熱處理工藝對NM450耐磨鋼組織與性能的影響

麻 衡，馬光亭，王月香

（萊蕪鋼鐵集團有限公司，山東 萊蕪 271104）

學會動態(tài)

熱處理工藝對NM450耐磨鋼組織與性能的影響

麻 衡，馬光亭，王月香

（萊蕪鋼鐵集團有限公司，山東 萊蕪 271104）

對控軋控冷工藝生產(chǎn)的16 mm厚度規(guī)格NM450耐磨鋼板進行930℃+保溫20 min淬火、200℃+保溫25 min回火處理，并對熱軋態(tài)、淬火態(tài)及回火態(tài)的鋼板取樣進行組織性能分析。結(jié)果表明，熱軋后鋼板組織為鐵素體+珠光體以及少量貝氏體，淬火組織為馬氏體+殘余奧氏體以及少量貝氏體，回火組織為馬氏體+殘余奧氏體+針狀貝氏體。試驗鋼淬火+回火處理后Rm1 378 MPa，A5021.5%，-20℃夏比沖擊功61 J，表面布氏硬度443 HBW，具有良好的綜合力學性能。

耐磨鋼；NM450；淬火；回火；微觀組織；力學性能

1 前言

近年來，工程機械行業(yè)對耐磨鋼的要求越來越苛刻，要求耐磨鋼板不僅要有高硬度、高耐磨性，還要有高強韌性。目前TMCP技術已經(jīng)廣泛應用于低合金高強鋼的生產(chǎn)過程中，但是對于像耐磨鋼一類要求性能穩(wěn)定性與均勻性非常高的關鍵結(jié)構件用鋼，離線熱處理（淬火+回火）生產(chǎn)工藝仍然無可替代[1-2]。國內(nèi)外鋼廠生產(chǎn)NM450高強度耐磨鋼板多采用淬火+低溫回火熱處理狀態(tài)交貨，因此，研究熱處理工藝對耐磨鋼板組織性能的影響具有重要意義。本研究探討熱處理工藝對NM450耐磨鋼組織性能的影響，以期為材料的生產(chǎn)和應用提供參考。

2 試驗材料及方法

試驗材料為NM450連鑄坯，根據(jù)NM450耐磨鋼標準及用戶要求的硬度、強度、韌性及其焊接性能等指標，同時考慮到其經(jīng)濟性，成分設計通常不添加Nb、V等貴重合金元素，而是通過添加Cr、Mo、B等元素來提高產(chǎn)品的淬透性，具體成分要求見表1。力學性能通常要求抗拉強度不低于1 250 MPa，伸長率A50不低于7%，-20℃沖擊功（縱向）均值不低于24 J，表面布氏硬度為420～480 HBW。

表1 NM450耐磨鋼要求的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）%

由于NM450鋼板成品規(guī)格較厚（16 mm），故采用控軋、軋后空冷工藝生產(chǎn)，并進行淬火和回火熱處理。為了保證成品鋼板的表面質(zhì)量，同時為保證鋼坯原始晶粒不至于過分長大使軋后鋼材晶粒難以細化，將加熱溫度設定為1 200℃，保溫足夠時間（5～6 h），以保證熱軋前連鑄坯組織的均勻性。熱軋過程中為確保獲得較為理想的熱軋態(tài)組織，精軋開軋溫度設為930℃，終軋溫度為860～880℃。軋后規(guī)格為16 mm。

將控軋+空冷得到的熱軋態(tài)鋼板進行熱處理，淬火溫度一般為Ac3以上30～50℃，低溫回火工藝一般在150～300℃溫度范圍內(nèi)進行。試驗用鋼淬火溫度為930℃，保溫20 min，隨后加熱到200℃，保溫25 min。

1）微觀組織分析。分別將熱軋后及不同熱處理工藝處理后的鋼板沿垂直于軋制方向切開，觀察寬度方向中心處的微觀組織。試樣經(jīng)砂紙研磨、電動拋光后，用2%的硝酸酒精溶液腐蝕，在Leica DMIRM金相顯微鏡及FEI Quanta 600掃描電鏡下進行組織觀察。

2）力學性能檢測。在熱處理后的鋼板上取矩形試樣，試樣上下表面經(jīng)銑床加工后，在TH600布氏硬度計上檢測鋼板硬度，選用Φ10 mm淬火鋼球壓頭，3 000 kg載荷保持10 s。

沿熱處理后鋼板的橫向切取拉伸試樣，取樣標準按照GB/T 228《金屬拉伸試驗方法》進行，用Z2000型全自動拉伸試驗機進行拉伸試驗，橫梁移動速度為60 mm/min。

沿熱處理后鋼板的縱向切取沖擊試樣，按照GB/T 229《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》進行沖擊試驗，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，采用V形缺口，在Instron 9250 HV落地式示波型沖擊試驗機上進行低溫沖擊試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 鋼板的微觀組織

厚度16 mm NM450耐磨鋼板熱軋態(tài)、淬火態(tài)和

圖1 厚16 mm NM450耐磨鋼板不同狀態(tài)、不同部位的金相組織

圖2 厚16 mm NM450耐磨鋼板不同狀態(tài)、不同部位的SEM組織形貌

微觀組織分析表明，熱軋后鋼板組織主要是鐵素體+珠光體以及少量貝氏體（圖1a～c、圖2a～c）。鐵素體呈不規(guī)則的細長條狀，心部出現(xiàn)了明顯的帶狀偏析。

