離線淬火工藝對(duì)NM400耐磨鋼組織與性能的影響

王 川，李新宇，于 濤

（五礦營(yíng)口中板有限責(zé)任公司 遼寧省中厚板專(zhuān)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，遼寧 營(yíng)口115000）

1 前 言

耐磨鋼具有高耐磨損性、硬度、強(qiáng)韌性及良好焊接性，其廣泛應(yīng)用于制造工程機(jī)械的耐磨部件［1］。對(duì)于低合金高強(qiáng)耐磨鋼，具備低量的合金元素、優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、較低的生產(chǎn)成本及大量的使用需求，因此一直受到人們的高度關(guān)注［2］。

耐磨鋼通常以淬火、淬火＋回火、TMCP＋回火或熱軋狀態(tài)交貨，在淬火熱處理工藝中，再加熱淬火溫度直接影響耐磨鋼奧氏體化程度、合金元素固溶量、成分均勻性及晶粒尺寸大小，進(jìn)而影響鋼的最終性能［3］。試驗(yàn)以某5 000 mm寬厚板廠生產(chǎn)的NM400耐磨鋼為例，采用了Cr-Mo-Nb-B成分設(shè)計(jì)體系，探索離線淬火溫度對(duì)鋼組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，為開(kāi)發(fā)低成本、高性能的低合金耐磨鋼提供理論指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)材料及方法

基于耐磨鋼的特性和要求，在HB400級(jí)標(biāo)準(zhǔn)上對(duì)成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其化學(xué)成分控制見(jiàn)表1。耐磨鋼中添加Cr、Mo元素可提高鋼的淬透性、強(qiáng)韌性及硬度［4］。但由于貴金屬成本較高，因此對(duì)Cr、Mo采取低成分設(shè)計(jì)。為保證耐磨鋼兼具低成本、高強(qiáng)度特點(diǎn)，向鋼中添加微量合金元素Nb、Ti，可實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化及細(xì)晶強(qiáng)化的復(fù)合作用，從而顯著提高強(qiáng)度。此外，當(dāng)B 含量＜0.003% 時(shí)，對(duì)鋼的淬透性具有積極響應(yīng)，并可改善基體組織、提高機(jī)械性能［5］。

表1 NM400的熔煉控制成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

制備N(xiāo)M400 的工藝路線如下：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐煉鋼→LF（精煉）→RH（真空）→連鑄→坯料加熱→除鱗→軋制→ACC→熱矯→剪切→淬火→取樣→定尺→入庫(kù)。為了獲得良好的內(nèi)部質(zhì)量，需保證入爐鐵水中ω（S）≤0.01%。精煉時(shí)需充分保證白渣保持時(shí)間及爐內(nèi)還原氣氛，RH 真空保壓時(shí)間≥12 min，同時(shí)待出鋼前鈣處理結(jié)束后，需保證靜吹氬氣時(shí)間≥10 min。連鑄時(shí)全程保護(hù)澆注并投入電磁攪拌，控制中間包過(guò)熱度為20 ℃，連鑄拉速為0.85 m/min。

連鑄坯厚度為250 mm，采用步進(jìn)式加熱爐加熱至1 240 ℃并保溫90 min，采用兩架四輥可逆式軋機(jī)進(jìn)行兩階段控制軋制。粗軋開(kāi)軋溫度≥1 050℃，精軋階段開(kāi)軋溫度≤900 ℃，并在未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行低溫快速軋制，終軋溫度控制在800～850 ℃，未再結(jié)晶區(qū)累計(jì)變形率≥75%。軋制成品厚度為20 mm 鋼板至ACC 水冷區(qū)，水冷溫度650 ℃，經(jīng)熱矯直、剪切后下線，再對(duì)軋后鋼板進(jìn)行離線淬火，水淬至室溫。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式測(cè)算，Ac3溫度約為844 ℃，設(shè)定3 組淬火加熱溫度，分別為880、900、920 ℃，保溫時(shí)間均為20 min，對(duì)比研究淬火溫度對(duì)耐磨鋼組織及性能的影響。

根據(jù)GB/T 24186—2009 標(biāo)準(zhǔn)中的性能檢驗(yàn)要求，沿鋼板橫向截取拉伸樣，在MST810-100 KN 材料疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸測(cè)試；沿鋼板縱向制取3個(gè)沖擊試樣，利用ZBC2602-C擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行-20 ℃的沖擊試驗(yàn)，測(cè)試后取平均值。采用HB 3000 布氏硬度計(jì)測(cè)定宏觀硬度。利用ZEISS 光學(xué)顯微鏡和JSM-6480LV型掃描電鏡觀察微觀組織及沖擊斷口形貌。利用X’pert-Powder 型X射線衍射儀分析淬火態(tài)耐磨鋼的物相組成。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鋼板淬火后的宏觀形態(tài)

