奧氏體化溫度對微硼耐磨鋼組織性能的影響

張 逖，曹 藝，王昭東，吳 迪，劉琳琳

(1.南京鋼鐵股份有限公司，南京 210035;2.東北大學 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819; 3.國電東北環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團有限公司 沈水灣污水處理廠，沈陽 110141)

奧氏體化溫度對微硼耐磨鋼組織性能的影響

張 逖1，曹 藝2，王昭東2，吳 迪2，劉琳琳3

(1.南京鋼鐵股份有限公司，南京 210035;2.東北大學 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819; 3.國電東北環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團有限公司 沈水灣污水處理廠，沈陽 110141)

采用力學性能測試、金相分析及TEM微觀結(jié)構(gòu)分析，研究了淬火溫度及保溫時間對低合金耐磨鋼顯微組織和力學性能的影響，并通過端淬試驗研究了奧氏體化溫度對淬透性的影響.結(jié)果表明:在830～910℃溫度范圍內(nèi)，淬透性隨奧氏體化溫度升高而提高，當奧氏體化溫度超過910℃時，鋼板淬透性降低.850℃保溫30～45 min的亞溫淬火組織中，存在尺寸為1 μm左右的高缺陷鐵素體彌散分布，使鋼板韌性得到提高;910℃保溫45～60 min完全淬火后，鋼板具有良好的強韌性;奧氏體溫度超過930℃以及延長保溫時間都會使原始奧氏體晶粒粗化，導致鋼板韌性降低.

奧氏體化溫度;耐磨鋼;顯微組織;力學性能;淬透性

高強度低合金耐磨鋼廣泛應(yīng)用于礦山機械、煤炭開采、工程機械及水泥設(shè)備等方面，必須滿足工程機械在惡劣環(huán)境下工作所需的高耐磨、長壽命、簡單冷成型的使用要求.例如，用于制造推土機和裝載機的鏟斗、煤礦開采用電鏟、自動裝卸礦用車及刮板運輸機槽底襯板等.因此，提高鋼板的硬度、強度及韌塑性，是提高工件材料耐磨性、降低磨損和延長設(shè)備使用壽命的有效途徑［1～2］.

國外低合金耐磨鋼生產(chǎn)主要采用在線超快冷(UFC)工藝或淬火+回火(QT)熱處理工藝，而國內(nèi)主要采用QT工藝進行生產(chǎn).因此，鋼板淬火組織和性能以及淬透性對耐磨鋼最終性能的影響極為重要，選擇合適的加熱溫度是該鋼熱處理工藝研究的重點.

為提高淬透性和改善鋼的組織性能，在耐磨鋼生產(chǎn)中通常添加較高含量的Cr、Ni、Mo、Nb、V、 Ti等合金元素，但成本隨之增加，同時也會破壞其焊接性和韌性［3～4］.添加微量硼具有顯著提高淬透性的作用［5］，但該作用對奧氏體化溫度十分敏感，溫度過高或過低都不能有效提高鋼的淬透性［6］.

本工作采用一種Ti－Cr－B系低合金NM400級別耐磨鋼，不添加Nb、V、Ni，且減少了Cr、Mo等元素的添加量，通過將該鋼板在淬火過程中加熱至完全和未完全奧氏體化區(qū)的不同溫度，研究奧氏體化溫度及保溫時間對顯微組織及力學性能的影響規(guī)律，以及奧氏體化溫度對該鋼淬透性的影響.

1 試驗材料及方法

試驗鋼取自鋼廠連鑄坯經(jīng)兩階段控軋得到的30 mm規(guī)格熱軋板，其主要化學成分如表1所示.熱軋時奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制溫度為 950～1 150℃，未再結(jié)晶區(qū)終軋溫度控制在880℃以下，累積壓下率大于60%，采用層流冷卻方式冷至返紅溫度以下空冷至室溫.將熱軋板分別加熱至AC3溫度上下的750～950℃間的不同溫度，保溫45 min后水淬，研究不同加熱溫度的影響;將鋼板在不同溫度加熱后進行15～75 min內(nèi)不同時間保溫后水淬，研究保溫時間的影響.拉伸試樣采用矩形橫截面標準試樣，鋼板表面磨去0.5 mm檢測維氏硬度，沖擊試樣為10 mm×10 mm×55 mm的夏比標準樣，試驗溫度為 －20℃，利用Leica DMIRM多功能光學顯微鏡觀察顯微組織，用Tecnai G220型透射電子顯微鏡觀察精細顯微結(jié)構(gòu).

根據(jù)GB225－88末端淬火試驗方法，采用Φ25 mm×100 mm標準試樣，分別加熱至830、870、910、950℃，保溫30 min后即由爐內(nèi)取出迅速放入孔中噴水冷卻.將淬火后試樣沿圓柱表面縱向相對的兩邊各磨去0.5 mm深，測定沿試樣軸向至淬火端1.5 mm以后點的維氏硬度，繪制淬透性曲線［6，7］.

