熱處理工藝對疏浚工程用船體鋼組織及磨粒磨損性能的影響

高亞平， 師仲然， 賈 涓， 羅小兵， 宋新莉

(1. 武漢科技大學 耐火材料與冶金國家重點實驗室， 湖北 武漢 430081；2. 鋼鐵研究總院 工程用鋼研究院， 北京 100081)

我國江、河流、海洋等面積廣泛，受地質環境等影響江河、海洋等常常有大量泥沙淤積，破壞生態環境及交通運輸。疏浚工程用船持續航行在泥沙含量較高的區域內，其工況極為惡劣復雜。疏浚工程用船體鋼在使用過程中要反復承受強烈的沖擊、磨削、彎曲載荷，如果疏浚工程船舶用鋼出現斷裂則會造成災難性的損壞，因此要求疏浚工程用船體鋼具有高強度、高硬度，還要求具有優良的沖擊性能和良好的耐磨性[1-2]。

疏浚工程船所用耐磨材料種類較多，有高錳鋼、耐磨鑄鐵、低合金耐磨鋼。低合金耐磨鋼廣泛用于疏浚船裝載箱入口、泥門導軌、吸口套管內襯材料等，要求其有較高的耐磨性能、機加工與焊接性能[3-4]。早期發展階段中的疏浚工程船舶輸泥直管制造材料主要是低碳鋼，但因為低碳鋼耐磨性以及耐腐蝕性均比較差，使用壽命較短，短期內容易發生嚴重磨損，目前國內大量進口的低合金耐磨鋼為HARDOX400系列[5]。對低合金耐磨鋼進行熱處理可以調控鋼板微觀結構與優化鋼板的力學性能，例如淬火-配分處理可以在馬氏體基體中引起一定體積分數的殘留奧氏體(RA)，改善鋼的韌性，在沖擊載荷作用下，殘留奧氏體誘發馬氏體相變，提高強度與耐磨性能。循環熱處理可以細化奧氏體晶粒，提高鋼的強度與塑性[6-8]。本文設計一種低合金耐磨鋼，研究淬火-回火、熱循環、淬火-配分3種熱處理工藝對疏浚工程用船體鋼組織、硬度與磨粒磨損性能的影響，該研究為開發高性能低合金耐磨鋼提供了一定的試驗數據與理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用鋼材為一種低碳低錳低合金耐磨船體鋼，化學成分如表1所示，試驗鋼采用真空感應爐冶煉，經過5道次熱軋到16 mm厚。粗軋溫度1100 ℃，終軋溫度900 ℃。其中合金元素Cr、Ni、B可增加鋼的淬透性，同時Cr、Ni、Cu可改善鋼的耐腐蝕性能，Ti、V、Nb是強碳氮化物形成元素，有細化晶粒與析出強化的作用。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

利用Formastor-F Ⅱ型熱膨脹儀將如圖1所示試樣從室溫加熱到950 ℃，保溫6 min，然后以75 ℃/s的速度冷卻至室溫，記錄試驗數據。使用Origin9軟件繪制如圖2所示熱膨脹曲線圖，并利用切線法測得試驗鋼的各個相變溫度為：奧氏體轉變起始溫度Ac1=720 ℃，奧氏體轉變終了溫度Ac3=810 ℃，馬氏體轉變起始溫度Ms=325 ℃，馬氏體轉變終了溫度Mf=179 ℃。

圖1 熱模擬試樣示意圖

圖2 試驗鋼熱膨脹曲線

根據Formastor-FⅡ型熱膨脹儀測得的相變溫度，制定了熱處理工藝：淬火-回火(Q-T)、淬火-配分(Q-P)、熱循環(CR)。淬火-回火即將試樣升溫至880 ℃保溫35 min，油冷，并鹽浴升溫至200 ℃保溫130 min；淬火-配分即將試樣升溫至880 ℃，奧氏體化保溫35 min，油冷，并降溫至250 ℃保溫20 min；熱循環即將試樣升溫至880 ℃，奧氏體化保溫35 min，油冷，并重新升溫至880 ℃保溫1 min，重復油冷升溫步驟3次后升溫至200 ℃保溫130 min，3種具體的熱處理工藝流程如圖3所示。

