低成本高韌性NM500鋼板的研究及開發

關鍵詞：NM500；低成本；高韌性；力學性能；耐磨性

0 引言

磨損、腐蝕和斷裂是金屬材料服役過程中常見的三大失效形式，相比于斷裂，磨損不會直接造成災難性的事故，但是會引起設備部件故障，需要頻繁更換部件，顯著降低了設備的使用壽命和工作效率。目前，中國鋼鐵行業已經形成了比較完善的耐磨鋼板生產線，并實現了系列牌號耐磨鋼的生產，其中NM450及以下級別的耐磨鋼生產技術較為成熟。但是，生產高級別、厚規格和低成本耐磨鋼等關鍵技術仍需突破。近年來關于NM500的研究日漸增多，最初是通過Ti-Mo-B微合金化開發出了NM500鋼板。通過V微合金化可以細化晶粒，提高沖擊韌性。通過兩階段控冷、卷曲保溫結合低溫回火可以開發出高成型性的薄規格NM500。對低溫回火溫度進行研究，發現最佳的回火溫度為200℃。此外，冶煉過程中的純凈度對NM500鋼板的性能也會產生較大影響，因為NM500鋼板的強度較高，高純凈度冶煉可以顯著提高產品的合格率。稀土的添加可以凈化晶界、改善夾雜物和細化組織，有效提高耐磨鋼的低溫韌性。

此外，隨著最近機械工程行業的不景氣，耐磨鋼生產廠家之間的競爭愈發激烈，開發低成本的耐磨鋼可以提高產品的競爭力。但是高級別耐磨鋼由于其強度較高、熱處理后的殘余應力較大，因此在加工和變形時經常產生裂紋，尤其是切割后的延遲開裂。鋼板的強度越高，氫脆敏感性也越大，切割后產生裂紋和延遲裂紋的風險越大。氫元素容易在偏析和缺陷處富集，提高了氫脆裂紋產生的概率，而合金減量化有利于減小偏析，從而降低氫致開裂的風險。通過提高純凈度，降低夾雜物和偏析，控制切割溫度和堆冷溫度可以有效降低切割后延遲開裂的風險。但是合金減量化會降低淬透性，因此對于低成本高級別耐磨鋼的開發主要難題在于保證淬透性的同時降低合金含量。

本文通過低成本合金設計結合高純凈度冶煉以及合理的熱處理制度成功生產了低成本NM500鋼板，并對比分析了其與常規NM500鋼板在組織和性能上的區別。

1 實驗材料和方法

所選材料為鋼廠生產的20 mm熱處理態普通NM500鋼板和低成本NM500鋼板，其成分如表1所示。2種鋼的區別在于低成本NM500鋼板取消了Ni元素的添加，降低了Mn含量。Ni元素具有提高低溫沖擊韌性的作用，但卻是低合金高強鋼中成本比較高的元素之一，雖然取消Ni元素的添加會對低溫沖擊韌性有一定的影響，但是仍可以通過高純凈度冶煉以及合適的熱處理工藝保證鋼板的低溫沖擊韌性。普通NM500要求w（N）≤0.0060%，w（H）≤0.00025%；低成本NM500冶煉過程中使用低氮碳粉，保證w（N）≤0.0040%；VD爐抽真空目標0.5tor（67Pa）以下，保持真空脫氣時間不小于20 min，保證w（H）≤0.00015%；鋼中有害殘余元素限制范圍為：w（Sn）≤0.03%、w（Pb）≤0.02%、w（As）≤0.03%。低成本NM500的淬火溫度比普通NM500的淬火溫度低10～20℃，以獲得細小的晶粒，提高韌性。此外NM500鋼板的C含量較高，降低Ni含量可以降低碳當量CEV，普通NM500的碳當量為0.57，而低成本NM500的碳當量降低為0.46，低碳當量有利于提高焊接性能。

從熱處理態鋼板上沿鋼板橫截面（垂直于軋制方向）切取全厚度的金相試樣，經研磨、機械拋光后，采用體積分數4%的硝酸酒精溶液腐蝕，隨后觀察實驗鋼全厚度方向的顯微組織。對試樣進行電解拋光，拋光液為體積分數12.5%的高氯酸酒精溶液，通過配備Oxford symmetry電子背散射衍射（EBSD）探頭的蔡司crossbeam550型號的聚焦離子束掃描電鏡對拋光后的試樣進行微觀組織表征，EBSD的工作電壓為20 kV，步長為0.2 μm，然后使用AZtecCrystal軟件對數據進行后處理。在KB3000BVRZ-SA宏觀硬度計上檢測全厚度試樣的宏觀硬度值，測量間距為1 mm，加載載荷為30 kg，加載時間為10 s。在Future-TechFM-700硬度計上對不同組織的顯微硬度進行測試，加載載荷為500 N，加載時間為10 s。