淬火態(tài)鋼板3個位置處的組織均為馬氏體+殘余奧氏體以及少量貝氏體，并且從表面到心部殘余奧氏體逐漸減少，晶粒尺寸變化不大，分別為12.10、11.88、11.78 μm（圖1d～f、圖2d～f）。

回火態(tài)組織為馬氏體+殘余奧氏體+針狀貝氏體，并且從表面到心部貝氏體含量逐漸增多，尺寸增大，分布更均勻。此外，在馬氏體基體上還有少量析出物（圖1e～i、圖2e～i）。回火板條馬氏體組織與淬火板條馬氏體形貌相似，這是由于回火溫度相對較低，板條馬氏體沒有大量分解，保持原有的板條狀態(tài)。

3.2 鋼板力學性能分析

試驗鋼不同處理狀態(tài)拉伸、沖擊及其硬度試驗結(jié)果如表2所示。可以看到，試驗鋼在淬火后微觀組織的改變使得強度和硬度得到大幅度提升，達到了NM450指標要求。由于該試驗鋼服役環(huán)境決定了對硬度和強度要求較高，韌性不是關鍵指標，故成分設計時影響韌性的碳、錳等成分含量較高。與組織對比分析，在保證強度和硬度的前提下，可以適當提高回火溫度，有助于提高鋼板的韌性。

表2 厚16 mm NM450耐磨鋼板不同狀態(tài)的力學性能

3.3 熱處理工藝影響分析

淬火溫度對強度和塑性的影響主要是由于微觀組織的變化引起的。淬火溫度過高，淬透性好、機械性能高，但溫度過高，奧氏體晶粒易于粗大，淬火后得到粗大的馬氏體組織，并且易變形甚至開裂；一般鋼在淬火后回火時，隨著溫度的升高和時間的延長，會發(fā)生馬氏體中碳的偏聚、馬氏體的分解、碳化物類型的轉(zhuǎn)變、相的回復再結(jié)晶、滲碳體集聚和球化等組織變化。這幾個過程均被碳和合金元素的擴散所控制，是相互重疊進行的，很難截然分開。

回火溫度較低時，馬氏體發(fā)生分解，同時馬氏體中的碳濃度降低，馬氏體中過飽和的固溶碳將發(fā)生脫溶，析出碳化物。回火溫度越高，馬氏體分解越快，析出的碳化物越多，馬氏體的碳濃度降低也越多。

實踐表明，本試驗鋼最佳的熱處理工藝為：淬火溫度930℃，保溫20 min；回火溫度200℃，保溫25 min。材料可得到最佳的強韌性匹配。

4 結(jié)論

4.1 熱軋后鋼板組織主要是鐵素體+珠光體以及少量貝氏體，鐵素體呈不規(guī)則的細長條狀；淬火后，組織為馬氏體+殘余奧氏體以及少量貝氏體，與熱軋態(tài)相比，晶粒尺寸未發(fā)生明顯變化；回火后組織為馬氏體+殘余奧氏體+針狀貝氏體，并且從表面到心部貝氏體含量逐漸增多，尺寸增大，分布更均勻，由于回火溫度相對較低，板條馬氏體還沒有大量分解，保持原有的板條狀態(tài)，其組織形貌與淬火態(tài)相似，相應的強度和硬度變化不大。

4.2 在保證微合金元素強化基礎上，軋后需要采用淬火+回火工藝處理，即在Ac3+（30～50℃）淬火，保證獲得馬氏體基體組織，再通過200℃低溫回火處理，消除淬火應力，降低脆性，使組織達到穩(wěn)定狀態(tài)，最終可獲得理想的綜合性能。

[1]麻衡，周平，劉軍剛，等.回火溫度對NM360耐磨鋼組織與性能的影響[J].金屬熱處理，2011，36（4）：66-68.

[2]衣忠文，麻衡.Nb-Mo、V微合金元素對NM500超高強度耐磨鋼板組織與性能的影響[J].金屬熱處理，2013，38（7）：57-61.

Influence of Heat Treatment Process on the Microstructure and Property of Wear-resistant Steel NM450

MA Heng,MA Guangting,WANG Yuexiang
（Laiwu Iron and Steel Group Corporation,Laiwu 271104,China）

The heat treatment process quenching at 930℃+holding for 20 mins and tempering at 200℃+holding for 25 mins were carried out for 16 mm NM450 wear-resistant steel plate produced by controlled rolling and controlled cooling process.The microstructure and properties of as-rolled,quenched,and tempered steel plates were sampled and analyzed.The results showed that, there were ferrite+pearlite and a little of bainite in the microstructure of as-rolled plate,martensite+retained austenite and a small amount of bainite in the microstructure of quenched plate,and martensite+retained austenite+acicular bainite in the microstructure of tempered plate.After the tested steel was quenched and tempered,its tensile strength was 1 378 MPa,its elongation A50 was 21.5%,its charpy impact energy at-20℃was 61 J,its brinell hardness on plate surface was 443 HBW.The steel plate possesses a good comprehensive mechanical property.

wear-resistant steel;NM450 steel;quenching;tempering;microstructure;mechanical property

TG161；TG142.1

A

1004-4620（2015）04-0039-03

2015-05-22

麻衡，男，1985年生，2007年畢業(yè)于西安建筑科技大學材料成型及控制工程專業(yè)。現(xiàn)為萊鋼集團銀山型鋼有限公司寬厚板事業(yè)部工程師，從事中厚板鋼新產(chǎn)品研發(fā)及工藝研究工作。回火態(tài)表面、1/4厚度處及1/2厚度處的微觀組織見圖1、圖2。

試驗研究