450HBW級調質態耐磨鋼生產工藝研究

供稿|王鵬建

內容導讀

耐磨鋼板被廣泛應用在挖掘機斗齒、球磨機襯板、破碎機顎板、破碎壁、軋臼壁、拖拉機履帶板和鐵路道岔等部件。為擺脫450HBW以上耐磨鋼板依賴進口的局面，寶鋼厚板生產線緊跟市場需求，開發出具備高硬度、高強度、良好低溫韌性的450HBW級調質態耐磨鋼。本文介紹了通過合理的控制元素及含量，匹配煉鋼工藝、軋制工藝以及離線淬火、回火等熱處理工藝，成功開發出全厚度截面硬度達450HBW以上，抗拉強度≥1400 MPa，-40 ℃橫向沖擊功≥46 J，具有良好的強度、塑性和低溫韌性的耐磨鋼。

耐磨鋼板是指專供大面積磨損工況條件下使用的特種板材產品，因其具有良好的耐磨性能和沖擊性能，可進行不同方式的切割、不同方向的彎曲，被廣泛應用在挖掘機斗齒、球磨機襯板、破碎機顎板、破碎壁、軋臼壁、拖拉機履帶板和鐵路道岔等部件[1-4]。德國迪林根和蒂森克虜伯公司能穩定生產硬度為 500HBW 以下的耐磨鋼板，瑞鋼奧克隆德悍達系列耐磨鋼板的硬度甚至能達到 700HBW，而目前國內生產的鋼板硬度在 400HBW 以下，超過450HBW 的產品還需依賴進口[5-6]。為此，寶山鋼鐵股份有限公司(簡稱寶鋼)厚板產線緊跟市場需求，開發出具備高硬度高強度良好低溫韌性的耐磨鋼。

化學成分設計

C含量是影響耐磨性能的重要元素，C含量增加，材料抗磨損的能力也相應增加，但C含量過高，板坯裂紋敏感性增加，因此考慮到耐磨鋼使用環境和性能要求，C的質量分數≤2.0%為宜。Mn元素有較好的淬透性，對硬度有積極貢獻，但Mn過高時會導致偏析，淬火時晶粒粗大導致殘余奧氏體增加，所以Mn的質量分數控制在≤1.2%。Cr是提高淬透性最經濟的元素，通過Cr的固溶強化，提高耐磨性能。在考慮經濟性的同時，加入一定量的Ni、Mo以改善低溫韌性。微量B可吸附在奧氏體晶界上，降低晶界的能量，提高鋼的淬透性，但B同時有提高鋼的韌脆轉變溫度的傾向，因此B在鋼中的加入量應控制在≤0.002%。微合金元素Ti、V通過細化晶粒和固溶強化提高強度，但過高的V會增大鋼的冷脆性，導致焊接冷裂紋敏感性增大。Ti可降低HAZ中固溶[N]含量，加微量Ti(＜0.02%)能顯著改善熱影響區的韌性。綜合考慮元素之間的相互作用，在C-Mn鋼的基礎上，加入適量的Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、B等合金元素，同時嚴格控制鋼中P、S等有害元素，成分設計見表1。

表1 成分設計表(質量分數，%)

生產工藝設計

450HBW級調質態耐磨鋼工藝流程：鐵水預處理—LD轉爐冶煉—爐外精煉(LF＋RH＋喂Ca絲) —連鑄—板坯加熱—粗軋—精軋—淬火—回火—取樣與性能檢驗—表面質量和外觀尺寸檢驗、標識—入庫—出廠。

煉鋼工藝

采取低P、低S、低夾雜、細化晶粒等控制措施，煉鋼過程采用爐外精煉(LF+RH)及喂Ca處理，保證鋼水純凈度，降低鋼中夾雜物數量，改善夾雜物形態。

軋制工藝

采用寶鋼5 m雙機架粗軋+精軋機軋制，粗軋階段采用“高溫大壓下”使奧氏體晶粒得到充分破碎，細化奧氏體晶粒大小總壓下率≥70%，精軋前待溫至900 ℃，奧氏體未再結晶區進行精軋，少道次除鱗，大壓下軋制，終軋溫度控制在840 ℃以下。

