薄規格耐磨鋼淬火條紋分析與工藝改進

黃 朋，鎮 凡，杜 平，曲錦波

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

耐磨鋼作為一類重要的鋼鐵材料，具有高強度、高硬度、易成形、可焊接等良好的綜合性能，廣泛應用于工程機械、礦山機械、煤炭采運等領域[1-5]。隨著我國經濟的快速發展，對耐磨鋼的需求量逐漸增長。在耐磨鋼的生產過程中，淬火工藝尤為關鍵，如果控制不當，容易導致淬火后鋼板硬度不均勻、板形不良等問題，影響后續加工使用[6]。

薄規格(厚度≤20 mm)耐磨鋼對淬火工藝更為敏感，淬火后硬度分布不均勻或瓢曲變形的傾向更大。某10 mm厚NM400鋼的硬度要求為370～430 HBW，鋼板在淬火后出現表面條紋及硬度分布不均勻情況，如圖1所示。條紋與鋼板軋制方向成約50°角分布，寬度約20 mm，相鄰條紋間隔均勻，間距約50 mm，條紋處硬度較低，為318～330 HBW，不滿足要求，而非條紋處硬度為396～412 HBW，滿足要求。針對此種情況，本文對鋼板條紋位置進行切割取樣，進行條紋形成機理和硬度不均勻的原因分析，在此基礎上對淬火工藝進行優化，以消除條紋和改善硬度均勻性。

圖1 10 mm厚NM400鋼板的淬火條紋形貌Fig.1 Morphology of quenching stripe of the 10 mm thick NM400 plate

1 試驗材料與方法

試驗材料為具有條紋缺陷的10 mm厚度NM400鋼淬火板，淬火所用設備為德國LOI淬火機，其淬火水冷系統分為高壓段和低壓段，高壓段噴水系統分為第一組縫隙噴嘴、第二組雙聯噴嘴(共2組)和第三組箱式噴嘴(共5組)，第一組縫隙式噴嘴后相鄰噴嘴小組間安裝有螺旋輥，共計6根。淬火工藝為：加熱溫度890 ℃，加熱速率2.0 min/mm，淬火機輥速30 m/min、輥縫0 mm，高壓段水壓0.8 MPa，高壓段第一組(縫隙噴嘴)水流量1630 m3/h。

從鋼板條紋部位切割取樣，分別采用PDA-7000直讀光譜儀、CLB3布氏硬度計、TuKon 2500全自動維氏硬度計、蔡司光學顯微鏡等對條紋處進行成分、硬度檢測和顯微組織分析。成分檢測試樣銑磨去除表面0.3 mm后用P180砂紙打磨；表面硬度試樣銑磨去除表面0.3 mm后用P1200砂紙打磨；截面硬度試樣用P1500砂紙打磨后拋光處理，沿深度方向間隔0.2 mm取點進行測量；金相試樣經粗磨、細磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液(體積分數)侵蝕。

為解決淬火條紋和硬度不均勻問題，采用同成分同規格熱軋態鋼板進行不同淬火工藝的優化測試。

2 條紋形成機理分析

2.1 化學成分和顯微組織

表1為NM400鋼淬火板條紋處和非條紋處的化學成分，可見條紋處和非條紋處的化學成分無明顯差別。

表1 NM400鋼條紋處和非條紋處的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical compositions of the striped and non-striped area of the quenched NM400 steel (mass fraction，%)

圖2為NM400鋼淬火板條紋處異常顯微組織和沿厚度方向的布氏硬度測量結果，可以看出，條紋處異常組織厚度為1.2～1.3 mm，而硬度不達標的深度約為1.2 mm，距表層約1.2 mm以下的組織和硬度均趨于正常。

圖2 NM400鋼板淬火條紋處的顯微組織和截面硬度分布Fig.2 Microstructure and hardness distribution in cross-section of the striped area of the quenched NM400 plate

圖3 NM400鋼板淬火板條紋處距表面不同深度位置的顯微組織Fig.3 Microstructure at different depth from surface of the striped area of the quenched NM400 plate(a) 0.3 mm； (b) 0.6 mm； (c) 1.2 mm； (d) 1.3 mm

圖3為NM400鋼淬火板條紋處的截面顯微組織。可以看出，鋼板由表面至厚度方向1.3 mm處的組織變化為鐵素體+貝氏體→貝氏體→貝氏體+馬氏體→馬氏體。

2.2 淬火條紋形成機理

根據化學成分、截面硬度和顯微組織分析可知，NM400鋼淬火板的組織異常是出現條紋和硬度不均勻的主要原因。結合淬火過程來看，鋼板在淬火時首先進入淬火機高壓段縫隙式噴嘴，經縫隙式噴嘴水冷后進入淬火機螺旋輥。鋼板經縫隙式噴嘴冷卻后，如果溫度未降到馬氏體相變溫度以下，則需經螺旋輥進一步冷卻至相變結束。螺旋輥由輥環和輥槽組成，如圖4所示。輥環阻礙了冷卻水與鋼板表面的接觸和流動，導致輥環處鋼板溫降慢、冷速小，形成鐵素體和貝氏體組織；而輥槽處冷卻水繼續以較快的速度流動，可使鋼板快速冷卻至馬氏體區完成相變[7]。因此，這種螺旋輥輥環與輥槽相間排布帶來的局部冷卻能力的差異是造成鋼板淬火條紋的主要原因，受到輥速、輥縫等因素的影響，也與鋼板在縫隙式噴嘴水冷后的溫度有關。

