熱處理工藝對NM600耐磨鋼板組織性能的影響

汪孿祥，宋仁伯，溫二丁，張 新

（北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

熱處理工藝對NM600耐磨鋼板組織性能的影響

汪孿祥，宋仁伯，溫二丁，張 新

（北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

為了提高NM600耐磨鋼應(yīng)用于惡劣工況下的耐磨性能，通過正交試驗(yàn)研究各熱處理參數(shù)，包括淬火溫度、淬火保溫時(shí)間、回火溫度、回火保溫時(shí)間等，對于試驗(yàn)鋼組織性能的影響。結(jié)果表明，回火溫度是抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊功、布氏硬度最主要的影響因素。隨著回火溫度升高，伸長率先小幅上升再緩慢下降，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊功和布氏硬度均呈下降趨勢。試驗(yàn)鋼熱處理后的微觀組織主要是板條馬氏體、還有少量的殘余奧氏體和碳化物。確定了最佳熱處理工藝為：在860℃淬火保溫30 min，200℃回火保溫60 min。所獲得的最優(yōu)工藝性能為：抗拉強(qiáng)度1 956.2 MPa、屈服強(qiáng)度1 566.7 MPa、伸長率12.7%、-20℃沖擊功19.2 J、布氏硬度576.5 HB。

NM600耐磨鋼；正交試驗(yàn)；最佳熱處理工藝

耐磨鋼作為一種抗磨損性能較高的材料，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于礦山、鐵路和冶金等工況惡劣的場合。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，工件磨損每年給中國造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)400億元，因此從經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來看，耐磨鋼的研究具有重要意義［1］。近些年來，國內(nèi)企業(yè)在耐磨鋼方面的技術(shù)進(jìn)步得到了很大發(fā)展，但是國內(nèi)生產(chǎn)的耐磨鋼強(qiáng)度級(jí)別較低，400HB以上強(qiáng)度級(jí)別耐磨鋼還主要依賴進(jìn)口［2-3］。在高強(qiáng)度耐磨鋼領(lǐng)域的競爭中，我國還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)遜于歐美等國。早期使用的耐磨鋼多為高錳鋼，但是高錳鋼在應(yīng)用中存在很大的局限性：當(dāng)沖擊載荷較小時(shí)，其耐磨性無法得到有效地提高［4］。近些年來，低合金耐磨鋼［5］得到了較為廣泛的應(yīng)用，為機(jī)械等行業(yè)所認(rèn)可。低合金耐磨鋼通常在合金化后通過淬火與低溫回火獲得馬氏體組織，具有硬度高、焊接性能好等特點(diǎn)，其耐磨性能的提高使得其使用壽命是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼板的數(shù)倍。

針對這種現(xiàn)狀，本文通過正交試驗(yàn)，研究熱處理參數(shù)對于實(shí)驗(yàn)室自制NM600耐磨鋼組織性能的影響，探索提升耐磨鋼板綜合性能的方法，為新鋼種的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼取自實(shí)驗(yàn)室自制的NM600耐磨鋼板，其化學(xué)成分為：w(C)=0.33%，w(Si)=0.55%，w(Mn)=1.10%，w(Cr)=1.10%，w(B)=0.001 7%，w(Mo)=0.46%。該耐磨鋼經(jīng)成分設(shè)計(jì)后，經(jīng)電磁感應(yīng)爐冶煉，在鍛造之后，再經(jīng)熱軋3道次后得到厚度為11 mm的鋼板，從中切取58 mm×52 mm× 11 mm的方塊狀試樣。

2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)的熱處理采用SX-G07102型節(jié)能箱式電爐加熱及保溫。

設(shè)計(jì)了四因素三水平的正交試驗(yàn)，選定的試驗(yàn)因素分別為淬火溫度（用A表示）、淬火保溫時(shí)間（用B表示）、回火溫度（用C表示）以及回火保溫時(shí)間（用D表示）。根據(jù)材料的臨界相變點(diǎn)溫度（844.7℃）及材料厚度設(shè)定淬火溫度和淬火保溫時(shí)間，參考文獻(xiàn)資料［6］及以往研究基礎(chǔ)，設(shè)定回火溫度和回火保溫時(shí)間。正交試驗(yàn)［7］的因素及水平如表1所示，按照正交表L9（34）安排實(shí)驗(yàn)。

表1 正交試驗(yàn)方案Tab.1 Orthogonal experiments scheme

根據(jù)GB/T 2975-1998標(biāo)準(zhǔn)，對熱處理后的試樣取樣加工成M6拉伸試樣，在CMT-4105微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；根據(jù)GB2106-80標(biāo)準(zhǔn)取樣加工成尺寸規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，采用V型缺口，在ZBC2452-B擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上-20℃溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)；使用U900多功能硬度計(jì)對試樣進(jìn)行硬度測量，試驗(yàn)力為約1.839 kN；切取尺寸規(guī)格為10 mm× 10 mm×10 mm的金相試樣，經(jīng)4%硝酸酒精侵蝕后在Zeiss Axio Scope.A1光學(xué)顯微鏡下觀察；用Quanta FEG 450熱場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡對試樣斷口形貌進(jìn)行觀察及拍照。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和硬度測量，得到NM600耐磨鋼的力學(xué)性能，具體如表2所示。

