Ti含量對高Ti馬氏體耐磨鋼組織與性能的影響

劉海生，張曉娟，苑少強，李雷雷，武會賓，楊躍輝

(1. 唐山學院 河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室，河北 唐山 063000；2. 北京科技大學 鋼鐵共性技術協同創新中心，北京 100083)

耐磨鋼誕生于1883年，目前已經發展到了第三代。其中，第一代為高錳奧氏體耐磨鋼[1]，第二代為高鉻鑄鐵[2]，現在廣泛應用的則為第三代低合金耐磨鋼[3-5]。此類鋼具有優良的焊接性與力學性能，因此被廣泛應用到煤炭、工程機械等領域。目前，提高低合金耐磨鋼耐磨性能的最主要方式是提高基體的C含量，保證其擁有高的硬度，進而獲得高的耐磨性能，但C含量的提高會使鋼的塑韌性、加工性能和焊接性能降低，影響鋼的綜合力學性能與工藝性能。

近年來的研究發現，在鋼基體中引入第二相顆粒可以在不增加C含量的基礎上提高其耐磨性[6-8]。在這一方面，TiC顆粒具有高硬度(3200 HV)和低密度的優勢，是理想的第二相顆粒[9-12]。目前TiC的引入可以分為外加法和內生法[13-14]，其中內生法是通過高Ti(>0.1%)的成分設計，使其基體內部原位內生TiC顆粒，此種方法獲得的TiC顆粒與基體結合強度高，因此具有更好的耐磨性，但在研究中發現，當Ti含量較高時，在基體中析出時會形成“微米-亞微米-納米”的三峰尺度，其中微米級的TiC顆粒在磨損過程中由于其超高硬度，會破損磨砂礫子，鈍化尖角，減少磨損過程中對基體的磨損，進而可以提高基體的磨損性能，但微米級TiC顆粒的室溫結構FCC型，在基體BCC型中為不共格析出，在基體受到塑性變形時，這些微米級的顆粒會作為應力集中源，使得基體的韌塑性一定程度的下降。

本文通過添加不同的Ti含量，對鋼中微米級TiC顆粒的數量進行了分析，進而討論了其對鋼組織性能的影響，并討論了回火過程中組織的演化及其對微米級TiC顆粒數量的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗鋼的化學成分如表1所示，為研究微米級Ti析出顆粒對鋼性能的影響，在鋼中分別添加了0.31%和0.55%的Ti。試驗鋼采用ZGJL0.05-100-2.5D型真空感應熔煉爐冶煉后澆注成25 kg的鋼錠，將鋼錠加熱至1200 ℃保溫2 h后鍛成尺寸為100 mm×80 mm×60 mm 方錠，冷卻至試室溫后再加熱至1200 ℃保溫1.5 h，經熱軋后獲得12 mm厚的鋼板，空冷至室溫。對熱軋扳進行淬火+回火處理，先加熱至900 ℃保溫1 h后水淬，再分別加熱至180、230、300、400、500 ℃，保溫1 h后空冷。

表1 試驗鋼的化學成分

1.2 試驗方法

熱處理后的試驗鋼在CMT4105電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，測定其強度與伸長率，拉伸速率2 mm/min，干砂/橡膠輪磨損試驗則在MLG-130型干砂/橡膠輪磨損試驗機上完成。

從熱處理后鋼板上切取金相試樣，經研磨、拋光后，使用體積分數為4%的硝酸酒精浸蝕，再在QUANTAFEG450掃描電鏡上進行組織觀察和微區元素分析，并使用EVO18儀器的INCA Feature功能對試驗鋼中的TiC尺寸、數量進行精確定量統，掃描區域為5 mm×5 mm，選擇了20個視場，掃描區域如圖1所示。并用HV1000顯微硬度計測定其維氏硬度，加載載荷為4.9 N，保荷為10 s。