表1 實驗鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of the experimental steel(mass fraction) %

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 奧氏體化溫度對淬透性的影響

圖1(a)為不同加熱溫度下的端淬曲線.從各端淬曲線中讀取至水冷端9 mm處維氏硬度即JHV－9值表征鋼的淬透性，由此得到奧氏體化溫度與淬透性的關(guān)系，如圖1(b)所示.可以看到，此鋼種在830～950℃奧氏體化溫度范圍內(nèi)均能保持較好的淬透性和淬硬性，JHV－9值均可達到430 HV以上，20 mm距離內(nèi)均可達到390 HV以上，25 mm處硬度在910℃加熱時達到398 HV.奧氏體化溫度從830℃至910℃，端淬曲線趨于平緩，淬透性顯著提高;奧氏體化溫度繼續(xù)升高，淬透性出現(xiàn)下降.JHV－9值隨奧氏體化溫度升高而增加，在奧氏體化溫度為910℃左右時達到最大值，之后隨奧氏體化溫度升高而略有降低.

圖1 末端淬火曲線及JHV－9值曲線Fig.1 Hardenability curves and JHV－9 value curve of the experimental steel

該鋼中含有Mn、B、Cr、Mo等合金元素，隨奧氏體化溫度升高，基體中固溶的合金元素增多，阻礙碳的擴散，延緩奧氏體轉(zhuǎn)變，淬透性提高.硼提高淬透性的機理與一般合金元素存在差異，微量硼提高鋼的淬透性是由于硼原子在奧氏體晶界偏聚，降低了晶界能，推遲或抑制了鐵素體形核;而當硼含量超過一定值時，大量氮硼化物的析出反而促進了鐵素體的形核.可見，硼在鋼中的存在形式和偏聚情況，決定了硼鋼的淬透性.研究表明［8］，奧氏體化溫度對淬透性影響的本質(zhì)是影響了硼在晶界上偏聚的濃度，從而影響了鋼的淬透性.當奧氏體化溫度超過某一溫度時，硼在晶界的偏聚過早地發(fā)展到聚集狀態(tài)，影響了其提高淬透性的效果，而低于這個溫度，硼的晶界偏聚過程過慢，奧氏體分解已經(jīng)開始，硼的效應(yīng)還來不及很好地發(fā)揮.另外，該鋼中鈦元素對硼起到了固氮保護的作用，在鋼中與氮化合生成穩(wěn)定的TiN析出物，從而減少了氮對硼提高淬透性作用的不利影響.

2.2 奧氏體化溫度對顯微組織的影響

試驗鋼在不同加熱溫度下淬火后的顯微組織如圖2所示.亞共析鋼加熱時奧氏體在鐵素體和滲碳體兩相交界面形核后，隨加熱時間延長奧氏體以擴散方式逐漸吞噬鐵素體和滲碳體，剩余鐵素體隨溫度的提高繼續(xù)溶入奧氏體中［9］.從圖2 (a)～(d)可以看到，加熱至770～830℃兩相區(qū)，淬火所得組織為馬氏體和鐵素體(M+α)復(fù)相組織.770℃淬火組織中存在大量塊狀或條狀鐵素體;加熱至790℃時，奧氏體形成的比例增大，未溶鐵素體變小，呈熱軋帶狀分布;加熱至810℃，鐵素體明顯減少，尺寸一般在10 μm以內(nèi);加熱至830℃，鐵素體呈彌散分布，尺寸減小至約1 μm左右(黑色箭頭所指).從圖2(e)、(f)可以看出，950℃與910℃淬火相比，由于加熱溫度升高導致奧氏體晶粒長大，最終組織也發(fā)生明顯粗化.

圖2 奧氏體化溫度對顯微組織的影響Fig.2 Effect of austenitizing temperature on microstructures of the experimental steel(a)—770℃;(b)—790℃;(c)—810℃;(d)—830℃;(e)—910℃;(f)—950℃

圖3為不同溫度下淬火的透射電鏡照片.790℃淬火時，大塊未溶鐵素體內(nèi)部比較“干凈”、缺陷較少，見圖3(a)箭頭所指;830℃淬火時，未溶鐵素體被夾在原奧氏體晶界之間，尺寸小且內(nèi)部具有較高的缺陷，見圖3(b)箭頭所指.這是由于淬火前熱軋態(tài)貝氏體組織的位錯被遺傳下來形成亞組織，在淬火過程中由于馬氏體轉(zhuǎn)變時切變及體積膨脹，使相間分布的鐵素體相內(nèi)部缺陷得到進一步發(fā)展［10］.而完全淬火后的馬氏體板條上具有較高的位錯密度，同時也有自回火現(xiàn)象出現(xiàn)在板條內(nèi)，板條上分布著多個慣習方向析出的碳化物，寬約10～30 nm，長約50～100 nm.馬氏體板條及碳化物形貌分別如圖3(c)、(d)所示.