圖4 淬火機螺旋輥Fig.4 Spiral rollers of the quenching machine

3 工藝優化及應用

3.1 工藝優化措施

根據鋼板淬火條紋形成機理分析可知，鋼板淬火條紋的產生是在淬火時經縫隙式噴嘴水冷后進入螺旋輥時因輥環與輥槽的冷卻能力不同而產生組織異常造成的，結合生產設備和現行淬火工藝，可從以下幾點進行優化改進：

1) 增大淬火機縫隙式噴嘴水流量。薄規格耐磨鋼的淬火組織轉變主要發生在縫隙式噴嘴水冷過程中，如果縫隙式噴嘴的水流量不足、冷速小，鋼板在此階段冷卻過程中未完成馬氏體轉變，則需進入螺旋輥進一步冷卻并發生相變。因此，可通過增大縫隙式噴嘴的水流量，提高鋼板在此階段冷卻過程中的冷速，使其完成馬氏體轉變，避免鋼板在進入螺旋輥后的冷卻時發生相變進而產生組織異常。據此，結合生產實際驗證，將淬火機縫隙式噴嘴水流量由1630 m3/h增加為1750 m3/h。

2) 降低淬火機輥速。淬火機輥速是影響淬火冷速和板形控制的重要因素。淬火輥速大，鋼板在縫隙式噴嘴階段的停留時間短，溫降小；淬火機輥速小，鋼板在縫隙式噴嘴的停留時間增加，溫降大，但同時也延遲了鋼板淬火入水時間，降低了入水溫度。若淬火機輥速過小，可能造成鋼板淬火的入水溫度低于Ar3溫度，且板形不易控制。結合生產實際驗證，將淬火機輥速由30 m/min減小到10 m/min時，既能確保鋼板淬火的入水溫度高于Ar3溫度，又延長了鋼板在縫隙式噴嘴階段的冷卻時間，進而增大溫降程度，完成馬氏體轉變。

3) 調整淬火機輥縫。淬火機輥縫可對鋼板淬火畸變起到抑制作用。淬火機輥縫小會阻礙螺旋輥輥環處冷卻水水流，淬火鋼板局部變形傾向增大；淬火機輥縫大，淬火機抑制鋼板變形作用減弱，鋼板整體變形傾向增大。結合生產實際驗證，將淬火機輥縫由0 mm調整為3 mm，既能保證螺旋輥輥環處冷卻水的正常流動，又能對淬火鋼板變形起到抑制作用。

4) 優化淬火溫度。由于淬火機輥速的降低會使鋼板淬火時的入水溫度降低，因此提高淬火溫度有利于控制入水溫度高于Ar3溫度。結合生產實際驗證，將淬火溫度由890 ℃調整為910 ℃。

3.2 優化效果

圖5為采用優化的淬火工藝對10 mm厚NM400鋼板進行淬火后的宏觀形貌和截面顯微組織，可見鋼板表面條紋消除，板形良好，鋼板不平度≤1 mm/m，顯微組織和硬度分布正常，均滿足標準要求。在此淬火工藝優化的基礎上，對其它薄規格(6～20 mm厚)耐磨鋼的淬火工藝進行微調，效果良好。應用淬火工藝優化生產一批次共計2445塊鋼板，未發現鋼板表面條紋缺陷，板形平整，性能優良。

圖5 采用淬火工藝優化后的NM400鋼板表面質量和顯微組織(a)表面形貌；(b)不平度檢測；(c)截面顯微組織和硬度分布Fig.5 Surface quality and microstructure of the NM400 plate after the optimized quenching process(a) surface morphology; (b) unevenness detection; (c) microstructure and hardness distribution in cross-section

4 結論

1) NM400鋼淬火板表面條紋和硬度不均勻是由于淬火冷卻不均勻引起的，即鋼板經過縫隙式噴嘴冷卻后溫度仍高于馬氏體轉變溫度，進入淬火機第一組螺旋輥后，由于輥槽、輥環處水流不均產生較大的冷速差異，進而造成不同位置的組織和性能差異。

2) 通過調整淬火溫度和淬火機水流量、輥速、輥縫等參數，解決了淬火板表面條紋和硬度不均勻問題，應用優化的淬火工藝生產的一批次鋼板均獲得了良好的板形和硬度均勻性。