軋后的NM400 鋼板采用先進(jìn)的輻射管加熱無(wú)氧化輥底式熱處理爐加熱，煤氣介質(zhì)燃燒熱值≥2 000 kcal/Nm3。出爐后經(jīng)過(guò)滾壓式淬火機(jī)淬火，高壓段最大水量可以達(dá)到5 900 m3/h。淬火后NM400 鋼板板形平整，未發(fā)現(xiàn)明顯瓢曲現(xiàn)象，鋼板表面未存在肉眼可見(jiàn)的裂紋、氣泡、結(jié)疤等缺陷。經(jīng)超聲波探傷檢測(cè)后，探傷性能滿足GB/T 2970—2016 標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)要求，鋼板內(nèi)外部質(zhì)量整體優(yōu)異。為測(cè)定鋼板不平度，選用1 m 尺進(jìn)行測(cè)量，不平度為2～3 mm，符合GB/T 709—2006 標(biāo)準(zhǔn)要求，整體板型良好。

3.2 鋼板的微觀組織形貌

耐磨鋼經(jīng)不同淬火溫度熱處理后的金相組織形貌如圖1 所示。離線淬火后組織主要為板條狀馬氏體，各馬氏體板條束呈不規(guī)則方向延伸分布，同時(shí)可觀察到不同黑白襯度的板條塊。隨著淬火溫度提高至920 ℃，原奧氏體晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大，導(dǎo)致淬火后馬氏體板條束明顯粗化。此外，沿鋼板表面、1/4處及心部方向的組織比較均勻，晶粒大小未存在顯著差異，這表明通過(guò)Cr、Mo、B 等元素的添加，使鋼具有了良好的淬透性。

圖1 NM400經(jīng)不同再加熱溫度淬火后的光學(xué)顯微組織

3.3 力學(xué)性能

NM400 耐磨鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表2，淬火溫度為900 ℃時(shí)綜合機(jī)械性能最佳，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 404 MPa、布氏硬度425 HBW及-20 ℃低溫沖擊功為46 J。淬火溫度由880 ℃升至900 ℃，綜合力學(xué)性能得到提高，而至920 ℃時(shí)，性能下降。分析認(rèn)為，隨著淬火溫度升高，進(jìn)入完全奧氏化，奧氏體中固溶的合金元素增加，阻滯碳的擴(kuò)散，將延緩?qiáng)W氏體轉(zhuǎn)變使其穩(wěn)定性提高，C—曲線右移，淬透性得到增強(qiáng)，加大了馬氏體比例，從而綜合提高了硬度及韌性。但隨著淬火溫度繼續(xù)提高，奧氏體晶粒長(zhǎng)大，造成淬火后馬氏體組織相對(duì)粗大，一方面導(dǎo)致脆性增加，加大了鋼板裂紋擴(kuò)展和變形傾向，使強(qiáng)度及韌性下降；另一方面，粗大的組織軟化了基體，也將使鋼的硬度下降。

表2 NM400耐磨鋼的力學(xué)性能

3.4 沖擊斷口分析

沖擊斷口宏觀形貌見(jiàn)圖2。沖擊斷面比較平齊，且均出現(xiàn)大面積的放射區(qū)（斷口晶狀部分）以及剪切唇，而纖維區(qū)所占比例幾乎很小。此外，在淬火溫度900 ℃時(shí)，斷口的剪切唇最大，放射區(qū)面積最小，此現(xiàn)象表明其韌性相比最好，這與表2 沖擊試驗(yàn)部分所得結(jié)果相吻合。

圖2 沖擊斷口宏觀形貌

掃描電鏡下的斷口形貌見(jiàn)圖3。發(fā)現(xiàn)斷口一部分呈河流花樣，屬準(zhǔn)解理性斷裂，另一部分出現(xiàn)少量粘結(jié)韌窩，淬火溫度由880 ℃升至900 ℃，韌窩分布趨于均勻，較大且深，有清晰的撕裂嶺，而在920 ℃時(shí)韌窩變小且淺。由此可見(jiàn)，沖擊斷口為韌脆混合型斷裂，且韌性在淬火溫度為900 ℃時(shí)最好。

圖3 沖擊斷口SEM組織

3.5 淬火態(tài)物相組成

淬火態(tài)耐磨鋼的XRD分析結(jié)果見(jiàn)圖4。3種淬火溫度的耐磨鋼衍射圖譜相近，均包含4條鐵素體結(jié)構(gòu)α（110）、α（200）、α（211）、α（220）的衍射峰，同時(shí)未檢測(cè)到γ相衍射峰，這表明在該成分體系及制備工藝條件下，NM400耐磨鋼中的殘余奧氏體不明顯或含量極少。

圖4 淬火態(tài)耐磨鋼的XRD圖譜

4 結(jié) 論

4.1 采用Cr-Mo-Nb-B 成分體系、兩階段控制軋制＋離線淬火工藝，制備的NM400耐磨鋼淬透性良好，組織均勻，綜合性能優(yōu)異，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 隨著淬火溫度升高，固溶的合金元素增加，組織細(xì)化，淬透性增強(qiáng)，綜合力學(xué)性能提高；但隨溫度進(jìn)一步提高，淬火后馬氏體組織粗大，嚴(yán)重影響低溫沖擊韌性，為此采用淬火溫度在880～900 ℃時(shí)性能最優(yōu)。

4.3 在該成分體系及制備工藝條件下，離線淬火后耐磨鋼中的殘余奧氏體含量極少。