应尽可能降低碳含量，一般碳量应在O 2 5 以下。对于强度和耐磨性要求较高。一定的塑韧性要求时，可以
5、考虑提高碳量，如设计中、高碳钢。硅：硅一般以固溶态的形式存在于铁素体或奥氏体中，固溶强化作用较强，强化系数为7 7 M P a w t ，提高钢的强度和耐磨性。硅是缩小奥氏体相区的元素。但却增加过冷奥氏体的稳定性及钢中残余奥氏体的含量。硅增加碳在奥氏体中的活度。强烈阻碍渗碳体的析出，提高钢的抗回火稳定性。硅对钢的强韧性的影响极为复杂。特别是对韧性的影响存在不同的观点及不同的试验结果过去认为硅含量的增加降低钢的塑性和韧性特别是降低冲击韧性。但近年来的研究认为随硅含量的增加，在一定的成分范围内，硅不仅提高钢的强度。而且提高钢的韧性，同时还降低韧性一脆性转变温度。硅对马氏体及贝氏体组织的影响，最令人
6、注目的是利用硅提高奥氏体稳定性及阻碍碳化物的析出。使钢获得一定含量的残余奥氏体组成，改善钢的强韧性。锰：锰存在于铁素体及奥氏体固溶体中，部分与铁碳形成渗碳体，强化作用不大，强化系数为2 4 5 M P a w t 锰的强化可通过提高马氏体、贝氏体的淬透性使马氏体、贝氏体含量增加，并降低钢的相变温度，使晶粒细化，达到强化的目的。锰是扩大奥氏体区元素，提高过冷奥氏体的稳定性及残余奥氏体量。有利于钢的韧性的提高。所以一般钢的设计中一般都加人较高含量的锰量。钼：钼在钢中具有较强的固溶强化作用强化系数为8 0 4 M P a w t 。在含有导致回火缓凝缓嬲嬲矿1 6 6脆性元素( 如M n 、C r
7、等) 的钢中，能防止或减轻钢的回火脆性倾向 9 】，提高钢的韧性，并增加抗回火性能。钼溶于铁素体中，增加铁的自扩散激活能，提高钢的回复和再结晶温度。钼增加过冷奥氏体的稳定性，使C 曲线右移，但钼推迟高温F P 转变的作用远大于对贝氏体转变的推迟作用。从而使珠光体和贝氏体转变曲线分离，并使后者相对突出，大大提高贝氏体的淬透性。由于钼在世界范围内含量较少，是一种战略资源，应尽量少用。铬：铬在钢种能有效的减缓奥氏体的分解速度。提高钢的淬透性、渗碳性能及回火稳定性。在低碳钢中，铬和钼有相似的作用，但不如钼强烈。铬推迟F - P 转变的作用明显大于推迟贝氏体转变的作用。同时使F P 转变曲线与贝氏体转变
8、同线分离。铬加入钢中能显著改善钢的抗氧化作用。增加钢的抗腐蚀能力。铬若单独加入钢中，对正火或调质后的力学性能改善不大，一般钢在加入铬的同时，还必须提高或加入其他合金元素。如M n 、M o等。才能显示出较好的性能。渗碳钢中加入铬能提高渗碳体的稳定性和降低奥氏体固溶体中碳的扩散速度，从而抑制渗碳体的分解，阻止石墨化过程的发生并使渗碳体聚集速度有所降低。镍：钢中镍能提高钢的淬透性及渗碳性能。极大的改善钢的韧性和低温冲击韧性，是重要的合金元素之一，但由于其价格昂贵，在钢的设计中应尽量减少其使用量。对于要求较高韧性特别是低温冲击韧度的材料中。添加一定量的镍。1 2 合金元素对转变曲线的影响图2 是合金
9、元素对7 r I I 转变曲线铁索体和珠光体开始转变线的影响 m J 。可以看出。随着合金元素的加入，使钢的铁素体开始转变线( 图2 a ) 和珠光体开始转变线右移( 图2 b ) ，提高了材料的淬透性。对铁素体转变开始线的作用大致按N i 、C r 、M o 、M n 依次升高，对珠光体转变开始线的作用按N i 、M o 、C r 、M n 。单独合金元素的加入作用没有复合加入效果好。合金元素对连续冷却曲线的影响如图3所示C l l 】。可以看出，加入合金元素使珠光体和铁素体转变曲线上下分离，使转变曲线变为双C 曲线，同时加入M o 、W 、V 、B 等元素，使铁素体和珠光体转变开始线右移。
10、增加奥氏体稳定性。提高贝氏体和马氏体的淬透性。时闾图2 合金元素对1 _ 厂r 围F 和P 转变开始线的影响图4 是几种材料连续冷却曲线r 1 2 1 。可以看出，合金元素的加入，使连续转变曲线形状发生变化，有单“C ”曲线( 图4 a ) 变为双“C ”曲图3 合金元素对C C T 转变曲线的影响线( 图4 b ) ，多元合金元素的加入会使高温区转变曲线大大右移，极大的提高了贝氏体和马氏体的淬透性( 图4 c ) 。图4 几种材料的连续冷却( C C T ) 曲线叶_ f ，( c ) 3 0 C r N i 4 M o可以进行钢种的设计材料的选择，对于热处2 钎具材料合金元素的选择妄桑鬲兰