依據GB/T228—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》中的相關要求，在鋼板1/4厚度位置取橫向拉伸試樣，加工成標

距為25 mm的拉伸試樣，平行段的寬度為7 mm，厚度為3 mm，采用AG-XPLUS電子萬能試驗機檢測熱處理態鋼板的室溫拉伸性能，試驗過程中拉伸速率為1mm/min。按照GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》中的規定，在鋼板1/4厚度位置取縱向（平行于軋制方向）夏比V型缺口沖擊試樣，試樣的具體尺寸為10 mm×

10 mm×55 mm，將試樣放入-40℃的冷卻箱中保溫15 min后，采用ZBC2000-EB擺錘式沖擊試驗機檢測熱處理態鋼板的沖擊韌性。

在實驗鋼上沿軋制方向取尺寸為70 mm×

26 mm×3.5 mm的三體磨料磨損試樣。三體磨料磨損實驗在MLG-130B型干砂橡膠輪磨料磨損試驗機（圖1）上室溫條件下進行的。實驗參數如下：加載載荷為130 N，轉速為200 r/min，橡膠輪直徑為228.6 mm，橡膠輪轉動為2000 r，滑動距離共1 436 m，石英砂尺寸為125～212 μm，石英砂流量為300 g/min，橡膠輪的邵氏硬度為60 HR。每種實驗鋼進行3次實驗，最終取3次實驗的平均值作為實驗結果。磨損實驗前后用酒精將磨損試樣進行超聲波清洗15 min去除附著的磨料顆粒和雜質后，使用可精確到1mg的SECURA225D-1CN電子天平測量磨損實驗前后樣品質量差，根據磨損失重量公式計算出磨損實驗失重量。再通過掃描電鏡對磨損后試樣的磨損形貌進行觀察，磨損機制是引起磨損失重和相對耐磨性變化的根本原因，通過對磨損后的形貌進行分析研究其磨損機制的變化。

2 實驗結果與討論

2.1 微觀組織分析

20 mm厚普通NM500和低成本NM500鋼板的全厚度組織如圖2所示，2種鋼板的組織均為馬氏體，但是在普通NM500厚度1/4和厚度心部觀察到大量白亮帶的存在。合金減量化可以降低偏析的程度，獲得均勻性良好的組織，此外偏析程度降低也會減小鋼板的延遲開裂的風險，因為偏析位置容易產生氫脆。

通過顯微硬度計對普通NM500組織中白亮偏析帶和正常組織的硬度進行分析，測試載荷為500 N加載時間為10 s，微觀硬度的測試位置及硬度值如圖3所示。基體硬度為497HV和493HV，白亮偏析帶的微觀硬度為539HV和521HV，偏析帶的硬度明顯高于正常基體的硬度。

通過掃描電鏡對偏析位置的成分進行分析，白亮偏析帶存在Mn元素的偏聚（圖4），這證明了降低Mn含量可以降低偏析程度。而Mn元素會降低C元素的擴散，導致富Mn元素區的C含量升高。而C和Mn的偏聚會提高淬透性，同時會提高強化的效果，提高強度，因此偏析位置的硬度高于基體硬度。所以低成本NM500降低C和Mn含量，可以降低偏析程度，H元素容易在偏析位置偏聚，降低偏析程度可以使氫致開裂敏感性降低。降低N含量可以減少TiN夾雜物的含量，提高韌性；降低H含量可以一定程度上抵消因節鎳造成的氫致敏感性增加。偏析和成分有關系，此外還和連鑄時的電磁攪拌工藝和拉速有關。

圖5為普通NM500鋼板厚度不同位置的組織，根據掃描形貌可知組織均為板條馬氏體。說明普通NM500鋼板的淬透性能良好，可以獲得全厚度的馬氏體組織。表面和厚度1/4位置的組織相差不大，都是板條馬氏體組織；心部位置雖然也是板條馬氏體組織，但是卻可以觀察到大量析出物的存在，說明在淬火過程中心部的冷卻速率較慢，發生了自回火，產生了大量的析出物。

圖6為低成本NM500鋼板厚度不同位置的組織，根據掃描電鏡形貌可知鋼板表面和厚度1/4位置均為全部的板條馬氏體組織。合金減量化會降低淬透能力，但是現階段高性能淬火機的使用可以達到實現低成本NM500鋼板完全淬透的冷速，因此低成本NM500全厚度的組織均為板條馬氏體。此外，由于合金減量化，在鋼板心部未觀察到大量析出物的存在。