圖3 試驗鋼的熱處理工藝

在熱處理后的試驗鋼上分別取金相試樣、TEM試樣、硬度試樣和磨損試樣。金相試樣經360～2000號砂紙機械打磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液(體積分數)腐蝕7～8 s，再用無水乙醇沖洗并烘干，置于Nano Nova SEM 400掃描電鏡下觀察組織。硬度試樣用180～2000號砂紙打磨制到0.1 mm以下，然后利用10%高氯酸醋酸溶液(體積分數)進行雙噴減薄，然后使用JEOL JEM-2010型透射電鏡及配件能譜儀進行組織觀察及析出相成分分析。硬度試樣經180～2000目砂紙打磨、拋光、無水乙醇沖洗并吹干后，用洛氏硬度計測試硬度，結果取5個點的平均值。磨損試樣先經180～2000目砂紙打磨，超聲波清潔后在60 ℃烘干機中烘干30 min，然后采用ML-100C磨粒磨損試驗機根據JB/T 7506—1994《固定磨粒磨料磨損試驗 銷-砂紙盤滑動磨損法》進行磨損性能測試[9]，磨損試驗上試樣為待測試樣，配重后總載荷28.92 N，下試樣為粒徑180目砂紙，以100 r/min的速率同向勻速轉動，上、下試樣的相對滑動速率為0.67 m/s，磨損總行程為610 m。并用METTLER XS205型分析天平(精確度0.1 mg)測量磨損前后的質量變化，結果取3次試驗的平均值。

2 試驗結果

2.1 熱處理工藝對顯微組織的影響

圖4和圖5分別為不同熱處理工藝下試驗鋼的SEM形貌和TEM形貌。從圖4可以看出，在淬火溫度相同的情況下淬火-回火、淬火-配分和循環熱處理試樣的顯微組織有很大差別，淬火-回火后的組織主要是回火馬氏體，200 ℃回火后馬氏體板條依然清晰可見；而淬火-配分處理后的組織中原始奧氏體晶界依然可見，含有板條馬氏體和殘留奧氏體；熱循環處理后試驗鋼中原奧氏體晶粒尺寸較小，馬氏體板條界面模糊，基體含有大量第二相粒子。試驗鋼淬火后得到板條馬氏體組織，200 ℃回火過程中，從圖4(a，b)中可以看出馬氏體中過飽和的碳向位錯周圍偏聚形成碳偏聚區，當碳濃度達到一定程度，析出少量的碳化物[10]。試驗鋼在880 ℃奧氏體化后淬火到Ms～Mf之間的溫度250 ℃，目的是得到一部分馬氏體+殘留奧氏體，隨后等溫過程，過飽和馬氏體中碳擴散到殘留奧氏體，由圖4(c，d)可見，淬火-配分后得到板條馬氏體，同時基體中有顆粒狀析出與塊狀組織[11-13]。試驗鋼加熱到880 ℃ 奧氏體化后冷卻并加熱循環3次，目的是細化奧氏體組織，從而最終細化馬氏體組織，由圖4(e，f)可見，循環熱處理后原始奧氏體晶粒尺寸2～6 μm，馬氏體板條消失，得到部分塊狀組織和大量顆粒狀析出[13-14]。

圖4 不同熱處理工藝下試驗鋼的SEM組織

圖5 不同熱處理工藝下試驗鋼的TEM組織及析出物能譜圖

由圖5(a，b)可知，試驗鋼淬火-回火后馬氏體板條依然存在，基體中有少量納米尺寸的球形顆粒狀與條狀析出，由圖5(b)能譜分析表明，球形顆粒狀析出主要是(Nb,Ti)C[15]。由圖5(c，d)可知試驗鋼淬火-配分后基體中有條狀殘留奧氏體，寬度約200 nm，由于試驗鋼淬火到Ms～Mf之間，奧氏體向馬氏體轉變不完全，會有一部分殘留奧氏體[16-17]。在熱循環過程中，由于經過了3次短暫的880 ℃循環加熱與快冷，基體中馬氏體板條消失，有顆粒狀(Nb,Ti)C析出，見圖5(e，f)。循環熱處理淬火加熱過程中，碳沒有充分固溶，奧氏體細化，晶界缺陷多，促進了第二相以非均勻形核的形式析出，析出相有沿晶界與相界析出的趨勢[18]。

