高性能經濟性NM400耐磨鋼板的研究與開發

顧大慶，麻 衡

（山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟南271104）

1 前 言

目前，各國都十分重視耐磨鋼的開發，希望減輕工程機械設備自重并提高材料的使用效率，使材料的磨損最小，使用壽命最長，作業率最高［1-2］。工程機械在作業過程中零部件存在各種類型的磨損，其中磨料磨損是主要的磨損形式［3］。據不完全統計，因這種磨損和機械工具的自然耗蝕，全球每年消耗的鋼鐵材料在2 000 萬t 以上。在工業發達的國家，由于工程機械采用部分高耐磨鋼材，磨損所造成的損失占國內經濟產值的4%［4-6］，明顯低于發展中國家。

從國內耐磨鋼的研制水平和生產狀況來看，盡管近十幾年來國內部分鋼廠在耐磨鋼的研制和生產方面進步較快，但相比國外耐磨鋼的研制和生產水平還存在相當大的差距。部分優質HB400 及以上級別的耐磨鋼均靠進口，耐磨鋼年主要消耗量為HB400級耐磨鋼［7］。

本文從低成本的角度出發，在Q345B鋼成分上添加Cr、B 強淬透性元素，采用控軋控冷和調質工藝生產，提高耐磨鋼的質量，開發新型高性能低成本NM400 鋼，以降低由于磨損造成的經濟損失，促進國民經濟綠色高效可持續發展。

2 試驗材料及方法

工程機械耐磨鋼在高硬度、高耐磨前提下，具有較好的韌（塑）性及低焊接裂紋敏感性，因此需對成分及熱處理工藝進行重新設計。低成本Cr-B系NM400鋼的成分設計主要考慮C、Si、Mn、Cr、B、V等元素的作用和含量，其中Cr、B 元素可大幅提升鋼的淬透性，使淬火組織轉變為馬氏體［8］，隨后通過回火處理改善鋼的塑性和韌性。低成本Cr-B 系NM400鋼化學成分控制如表1所示。

表1 NM400鋼的熔煉成分（質量分數） %

鋼板在奧氏體的再結晶區和未再結晶區軋制時會表現出不同的變形抗力，同時軋制工藝參數直接影響軋后鋼板的晶粒尺寸和淬火馬氏體的板條束寬度，進而影響產品的力學性能［9-10］。為研究軋制工藝對低成本Cr-B 系NM400 再結晶規律的影響，采用Gleeble-3800 熱力模擬機進行熱壓縮試驗，所選溫度區間為800～1 150 ℃，應變速度為0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1，采集并分析不同試驗條件下應力-應變曲線。

采用LEICA DM6000 對低成本Cr-B 系NM400金相組織進行觀察，分析軋制及熱處理工藝對鋼板組織及性能影響。用線切割切取厚度為0.3 mm 的薄片，進行機械研磨至50 μm 并沖壓成Φ 3 mm 圓片，然后用電解雙噴法制備薄膜狀試樣，電解液是10%的高氯酸酒精溶液，在Tecnai G2 透射電鏡下觀察鋼中析出物。低成本Cr-B系NM400布氏硬度在Wilson-UH4750試驗機測定，統計并分析布氏硬度變化規律。

3 工藝研究與控制

3.1 軋制工藝研究

應力-應變曲線反應了不同軋制工藝下奧氏體的變形抗力、動態軟化率及再結晶情況，低成本Cr-B 系NM400 鋼的應力-應變曲線如圖1 所示。由圖可知，變形溫度對低成本Cr-B 系NM400 鋼峰值應力影響顯著，隨變形溫度升高，變形抗力的峰值應力總體呈下降趨勢，如圖1a 所示。當應變速率為0.01 s-1時，當變形溫度從850 ℃升至1 150 ℃，峰值應力由150 MPa 降至45 MPa。應變速率對奧氏體動態再結晶的溫度影響明顯，應變速度為0.01 s-1時，發生動態再結晶的變形溫度為850 ℃；當應變速率增至1 s-1時，所有溫度下應力-應變曲線均未出現軟化趨勢，說明此應變速率下奧氏體難以發生再結晶。由高溫熱壓縮試驗可知，低成本Cr-B 系NM400 鋼在較低應變速率下奧氏體可發生動態再結晶，所以低成本Cr-B 系NM400 鋼在再結晶區軋制時，可采用較低軋制速度和較大壓下量來提高奧氏體動態再結晶，使變形滲透到鑄坯心部，提高鋼板厚度方向奧氏體晶粒均勻性，同時使再結晶充分，充分細化奧氏體晶粒。奧氏體未再結晶區采用1 s-1以上軋制速度軋后可有效提高累計變形量來細化組織，獲得扁平的奧氏體晶粒，為后續相變提供大量相變能和形核位置。

圖1 新型低成本NM400鋼的真應力-應變曲線

3.2 熱處理工藝研究

為了探索合適的淬火溫度，從低成本Cr-B 系NM400熱軋鋼板上切取小鋼板，進行不同溫度的淬火熱處理試驗。淬火溫度為870、900、930 和960 ℃，然后對淬火后試樣進行相關力學性能檢測和顯微組織觀察。淬火態布氏硬度值如圖2所示。從圖2 中可以看出，鋼板的硬度值均大于國標（GB T 24186—2009）要求，對比不同淬火溫度下的布氏硬度值變化趨勢，可以發現鋼板在870～930 ℃溫度區間淬火后布氏硬度值較高。隨淬火溫度增加，布氏硬度略有降低，這是由于V（CN）析出粒子的固溶溫度有關，根據V（CN）的固溶溫度可知，900～950 ℃大量析出相開始固溶，降低了第二相粒子的析出強化效果。從布氏硬度結果可知，含V鋼的淬火溫度并不需要太高。