表2 熱處理后試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of test steel after heat treatment

3.2 極差分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分別計(jì)算4個(gè)熱處理參數(shù)對各力學(xué)性能在不同水平下的平均值及極差，分析各熱處理參數(shù)對NM600耐磨鋼力學(xué)性能的影響，結(jié)果如表3所示。表中K1，K2，K3以及R分別表示各因素在水平1、水平2及水平3時(shí)對應(yīng)的各性能的平均值及其極差。

對正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，由此得到各因素對抗拉強(qiáng)度的影響程度大小排序?yàn)椋篊＞D＞A＞B；對屈服強(qiáng)度的影響程度大小排序?yàn)椋篊＞A＞B＞D；對沖擊功的影響程度大小排序?yàn)椋篊＞B＞A＞D；對布氏硬度的影響程度大小排序?yàn)椋篊＞D＞B＞A；對伸長率的影響程度大小排序?yàn)椋篋＞B＞A＞C。

從以上分析可以看出，對抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊功、布氏硬度影響最大的因素均為回火溫度，影響水平分別為1 54.1 MPa、82.2 MPa、6.7 J、49.7 HB；而對伸長率影響最大的因素是回火保溫時(shí)間，影響水平為0.6%。

表3 正交試驗(yàn)極差分析Tab.3 Range analysis of orthogonal experiments

依據(jù)表2作圖1，具體分析在試驗(yàn)水平范圍各熱處理參數(shù)對試驗(yàn)鋼性能的影響規(guī)律。在淬火溫度從860℃上升到940℃過程中，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和布氏硬度均一直下降到最低值后有部分回升，伸長率緩慢下降，而沖擊功則是呈上升趨勢并逐漸趨緩。在淬火溫度從860℃上升到940℃過程中，組織中的各碳化物穩(wěn)定性有一定程度下降，隨著溫度升高其慢慢分解，碳元素等逐漸溶解在奧氏體基體中，達(dá)到固溶強(qiáng)化作用；與此同時(shí)，晶粒也由于淬火溫度的升高而長大過快，從而引起了熱處理后的馬氏體組織粗大，導(dǎo)致試驗(yàn)鋼強(qiáng)度的下降。在兩種機(jī)理相互作用下，強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。同時(shí)，錳、硅等合金元素的存在降低了Ms點(diǎn)，提高了淬火后耐磨鋼中的殘余奧氏體含量，考慮到殘余奧氏體的存在可以緩沖應(yīng)力集中并抑制裂紋擴(kuò)展［8］，因此沖擊功呈上升趨勢。

在淬火保溫時(shí)間從30 min上升到90 min過程中，屈服強(qiáng)度、布氏硬度和伸長率都是一直呈下降趨勢，抗拉強(qiáng)度先小幅回升到后劇烈下降，而沖擊功則是先上升到一個(gè)最大值后再呈一定下降趨勢。淬火保溫時(shí)間對性能的影響與淬火溫度類似。

在回火溫度從200℃上升到300℃過程中，伸長率先小幅上升再緩慢下降，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊功和布氏硬度一直呈下降趨勢并逐漸趨緩?；鼗饻囟鹊纳咭鹪踊顒?dòng)能力的增強(qiáng)，導(dǎo)致部分元素從α固溶體中析出，固溶強(qiáng)化效應(yīng)下降，從而引起試驗(yàn)鋼強(qiáng)度降低［9］；至于試驗(yàn)鋼韌塑性的下降，則可能與合金碳化物的聚集長大減弱位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用有關(guān)。綜合作用下，隨著回火溫度的升高，材料的各項(xiàng)性能都呈一定程度的下降趨勢。

圖1 熱處理參數(shù)對力學(xué)性能的影響Fig.1 Effects of heat treatment parameters on mechanical properties

在回火保溫時(shí)間從60 min上升到120 min過程中，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率呈一直下降趨勢，布氏硬度劇烈下降后有小幅回升，沖擊功上升到一個(gè)最大值后再劇烈下降。沖擊功在開始階段的上升，可能與硬度下降、基體組織軟化導(dǎo)致的沖擊吸收功增大有關(guān)。

3.3 顯微組織和斷口形貌

圖2所示的是試驗(yàn)鋼熱處理后經(jīng)4%硝酸酒精處理后的微觀組織金相照片?？梢钥闯鲈囼?yàn)鋼的微觀組織主要是板條馬氏體、還有少量的殘余奧氏體和碳化物。照片中均勻細(xì)小的黑色條狀組織即為馬氏體，馬氏體板條之間的少量白色部分為殘余奧氏體，而一些光滑的黑色的區(qū)域則是聚集的碳化物。