圖1 微米級TiC顆粒的掃描區域Fig.1 Scanning area of micro-sized TiC particles

2 試驗結果及討論

2.1 Ti含量對顯微組織的影響

圖2為不同Ti含量試驗鋼的顯微組織。可以看出，兩種試驗鋼的馬氏體在回火過程中的變化趨勢基本一致，隨著回火溫度的升高，馬氏體的回復越來越充分，板條發生合并，碳化物逐漸析出并粗化[15]。

圖2(a)顯示，0.55%Ti試驗鋼的板條明顯比0.31%Ti 試驗鋼的板條細，馬氏體板條的粗細與初始奧氏體晶粒大小有很密切的關系。兩種試驗鋼由于都加入了Ti，因此軋制和回火過程易于形成納米級TiC顆粒，納米級的TiC顆粒在高溫軋制時可以對原始奧氏體晶界起到釘扎作用，有效阻礙晶粒的長大[16]，但0.55%Ti試驗鋼中Ti含量更高，能夠析出更多的TiC顆粒，因此其獲得的晶粒更為細小。

從回火溫度的影響來看，當回火溫度為180 ℃時，兩種鋼的板條依然明顯，但有粗化的跡象。同時，由圖2(c,d)可以看到，兩種鋼均有微米級顆粒的出現，如箭頭所示，EDS檢測表明這些顆粒分別為TiN和TiC，TiC顆粒成不規則的形狀，而TiN則成規則的矩形，其尺寸在5 μm左右。

回火溫度為300 ℃時，組織中出現了較多的黑色產物，且在較低的倍數下觀察發現0.55%Ti試驗鋼中黑色產物明顯多于0.31%Ti試驗鋼，如圖2(d)中箭頭所示，EDS分析表明其大部分為TiC顆粒，后續的數量統計也證明了0.55%Ti試驗鋼中的微米級TiC顆粒多于0.31%Ti試驗鋼，表明更高的Ti含量將會有助于生成更多的微米級TiC顆粒。

圖2 31Ti鋼(a1～f1)和55Ti鋼(a2～f2)不同溫度回火后的SEM圖(a)淬火態;(b)180 ℃;(c)230 ℃;(d)300 ℃;(e)400 ℃;(f)500 ℃Fig.2 SEM images of the 31Ti(a1-f1) and 55Ti(a2-f2) steel tempered at different temperatures(a) as-quenched; (b) 180 ℃; (c) 230 ℃; (d) 300 ℃; (e) 400 ℃; (f) 500 ℃

回火溫度升高至400～500 ℃時，可以看到板條周圍聚集越來越多的白色析出碳化物，如圖2(f)所示，且組織中的板條結構逐漸消失。0.55%Ti試驗鋼在回火溫度400 ℃時，尚能看到板條的結構，500 ℃時板條結構基本消失，而0.31%Ti試驗鋼在400 ℃時板條合并就十分明顯，表明更高的Ti含量可以阻止馬氏體板條的合并，提高馬氏體的穩定性。

2.2 Ti含量對力學性能的影響

圖3為兩種試驗鋼在不同熱處理工藝下的力學性能。可以看出，兩種試驗鋼的抗拉強度和硬度均隨著回火溫度的升高而逐漸降低。這是由于隨著回火溫度的升高，C原子活動能力增強，逐漸從馬氏體中脫溶出來，造成馬氏體基體固溶強化作用減弱，導致鋼的硬度、強度降低。

圖3 不同熱處理工藝下試驗鋼的力學性能(a)強度；(b)硬度Fig.3 Mechanical properties of the tested steels under different heat treatment processes(a) strength; (b) hardness

同時，可以發現0.55%Ti試驗鋼的抗拉強度低于0.31%Ti試驗鋼，其主要原因是高的Ti含量導致基體中的C當量下降，故進一步導致鋼的抗拉強度降低，但也可以看出0.55%Ti的屈服強度在各個回火溫度上基本與0.31%Ti試驗鋼相當。文獻[17]研究證明Ti的加入可以顯著提高馬氏體鋼的屈服強度，該過程與Ti的納米析出物有關，納米級的TiC顆粒將會阻礙位錯的運動，進而提高屈服強度。文獻[18]根據Ashby-Orowan公式計算析出強化發現，析出的體積分數與析出強化值成正比，而Ti含量的提高將會使納米級TiC析出量提高，因此其析出強化高于0.31%Ti鋼。