2.2 熱處理工藝對硬度與磨粒磨損性能的影響

不同熱處理工藝下試驗鋼的硬度和磨損質量損失如圖6所示。由圖6可知，淬火-配分處理(Q-P)的試樣硬度最高，達到了40.5 HRC，而循環熱處理工藝(CR)的試樣硬度急劇降低，只有30.8 HRC，淬火-回火處理(Q-T)的試樣與淬火-配分硬度相近，達到了39.5 HRC。淬火-回火試驗鋼組織主要為回火馬氏體和少量殘留奧氏體，因此硬度較高，淬火-配分試驗鋼的基體中有較多軟相殘留奧氏體，雖然殘留奧氏體的存在會降低鋼的硬度，但是磨損過程中一部分殘留奧氏體組織會向馬氏體轉變引起鋼的相變硬化，從而淬火-配分試驗鋼的硬度更高[19-20]。循環熱處理工藝導致試驗鋼硬度大幅下降，主要是碳沒有充分固溶，試驗鋼的淬透性差，導致硬度降低。

圖6 不同熱處理工藝下試驗鋼的硬度(a)和磨損質量損失(b)

由圖6(b)可知，試驗鋼的耐磨性能與硬度分布相對應。其中淬火-回火試驗鋼磨損質量損失為105.5 mg，淬火-配分試驗鋼磨損質量損失為105.1 mg，循環熱處理的試驗鋼磨損質量損失為127.4 mg，淬火-回火試驗鋼與淬火-配分試驗鋼的磨損質量損失相差不大，但是循環熱處理的試驗鋼磨損質量損失最大。結合試驗鋼的硬度和磨損質量損失進行分析可知，磨損表面高硬度可以減少磨粒的壓入，從而提高材料的耐磨性能。對于淬火-回火和淬火-配分試樣，由于存在一定量的殘留奧氏體，在磨損過程中一部分殘留奧氏體組織會向馬氏體轉變[21]，使得鋼的表面硬度増加，試驗鋼因表面硬度升高也會使得質量損失降低，從而表現出耐磨性能好。同時，在顯微組織觀察中發現熱循環的析出粒子數量比淬火-回火和淬火-配分要多，尺寸也更粗大。析出相粒子的數量、尺寸等均會對鋼的耐磨性能產生一定影響[22]。

圖7是不同熱處理工藝下試樣磨損后的表面磨損形貌。3種試驗鋼的磨損試樣表面都有明顯連續犁溝，表明磨損過程中基體發生了明顯的塑性變形行為，其中圖7(c)的犁溝明顯比圖7(a，b)更深、更寬，說明熱循環處理的試驗鋼的塑性變形更嚴重，質量損失更多，耐磨性能更差。對比圖7(a)和圖7(b)可發現，淬火-配分試樣的劃痕比淬火-回火的更不規則且存在剝落，由于第二相粒子的存在可以阻礙切削，由此可判斷磨痕處存在TiC等硬質第二相粒子阻礙了切削的繼續進行。磨損試樣的主要形貌是犁溝，犁溝的深度和寬度不同，除了與硬度和第二相粒子有關外，還與磨粒有關，由于試驗使用180目砂紙磨樣，在磨損過程中砂紙上的磨粒被磨平，磨屑沿溝槽兩側堆積剝離導致溝槽變寬，并且在磨損時，已經被磨下的磨屑和硬質磨粒也會阻礙溝槽的形成，使得表面溝槽不連續。

圖7 不同熱處理工藝下試驗鋼的表面磨損形貌

3 結論

1) 試驗鋼經淬火-回火后組織主要為回火馬氏體和少量殘留奧氏體，淬火-配分試驗鋼得到馬氏體加較多殘留奧氏體，3次熱循環后馬氏體板條消失，存在塊狀殘留奧氏體，基體中有較多粗大粒狀(Nb,Ti)C析出。

2) 試驗鋼淬火-回火硬度為39.5 HRC，淬火-配分硬度為40.5 HRC，循環熱處理硬度只有30.8 HRC。試驗鋼淬火-回火后存在少量對硬度影響不大的薄膜狀殘留奧氏體，而淬火-配分鋼中有較多殘留奧氏體，磨損過程中發生殘留奧氏體向馬氏體轉變，引起相變硬化，使得淬火-配分鋼的硬度較淬火-回火鋼的好。循環熱處理中馬氏體板條消失，有塊狀殘留奧氏體，快速的淬火冷卻過程中碳原子沒有充分固溶，使得鋼的淬透性差，因此循環熱處理鋼的硬度最差。

3) 不同熱處理工藝下試驗鋼的硬度與磨損量呈反比，試驗鋼循環熱處理后的耐磨性能最差，淬火-回火的次之，淬火-配分的最好。3組試驗鋼磨粒磨損后表面都有大量犁溝，表面磨損機理主要是塑性變形，其中熱循環處理試驗鋼的塑性變形最嚴重，淬火-配分鋼犁溝不連續，存在析出相粒子阻礙砂礫磨削，塑性變形較少。