2.3 奧氏體化溫度對力學性能的影響

圖4和圖5分別給出了奧氏體化溫度及保溫時間對力學性能的影響曲線.在750～850℃間淬火時，硬度及強度隨溫度升高而增大，在850℃淬火時的抗拉強度和屈服強度分別達到1 420 MPa和995 MPa，維氏硬度達到436 HV;超過910℃后，硬度和強度隨溫度變化呈下降趨勢.在750～830℃淬火時，－20℃沖擊功隨加熱溫度升高而增大至51 J，870～930℃淬火時的沖擊功在40 J左右變化，超過930℃淬火，沖擊功出現(xiàn)明顯下降.

圖3 不同奧氏體化溫度下淬火的透射電鏡照片F(xiàn)ig.3 TEM micrographs of the experimental steel quenched at different austenitizing temperatures(a)—大塊鐵素體，790℃;(b)—小塊鐵素體，830℃;(c)—馬氏體板條，910℃;(d)—碳化物，910℃

圖4 奧氏體化溫度對試驗鋼力學性能的影響Fig.4 Effect of austenitizing temperature on mechanical properties of the experimental steel

圖5 保溫時間對試驗鋼力學性能的影響Fig.5 Effect of temperature holding time on mechanical properties of the experimental steel

在830℃保溫較短時間后淬火時，顯微組織中還保留剩余的細小鐵素體，此時試樣的硬度稍低，但由于鐵素體的存在使其具有較好的沖擊韌性.隨溫度升高和保溫時間的延長，奧氏體化程度增大，鐵素體逐漸消失在不斷形核和長大的奧氏體中，從而導致韌性下降.在910～950℃進行短時間保溫后淬火，奧氏體化還不均勻，軋后帶狀組織還未消失，硬度很不均勻且沖擊韌性較差.隨著保溫時間的延長，奧氏體不斷形核和長大，組織逐漸均勻，硬度和沖擊功逐漸穩(wěn)定.隨著加熱溫度升高和保溫時間的繼續(xù)延長，原始奧氏體晶粒開始粗化，馬氏體束和馬氏體塊尺寸也會相應(yīng)增大，其邊界主要為大角晶界，因此束和塊的尺寸是影響馬氏體結(jié)構(gòu)性能的重要因素，淬火后馬氏體束和馬氏體塊的粗化會直接導致強韌性的降低［11，12］.

3 結(jié)論

(1)兩相區(qū)淬火時，830℃保溫30～45 min淬火，鋼板在具有較高強度和硬度的同時還具有優(yōu)于完全淬火的韌性;完全淬火時，鋼板在910℃保溫45～60 min淬火時具有良好的強韌性，930℃以上繼續(xù)加熱和延長保溫時間，強韌性下降.

(2)該鋼種淬透性較好，距淬火端20 mm內(nèi)硬度均可達到390 HV以上.910℃以下，淬透性隨溫度升高而提高，超過910℃，淬透性降低.

(3)在實際生產(chǎn)中，淬火奧氏體化溫度不應(yīng)超過930℃，且保溫時間不宜過長;對于韌性要求較高的鋼板，可通過830℃亞溫淬火來提高韌性;對于厚規(guī)格鋼板，需進行完全淬火以保證其淬透性.

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Effect of austenitizing temperature on microstructure and properties of trace boron wear resistant steel

Zhang Ti1，Cao Yi2，Wang Zhaodong2，Wu Di2，Liu Linlin3

(1.Nanjing Iron and Steel Co.，Ltd.，Nanjing 210035，China;2.State Key Laboratory of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China;3.Guodian Northeastern Environmental Protection Industry Group Co.，Ltd.，Shenshuiwan Waste Water Treatment Plant，Shenyang 110141，China)

The effects of austenitizing temperature and holding time on microstructure and mechanical properties of high strength low alloy wear resistant steel were investigated by means of optical micrograph，TEM and mechanical property tests.Jominy test was conducted and the influence of austenitizing temperature on the hardenability of the quenching steel was studied.The results showed that the hardenability of the quenched steel increases with the increase of the austenitizing temperature at 830～910℃，moreover it will decrease when the temperature is higher than 910℃.The steel toughness is improved by dispersive distribution of ferrite about 1 μm with high density defect after austenitizing at 830℃for 30～45 min.The quenched steel has high hardness and good toughness after austenitizing at 910℃for 45～60 min.The toughness decreases by the coarsening of original austenite grain after austenitizing at a temperature higher than 930℃ or even at 930℃，if the temperature holding time is longer than 45 min.

austenitizing temperature;wear resistant steel;microstructure;mechanical property;hardenability

TG 156.31

A

1671-6620(2013)01-0062-05

2012-10-09.

國家重點研究發(fā)展計劃 (973)項目 (2010CB630800).

張逖 (1971—)，男，南京鋼鐵股份有限公司工程師，E－mail:zhangti@njsteel.com.cn;王昭東 (1968—)，男，東北大學教授，E－mail:zhdwang@mail.neu.edu.cn.