11、菇孟主磊晶i ! ；金花二采晶薹高理采用空冷处理的钢种。合金化应米用提鬲根据钎具材料的使用和加工过程特点，淬透性的元素。如图3 所示加入C r 、N i 、B 、 1 6 7 Z 鬻嬲麟M o 、S i 等元素。合金元素复合加人的效果比单独加人的效果要好。采用渗碳处理的材料，材料选择时碳量要选择为低碳，合金元素要促进渗碳性能和提高淬透性的元素，如常用的渗碳钎杆用钢( 1 8 。2 3 ) C r N i 3 M o 、( 2 5 3 0 ) C r 2 N i 4 M o 、( 2 4 2 7 ) S i M n C r N i 2 M o 等，由于这些材料合金化程度较高，渗碳后空冷或淬火渗层
12、存在较多的残余奥氏体。使渗碳后硬度偏低。因此实际生产中可采用后续的热处理工艺减少残余奥氏体的含量，提高淬( 正) 火表面硬度。采用感应淬火工艺的钎杆材料，可采用中高碳合金化材料，如( 3 8 4 0 )C r N i 3 M o 、( 4 0 4 5 ) S i M n C r M o V 等，钎头材料焊接硬质合金后空冷对于淬透性要求不高的材料，可采用单一元素合金化，如4 0 C r等，对于要求淬透性的材料，表面硬度要达到较高的值。可采用二元或多元元素进行合金化，如4 0 C r M o 、4 0 M n M o V 、( 4 0 4 5 )C r N i M o 等。3 几种材料试验结果表1
13、 是研制的新型贝氏体钢和目前商用钎头材料湿式橡胶轮式磨料磨损试验结果。从表1 试验结果可以看出。在正火低温回火状态下。新型贝氏体钢具有较高的淬透性和淬硬性，在水介质磨料磨损中磨损失重均低于4 0 C r 和3 0 C r N i 4 M o 。显示出良好的湿式磨料磨损性能。表1 几种材料耐磨性试验结果形式材料载荷热处理工艺磨损失重，m g硬度H R C4 0 C r8 5 0 正火+ 2 0 0 0 C 回火5 8 0 2 9 22 2 2 3湿式橡胶轮式磨损3 0 C r N i 4 M o7 1 4 k g8 6 0 正火+ 2 0 0 回火4 4 6 7 5 0d 4 一d 5新型贝氏体
14、钢9 0 0 0 C 正火+ 3 0 0 0 C 回火3 2 6 4 9 34 7 4 8图5 是用新型贝氏体钢研制的钎头( 感应钎焊硬质合金后空冷，图4 b ) 和市场销售钎头( 材料4 0 C r ，图4 a ) 材料硬度测试结果。可以看出，用新型贝氏体钢制造的钎头材料具有较高的硬度值。说明新型贝氏体钢钎头材料具有较高的空冷淬硬性，4 0 C r 材料的淬硬性较差。围5 市场销售钎头( a ) 和新型贝氏体钢钎头( b ) 硬度测试结果4 结论1 根据钎具材料的性能要求和生产工艺特点，钎具材料应考虑淬透性高、渗碳性能优异的材料。组织设计时应考虑力学性能优良的马氏体、贝氏体和奥氏体复相组织的
15、材料。2 新型贝氏体钢9 0 0 0 C 正火3 0 0 回火的组织由贝氏体铁素体和残余奥氏体组成，具有良好的强韧性。力学性能达到C 卜N i 型钢的性能水平，满足钎头用钢的性能要求，能够替代现用钎头材料。参考文献：【1 周风云，徐志宏国产重型凿岩钎杆的失效分析 J 机械工程材料，1 9 9 7 ，2 1 ( 3 ) ：4 7 0 9 2 谭卓英，赖海辉球齿钎头失效分析 J 凿岩机械与风动工具，1 9 9 0 ，3 ：2 3 - 2 6【3 洪迭灵，顾太和，徐曙光等钎钢与钎具 M 北京：冶金工业出版社2 0 0 0 4 程巨强准受氏体钢应用研究 D 西北工业大学博士论文1 9 9 8 5 H
16、o r n , R M 。R i t c h i e ，R o b e r t0 M e c h a n i s m so ft e m p e r e dm a r t e n s i t ee m b r i t t e m e n ti nl o wa l l o ys t e e l s J M e t a l l u r g i c a lT r a n s a c t i o n sA ，1 9 7 8 ，9 A( 8 ) ：1 0 3 9 一1 0 5 3 6 B n a n t ，C L ，B a n e r j i ，S KC o m m u n i c a t i o n s ：p h o s p h o r u si n d u c e d3 5 0d e g r e eCe m b f i t t l e m e n ti na nu l t r