圖3為鋼板的淬火后組織，可以看出淬火態鋼板表面的顯微組織均為板條馬氏體。隨淬火溫度的提高，馬氏體板條寬度及板條束長度均有所增加。

圖4 為不同溫度淬火后鋼板的原始奧氏體組織。當淬火溫度為870 ℃時，原始奧氏體晶粒尺寸約為8～10 μm，晶粒尺寸較??；隨著淬火溫度的提高，原始奧氏體晶粒尺寸增大，但并未明顯粗化。

根據淬火結果，將試樣經過900℃淬火試驗后進行不同溫度的回火，回火溫度為200、250、300、400 和500 ℃，并對回火試樣進行相關力學性能檢測和顯微組織觀察。圖5 為鋼板在不同溫度回火后拉伸性能變化趨勢。由圖可知，鋼板抗拉強度隨回火溫度升高逐漸降低，而伸長率逐漸升高，鋼板經中溫回火后（400～500 ℃），抗拉強度降低最為明顯。由此可知，低成本Cr-B 系NM400 的適宜回火溫度范圍200～300 ℃。

圖2 淬火溫度對淬火態鋼板布氏硬度的影響

圖6 為不同溫度回火后的布氏硬度平均值，從圖中可以看出，不同回火溫度的硬度值并沒有發生明顯變化，鋼板在低溫回火后硬度值均優于標準要求。

圖3 不同溫度淬火后鋼板的顯微組織

圖4 不同溫度淬火后鋼板的原始奧氏體組織

圖5 回火溫度對鋼板抗拉強度和伸長率的影響

圖6 不同溫度回火后鋼板表面的布氏硬度值

根據研究結果，結合現場生產設備特點，本文中低成本Cr-B 系NM400 鋼合適淬火溫度范圍為900～930 ℃，適宜回火溫度范圍為200～300 ℃，確定工業熱處理工藝如表2所示。

表2 新型低成本Cr-B系NM400鋼熱處理工藝

4 試制產品組織與性能

低成本Cr-B 系鋼板NM400 生產工藝流程為：鐵水預處理→轉爐冶煉→LF+RH精煉→板坯連鑄、緩冷→板坯加熱→除鱗→粗軋→精軋→控冷→熱矯→冷床緩冷→淬火+回火→堆垛入庫。

產品硬度檢驗如圖7 所示。從圖中數據可以看出，鋼板硬度均勻，波動范圍小，完全滿足國家標準和用戶的要求，其中薄/厚規格產品硬度集中在395～400 HBW，中間厚度規格16～30 mm 硬度集中在410～415 HBW。

圖7 不同厚度鋼板的布氏硬度平均值

在Q345B基礎上，采用添加少量強淬透性元素Cr、B 開發出低成本Cr-B 系NM400，滿足大部分用戶的需求，達到降低生產成本，提高產品附加值和進入市場優勢。如表3所示，低成本NM400鋼板不僅滿足硬度要求，同時也滿足了強塑性要求。

表3 新型低成本Cr-B系NM400鋼板的力學性能

低成本Cr-B系NM400鋼各工藝階段組織如圖8所示。熱軋態組織是細小均勻的鐵素體+珠光體，淬火后組織是細小的板條馬氏體+極少量的殘余奧氏體，回火后組織是回火馬氏體。各工藝階段鋼板組織均勻性較好，從而保證了鋼板的硬度均勻性。

圖8 新型低成本Cr-B系NM400鋼板的金相顯微組織

圖9 為淬火態和回火態馬氏體的板條結構和碳化物形態。從圖9可以看出，淬火后鋼板中相互交叉的馬氏體束有效縮短了板條滑移距離，晶界強化效果明顯；板條內含有大量的碳化物析出相，碳化物的析出與晶界呈45°交叉角。鋼板經回火后馬氏體中亞板條結構并未明顯退化，同時沿板條晶界也析出碳化物，析出強化效果提高，可以顯著提高鋼的耐磨性。

圖9 淬火態和回火態馬氏體的透射電鏡微觀組織

5 耐磨性試驗

從工業生產的低成本Cr-B系NM400和Q345B鋼板表層分別切取厚度相同的試樣3塊，編號為1#、2#、3#、4#、5#、6#，表面打磨使光潔度相同，在磨損試驗機上進行磨損試驗，其中1#、4#轉數3 000 r/min，2#、5#轉數6 000 r/min，3#、6#轉數9 000 r/min。

表4顯示經過3 000、6 000和9 000轉后磨損失重，從對比數據來看，相同轉速下低成本Cr-B 系NM400的磨損失重量明顯小于Q345B，轉速越大差距越明顯，說明低成本Cr-B 系NM400 鋼耐磨性顯著優于Q345B。

表4 低成本Cr-B系NM400和Q345B鋼板的磨損失重對比

圖10為磨損表面的微觀形貌，從SEM圖來看，低成本Cr-B 系NM400 耐磨鋼表面磨損均勻，無大坑洞，說明低成本Cr-B 系耐磨NM400 鋼板硬度均勻，耐磨性良好。

圖10 NM400鋼板磨損表面的微觀形貌

6 結 語

新型低成本Cr-B系NM400 鋼板在Q345B成分上添加Cr、B強淬透性元素，提高了鋼板的淬透性。經合理的軋制及熱處理后，成品鋼板表面布氏硬度＞395 HBW，抗拉強度超過1 280 MPa，斷后伸長率＞27%，且耐磨性良好。新型低成本Cr-B 系NM400 鋼板經中平能化集團機械制造有限公司和新加坡瑞泰實業有限公司在刮板運輸機使用，產品實物性能完全滿足使用要求，并得到了用戶的肯定。