NM400耐磨鋼板脫碳原因分析及改善措施

侯登義，馮勇

（山鋼股份濟南分公司技術中心，山東濟南 250101）

試驗研究

NM400耐磨鋼板脫碳原因分析及改善措施

侯登義，馮勇

（山鋼股份濟南分公司技術中心，山東濟南 250101）

針對NM400高強韌耐磨鋼板脫碳層厚度偏高的問題，進行了厚度方向的連續硬度檢測及金相組織分析，結果表明鋼的脫碳層深度達0.9 mm。分析認為，淬火溫度偏高、保溫時間不準確是導致鋼板脫碳的主要原因，同時鋼板化學成分及加熱碳勢也對鋼板脫碳有直接影響。通過優化鋼板成分、改善加熱條件、涂覆保護涂料等措施，脫碳層厚度降低至0.1 mm以下。

耐磨鋼板；脫碳；硬度；金相組織；淬火溫度

1 前言

近年來，國內外重型工程機械制造業的發展，促使高等級鋼板加速升級換代，在有些領域，由于工況苛刻、服役條件復雜、輕量化要求等原因，制造關鍵部件的鋼板需要具備高強度、高韌性、高耐磨性等綜合性能。濟鋼生產的NM400耐磨鋼被廣泛使用于裝載機鏟斗、挖掘機挖斗制作，一直倍受市場青睞，目前已實現3.5萬t的年生產能力。前期檢驗時偶有鋼板表面脫碳層厚度偏高的缺陷現象，影響了產品的機械性能和使用壽命。為此對產品的組織性能進行檢驗，結合生產工藝查找缺陷產生的原因，采取有效措施及現場工藝技術攻關，使該問題得到明顯改善。

2 鋼板實物質量

2.1 成分及性能

NM400耐磨鋼板一般以淬火狀態交貨，成分和性能指標參照GB/T 24186標準和用戶要求，熔煉分析成分及鋼板實物性能如表1、表2所示。

表1 NM400高強耐磨鋼板成分（質量分數）%

表2 NM400高強耐磨鋼板的實物性能

由表1、表2可見，NM400耐磨鋼板的性能指標要求多且嚴，特別是要求鋼板在超高強度下還要有非常好的低溫韌性，要求鋼板表面布氏硬度均勻穩定，充分體現了高強韌、高耐磨的產品特點。

2.2 金相組織

厚度14 mm的NM400耐磨鋼板金相組織如圖1所示。鋼板表面及中心位置組織均為全馬氏體。

圖1 NM400耐磨鋼金相組織

3 缺陷分析

對缺陷鋼板進行連續洛氏硬度檢驗。采用C標尺，檢驗位置自鋼板厚度0.1 mm至1.5 mm深度處，打點間隔0.1 mm。檢驗發現硬度值波動較大，最小為30 HRC，最大為43 HRC，圖2為硬度變化情況。硬度在0.9 mm厚度后出現大幅度波動，最大幅度40%。對此缺陷鋼板進行了光譜分析，結果顯示兩個區域的C含量有較大差異，低硬度區域的C含量低于高硬度區域。

圖2 缺陷鋼板硬度變化情況

對上述試樣缺陷位置進行金相組織分析，用4%硝酸酒精溶液侵蝕，在50倍下觀察，組織如圖3所示。在深度約0.9 mm交界線處上下兩個區域呈現不同顏色，上部淺顏色區域為脫碳層，交界線處是馬氏體過渡層，與硬度分布曲線相一致，從試樣邊緣至硬度穩定值的垂直距離是0.9 mm，說明此鋼的脫碳層深度為0.9 mm。

圖3 鋼板缺陷位置金相組織

4 缺陷原因分析

4.1 淬火溫度

鋼在加熱時，表層的碳與介質中的氧、氫、二氧化碳及水蒸氣等發生反應，降低了表層碳濃度。脫碳鋼在淬火后，表面硬度、疲勞強度、耐磨性降低，嚴重時甚至容易產生裂紋［1］。C的擴散一般只在高溫下進行，超過930℃，C在Fe中的擴散系數將激增2.57倍，同時，脫碳過程均為吸熱反應，提高溫度會加速反應向右進行。為了驗證該規律，在保溫時間均相同的條件下，選取數塊14 mm厚鋼板試樣采用不同淬火溫度進行熱處理試驗，最后檢驗脫碳層厚度，結果見表3。可見，淬火溫度越高，碳的擴散速度越高，相應脫碳層厚度增大，并且硬度的不均勻性越明顯。一般情況下淬火溫度的選擇都是靠經驗公式來確定，大都是在AC3以上30～50℃，但根據現場經驗及試驗結果，依此制定的淬火溫度偏高。

表3 NM400鋼板在不同淬火溫度下的脫碳層厚度

4.2 保溫時間

保溫時間是影響脫碳的重要因素，鋼板滯留時間越長，脫碳層厚度越大，在整個保溫時間段內，初期的脫碳速度較快，后期逐漸減緩，甚至達到極值后不再繼續增加，鋼板表面氧化阻礙了擴散進行，鋼板內層的碳原子擴散變難，脫碳速度減小。

確定在淬火溫度下的保溫時間一直是個復雜的問題，目前尚無權威與通用的計算方法，一般由實驗確定或根據經驗公式由鋼板厚度來計算。常用的經驗公式為［2］：

式中：t為加熱時間，min；a為加熱系數，min/mm；k為修正系數；D為鋼板厚度，mm。a、k需根據鋼質、加熱爐類型、加熱方式等情況綜合考慮。在實際生產中，為了保證生產效率，大多鋼廠并不是根據每個鋼種的實際情況細化保溫時間，而是從方便操作的角度固化常規時間，這種做法會不同程度地犧牲某些特殊鋼的品質，應避免。