熱處理工藝設計

為保證鋼板表面具有良好的質量，鋼板需要在拋丸機上進行拋丸處理后進爐。根據目標化學成分，經計算，Ac3點溫度為863 ℃，Ms點溫度為406 ℃。亞共析鋼淬火熱處理通常加熱至Ac3點以上30～50 ℃，因此淬火工藝確定為鋼板經輥底式加熱爐加熱至920 ℃，同時為防止奧氏體晶粒過于粗大，需控制保溫時間≤20 min，淬火獲得馬氏體組織后，為保證材料具備高強度、高硬度的同時具備良好的低溫韌性，回火工藝采用低溫( 150～200 ℃) ，改善鋼板韌性的同時消除由淬火后相變導致的內應力。

結果和分析

微觀組織

首先用切割機將試樣加工成0.5～0.8 mm厚薄片，然后在(80#、600#、800#、1000#)砂紙上進行打磨減薄至0.1～0.15 mm。將薄片穿孔后繼續在1200#砂紙上進行打磨減薄至0.08～0.1 mm，然后進行電解雙噴，進行顯微組織觀察。

20 mm鋼板調質后近表面的微觀組織見圖1，鋼板1/4處的微觀組織見圖2，鋼板處1/2的微觀組織見圖3，碳化物形貌及能譜分析見圖4。從圖中可看出，鋼板無論是近表面、1/4處還是1/2處的微觀組織均為高位錯密度的板條馬氏體，原奧氏體晶界較明顯，奧氏體內的馬氏體以一定的取向關系形成，馬氏體板條細小且界面平直，在板條塊內彌散分布著大量的碳化物，能譜分析顯示析出相粒子(Nb、Ti)(C、N)起到了較好的細化晶粒作用。從圖1～3可以看出，鋼板在厚度方向的組織無差異，且均勻化程度高，保證了鋼板在厚度方向性能的穩定性。

圖1 鋼板調質后近表面TEM圖

圖2 鋼板厚度1/4位置TEM圖

圖3 鋼板厚度1/2位置TEM圖

圖4 鋼板碳化物的TEM圖及能譜分析

力學性能

◆ 全厚度截面硬度

根據國標GB/T231.1在BRIN400D布氏硬度計(HBW10/3000)上檢測布氏硬度。試樣鋸切后，檢測表面經銑床和磨床機械加工后檢測全厚度截面布氏硬度，硬度檢測示意圖如圖5所示。全厚度截面硬度分布由于上、下鋼板表面存在脫碳層以及淬火過程中中心部分冷卻速度較慢，碳化物析出較少，導致硬度偏低外，全厚度方向硬度均勻性控制穩定(圖6)。

◆ 拉伸性能及Z向性能

根據GB/T228在100 kN精密拉伸機上進行室溫拉伸實驗，屈服前拉伸速度為5 mm/min，屈服后拉伸速度為20 mm/min。試樣尺寸為M14 mm×118 mm，檢測兩個試樣，取平均值。由表2可知，鋼板具有良好的屈服強度、抗拉強度、延伸率以及面收縮率。

◆ 沖擊性能

根據國標GB/T229—2007進行夏比沖擊實驗，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，每個溫度檢測3個試樣，取平均值。由表3可知鋼板具有良好的沖擊韌性。

圖5 全厚度截面硬度檢測示意圖

圖6 全厚度截面布氏硬度

表2 常規拉伸及Z向性能

表3 耐磨鋼板低溫沖擊性能

結束語

(1) 綜合考慮元素之間的相互作用，在C-Mn鋼的基礎上，加入適量的Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、B等合金元素，同時嚴格控制鋼中P、S等有害元素。采用雙機架軋制工藝，開軋溫度≤900 ℃，終軋溫度≤840 ℃，淬火溫度920 ℃，回火溫度150～200 ℃，成功開發出450HBW級調質態耐磨鋼。

(2) 調質態微觀組織為高位錯密度的板條馬氏體，碳化物在馬氏體板條界面析出，厚度方向的組織無差異，且均勻化程度高。

(3) 鋼板的屈服 強度≥1100 MPa，抗拉強度≥1400 MPa，-40 ℃低溫沖擊功≥46 J，布氏硬度達到450HBW以上，具有良好的機械性能，產品已成功用于非公路(礦用)自卸車制造。

攝影 高 龑