2.3 Ti含量對耐磨性的影響

圖4顯示的是兩種Ti含量的試驗鋼在干砂的磨損條件下的磨損質量損失。可以看出，在相同的熱處理狀態下，Ti含量的提高將會使得試驗鋼基體的磨損量降低，說明其具有更高的耐磨性能。在常規的耐磨鋼中，一般認為耐磨性能是與基體硬度成正相關的，而根據圖3的結果顯示，Ti含量的提高會使得鋼基體的強度有所下降，硬度則相差不大，但耐磨性能卻有所提高，其主要原因為高Ti耐磨鋼是通過引入大量微米級的TiC顆粒來實現耐磨性能的提高。

圖4 干砂條件下試驗鋼的磨損質量損失Fig.4 Wear mass loss of the tested steels under drysand condition

采用掃描電鏡的夾雜物自動掃描系統對兩種試驗鋼的微米級的TiC顆粒(>0.9 μm)進行了定量化統計，結果如圖5所示，可以看出，Ti含量的提高使得基體中微米級的TiC顆粒數量顯著增加，使得鋼的耐磨性能顯著提升，且由圖4也可以看出，耐磨性能的提升在更高回火溫度時更明顯，說明這些TiC顆粒對耐磨性能的提升有明顯的作用。

圖5 不同熱處理工藝下試驗鋼中的微米級TiC顆粒(0.9～7 μm)密度統計Fig.5 Density of micro-sized (0.9-7 μm) TiC particles in the tested steels under different heat treatment processes

從圖4也可以看出，隨回火溫度的升高，兩種鋼耐磨性能的變化規律存在差異。隨著回火溫度的上升，0.55%Ti試驗鋼的磨損量逐漸下降，500 ℃回火后則有所上升。0.31%Ti試驗鋼的磨損量則逐漸上升，500 ℃回火后則有所降低。這可能是由于當Ti含量較低時，在較低的溫度下回火時組織中微米級的TiC顆粒較少(230 ℃回火時測得的顆粒數量即便較多，但由于回火溫度較低，其中較大顆粒的數量仍較少)，耐磨性能主要依靠基體的硬度，基體硬度降低導致磨損量上升，500 ℃回火后碳化物大量析出，微米級硬質相對耐磨性能的作用逐漸顯現，故磨損量有所降低。對于0.55%Ti試驗鋼，其中含有更多的微米級TiC顆粒，且隨著回火溫度的上升，產生微米級TiC顆粒的幾率也更高，故試驗鋼耐磨性能主要受到TiC顆粒的影響，特別是當回火溫度較高時，TiC顆粒的密度雖然較小，但其尺度必然變大，這些微米級TiC提高了鋼的耐磨性能，磨損量相應減小。當500 ℃回火后鋼的硬度明顯降低(如圖3)，表明基體顯著軟化，反而導致鋼的耐磨性能變差，故磨損量有上升的趨勢。

3 結論

1) 相較于0.31%Ti含量，采用0.55%Ti含量時，在相同的熱處理工藝下，試驗鋼的抗拉強度較低，硬度基本相當，但耐磨性能明顯較高。

2) 高的Ti含量易于獲得更多的TiC顆粒，使得基體中的C含量下降，導致鋼的抗拉強度降低，但更多TiC顆粒的析出強化作用使其保持了高的屈服強度和硬度。

3) 當鋼中微米級TiC顆粒較少時，鋼的耐磨性能主要受基體硬度的影響，而當微米級TiC顆粒較多時，其對鋼耐磨性能的影響更為明顯。

4) 較低溫度回火后析出的TiC顆粒較為細小，無法明顯改善鋼的耐磨性能。