4.3 化學成分

單從鋼的化學成分因素分析，鋼中含碳量越高，鋼板和氣氛之間的濃度梯度越大，擴散的趨勢變大，發生脫碳的概率就越大，脫碳的速度越快，從而脫碳層增大。此外若鋼中含有Cr、Mo等碳化物形成元素時，可以適當降低碳元素的擴散系數，Ni也能阻礙碳的擴散，減小鋼的脫碳傾向［3］，有些研究還發現，硅和鋁也能增加脫碳傾向。因此，減少碳含量能明顯降低脫碳問題，但鋼種成分設計是個系統工程，還需要照顧到力學性能、工藝性能與制造成本。因此采用多元復合合金化設計，嚴格窄成分控制，確保成分偏差是改善鋼板脫碳的有效途徑。

4.4 加熱爐碳勢

鋼板在淬火加熱時，燃料成分、燃燒條件及溫度的綜合作用使燃燒產物中含有不同氣體，構成不同的爐內氣氛，一般是H2O、CO2、O2、H2等。鋼在水蒸氣、空氣和二氧化碳中加熱時的脫碳速度依次逐步增大，但隨著氣氛碳勢的增加，碳勢分布變的平緩，脫碳速度先快后慢，脫碳層厚度最后趨于穩定，這是因為碳勢的增加使得鋼材和氣氛之間的濃度梯度減小，擴散的趨勢減小，從而脫碳的速率減小。因此氣氛含碳量增加，能有效減緩脫碳反應的發生，若能夠通過改變氣體氣氛，以通入還原性含碳保護氣體或者非氧化性氣體的手段來增加加熱氣氛中的含碳量，可以有效抑制脫碳現象的發生。

5 改進措施及效果

為改善NM400鋼板的脫碳現象，結合生產裝備與現場工藝實際，在熱處理工序采取以下措施：

1）優化成分，適當添加合金元素。降低碳含量，減小脫碳傾向；加入Cr合金，提高碳擴散激活能，使碳擴散系數減小以減輕脫碳；增加B含量，阻礙碳原子擴散的通道，降低脫碳敏感性。

2）改善加熱條件，對加熱溫度、保溫時間、加熱爐參數嚴格細化。加熱溫度設定為880～900℃，保溫時間（min）控制在鋼板厚度（mm）的1.2～1.5倍；嚴格控制加熱爐內氣氛，采用N2惰性氣體保護，營造還原性氣氛，水蒸氣和氧氣總質量分數不高于1.5%，使加熱爐保持正壓，嚴禁吸入冷風。

3）利用涂層保護防止氧化脫碳，自制SiC-SiO2-Al2O3型高溫防氧化脫碳涂料，均勻涂覆于鋼板表面，在高溫爐氣中，SiC組分與氧發生反應而抑制鋼板氧化，另一方面生成的活性碳原子滲入基體而減輕脫碳，同時形成致密保護層，隔絕加熱氣氛和基體接觸，起到屏蔽作用。

為了驗證采取以上改進措施后的實際效果，檢查與分析近期3個月的生產記錄和成分性能臺賬，結果顯示，累計生產522批NM400鋼板，共計3 996 t，鋼板厚度為6～80 mm，經抽樣檢驗，平均脫碳層厚度為0.09 mm，其他力學性能也非常穩定，說明對缺陷原因分析準確，改進措施合理，實施效果顯著。

6 結語

NM400耐磨鋼脫碳層是影響鋼板應用的質量缺陷，應極力減小，熱處理工序是控制的關鍵點。實際生產證明，采用降低碳含量、添加抑制性合金元素、改善加熱條件、涂覆防氧化脫碳涂料等措施，能夠顯著降低脫碳層厚度。上述措施納入現場操作規程后，濟鋼生產的NM400耐磨鋼板脫碳層平均厚度基本控制在0.1 mm以下。

［1］中國機械工程學會熱處理學會.熱處理手冊.第4卷，熱處理質量控制和檢驗［M］.北京：機械工業出版社，2001：38.

［2］劉俞銘.金屬熱處理常見工藝技術五百種.第3卷［M］.北京：北方工業出版社，2006：93-94.

［3］吳濤，孔祥麗，王新，等.50Mn2V鋼板脫碳層超標分析及工藝優化［J］.熱加工工藝，2011，40（18）：195-196.

Analysis of Decarburization Causes and Improving Measures for NM400 Wear Resistant Steel Plate

HOU Dengyi,FENG Yong
（The Technology Center of Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

In view of the excessive problem of the decarburized layer on NM400 High Strength Wear Resistant Steel Plate,the main defect characteristics were described using test method on microstructure and core hardness and the decarburized layer was found about 0.9 mm.By analyzing and study,the quenching temperature and holding time were the main reasons for decarburization, meanwhile,chemical composition and carbon potential of heating furnace affected on the decarburization directly.To decrease the thickness of the decarburization layer,three prevention measures of optimizing composition,improvement for heating conditions, coating with a protective coating were taken.Through mass production,the average thickness of the decarburized layer can be reduced to less than 0.1 mm.

wear resistant steel plate;decarburization;hardness;microstructure;quenching temperature

TG142.72

A

1004-4620（2015）02-0032-02

2015-01-27

侯登義，男，1976年生，2004年畢業于山東大學材料工程專業，碩士。現為山鋼股份濟南分公司用戶應用技術中心高級工程師，從事中厚板生產工藝技術研究與品種鋼開發工作。