對試樣厚度1/4位置進行EBSD分析，通過EBSD數據處理得出晶界分布圖和反極圖，如圖7所示。在一個原始奧氏體晶粒內存在多個板條束，板條束界為大角度晶界；板條束是由多個不同取向的板條塊組成，板條塊界也為大角度晶界；板條塊內是多個平行的板條，板條界為小角度晶界。NM500的大角度晶界（HAGBs）占比為71.2%，小角度晶界（LAGBs）占比為28.8%；低成本NM500的大角度晶界占比為71.6%，小角度晶界占比為28.4%。2種實驗鋼的大角度晶界占比相近，大角度晶界占比對低溫沖擊韌性影響較大。通過反極圖可知2種實驗鋼的晶粒取向為隨機分布，不存在明顯的織構現象，且板條特征明顯，結合晶界分布圖可以比較清楚地分辨出板條塊。

根據圖7中大角度晶界圍成的面積獲得板條塊的等效圓直徑，因為馬氏體鋼強度的控制單元為板條塊，因此以板條塊的大小作為有效晶粒尺寸，獲得的晶粒尺寸分布如圖8所示。NM500的平均晶粒尺寸為1.92 μm，低成本NM500的平均晶粒尺寸為1.94 μm。根據組織和EBSD的分析結果表明，在完全淬透的情況下，合金減量化對大角度晶界占比和晶粒尺寸影響較小。

2.2 力學性能分析

普通NM500鋼板全厚度的宏觀硬度在500HV～530HV之間波動（圖9），心部硬度降低較小，全厚度硬度均勻性良好，但是在一側厚度1/4位置出現一個硬度的峰值，結合全厚度的組織可知在厚度1/4位置存在白亮偏析帶，偏析帶處的硬度偏高，導致在1/4位置出現了異常的硬度峰值。而低成本NM500鋼板全厚度的硬度也在500HV～530HV之間波動，全厚度硬度均勻性良好。

普通NM500的屈服強度為1 259 MPa，抗拉強度為1 591 MPa，伸長率為11.8%，而低成本NM500的屈服強度為1 222 MPa，抗拉強度為

1 583 MPa，伸長率為9.6%（圖10）。兩者的強度相差較小，屈服強度相差37 MPa，與合金減量化造成的固溶或者置換強化降低有關。由于去除了Ni元素的添加，因此造成伸長率略有降低。EBSD分析結果表明2種實驗鋼的有效晶粒尺寸相近，且低成本NM500鋼板的有效晶粒尺寸略大，該分析結果也證明了低成本NM500鋼板的屈服強度會略低于NM500鋼板的屈服強度。

2種鋼板在-40℃均可以獲得良好的低溫沖擊韌性，普通NM500鋼板的沖擊功為64.5J，低成本NM500鋼板的沖擊功為58.8J，2種鋼板的沖擊韌性相差不大（表2）。EBSD分析結果表明2塊鋼板大角度晶界占比相近，低成本NM500鋼板的大角度晶界占比略高，有利于沖擊韌性的提高，而合金減量化會導致韌性降低，在2種因素的作用下導致低成本NM500鋼板的沖擊功略低于NM500鋼板的沖擊功，但是低成本NM500鋼板仍可以具有良好的低溫韌性。

2.3 耐磨性對比分析

干砂橡膠輪磨料磨損屬于三體磨料磨損，其磨損失重量主要與硬度有關，通常來說隨著硬度的提高磨損失重量降低，耐磨性增加。圖11為2種實驗鋼的磨損失重量，低成本NM500鋼板的硬度與普通NM500鋼板的硬度相近，因此兩者的磨損失重量相差不大，都在1.95 g左右，說明低成本NM500鋼板可以獲得良好的耐磨性能。

2種鋼板的磨損形貌相近，均由犁溝、犁皺和剝落坑形貌組成，犁溝和犁皺是磨料磨損的典型形貌（圖12）。2種實驗鋼犁溝的深度和寬度相近，說明兩者的耐磨性相近，與磨損失重量的結果一致。同時還觀察到嵌入基體的磨料，因為2種實驗鋼的硬度較高，因此在磨損過程中對磨料刺入基體以及在基體上滑動有較大的阻礙作用，導致磨料尖端發生斷裂，嵌入在基體上，說明高硬度有利于耐磨性的提高。

3 結論

（1）低成本NM500鋼板的碳當量為0.46，普通NM500鋼板的碳當量為0.57，合金減量化有利于焊接性能的提高。

（2）低成本NM500鋼板全厚度組織為板條馬氏體，大角度晶界占比為71.6%，有效晶粒尺寸為1.94 μm，合金減量化對完全淬透的組織影響較小。

（3）低成本NM500鋼板全厚度硬度均勻，波動較小，在500 HV～520 HV之間，屈服強度為1 222 MPa，抗拉強度為1 583 MPa，伸長率為9.6%，-40℃沖擊功為58.8 J。高的大角度晶界占比和細小的等效晶粒尺寸使低成本NM500鋼板獲得良好的低溫韌性。

（4）低成本NM500鋼板的耐磨性和普通NM500鋼板的耐磨性相同，且形貌均由犁溝、犁皺和少量剝落坑組成。