由圖3觀察可知，試驗(yàn)鋼在-20℃的沖擊斷口微觀形貌為準(zhǔn)解理斷裂形貌，即介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種斷裂形貌。斷口形貌包括很多平坦的“類解理”小平面、微孔及條狀撕裂棱，同時(shí)斷口中還有比較典型的河流花樣以及一些淺而小的韌窩。準(zhǔn)解理斷口是一種基本上屬于脆性斷裂范圍的微觀斷口，因此可知試驗(yàn)鋼的韌塑性不是很好。同時(shí)發(fā)現(xiàn)斷口中還有很多粒狀的夾雜物（第二相粒子），可能導(dǎo)致位錯(cuò)塞積，降低材料的韌塑性。

3.4 最佳熱處理工藝確定

根據(jù)前面分析可知，在淬火溫度（A）、淬火保溫時(shí)間（B）和回火保溫時(shí)間（D）變化時(shí)，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、布氏硬度和伸長率這四種性能的變化趨勢與沖擊功的變化趨勢相反：前四者總體都呈下降趨勢，且在最開始時(shí)得到最大值；而沖擊功呈先上升再下降趨勢，且在中間時(shí)獲得最大值。考慮到對于耐磨鋼而言，優(yōu)良的強(qiáng)度和硬度性能更為重要，且沖擊功大小變化不超過2 J，所以最佳的淬火溫度、淬火保溫時(shí)間和回火保溫時(shí)間選擇860℃、30 min、60 min。而隨著回火保溫時(shí)間（C）的增加，除了伸長率呈小幅的上升然后下降趨勢外，其他的力學(xué)性能都總體呈下降趨勢，且在最開始時(shí)獲得最大值，所以最佳溫度選擇200℃。因此，由正交試驗(yàn)得到的最佳熱處理工藝為：在860℃淬火保溫30 min，然后在200℃回火保溫60 min。

圖2 試驗(yàn)鋼顯微組織Fig.2 Microstructure of test steel

圖3 試驗(yàn)鋼-20℃沖擊斷口微觀形貌Fig.3 Micro-morphology of impact fracture at-20℃

但是，由此分析得到的最佳熱處理工藝所對應(yīng)的工藝參數(shù)正是試驗(yàn)表中的第一組試驗(yàn)的參數(shù)，并且其中的860℃、30 min、200℃、60 min等都是各自三水平中的最低水平。當(dāng)在這個(gè)組合下得到了本試驗(yàn)的最佳性能時(shí)，需要考慮的是如果其中各水平的一個(gè)或者若干個(gè)水平繼續(xù)下降，試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能是否會(huì)有所提高。當(dāng)然，考慮到對于整體性能影響最大的是回火溫度，并且淬火時(shí)間對于性能也有不小的影響；因此，僅選取回火溫度和淬火溫度作為變量（淬火保溫時(shí)間和回火保溫時(shí)間保持恒定），補(bǔ)充一個(gè)后續(xù)實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行探討，具體方案如表4所示。

表4 補(bǔ)充試驗(yàn)方案Tab.4 Supplementary experimental

實(shí)驗(yàn)方案制定后，根據(jù)前面進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)步驟，對試驗(yàn)鋼進(jìn)行熱處理，并通過拉伸實(shí)驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和硬度測量得到其力學(xué)性能如表5所示。

通過與前面正交試驗(yàn)得到的最佳熱處理工藝對比可知：僅當(dāng)淬火溫度降低到820℃時(shí)，試驗(yàn)鋼除沖擊功略微上升外其他各力學(xué)性能均有小幅下降；僅當(dāng)回火溫度下降到150℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度上下輕微浮動(dòng)，硬度上升明顯，伸長率有一定程度下降，沖擊功劇烈下降，沖擊性能急劇惡化；當(dāng)保持其他參數(shù)水平不變、淬火溫度降低到820℃并且回火溫度下降到150℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度變化不大，伸長率和沖擊韌性都下降明顯，塑韌性能惡化。

綜上可知，以上三組試驗(yàn)鋼的綜合力學(xué)性能在原來試驗(yàn)基礎(chǔ)上沒有提高。因此，對本研究而言，在考慮補(bǔ)充的后續(xù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，能夠得到最佳熱處理工藝仍然是：在860℃淬火保溫30 min，然后在200℃回火保溫60 min。在最佳熱處理工藝下，所獲得的最優(yōu)工藝性能為：抗拉強(qiáng)度1 956.2 MPa、屈服強(qiáng)度1 566.7 MPa、伸長率12.7%、-20℃沖擊功19.2 J、布氏硬度576.5 HB。

據(jù)新余鋼鐵集團(tuán)提供的資料顯示：新余NM500耐磨鋼的力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度1 741.7 MPa、屈服強(qiáng)度1 292.8 MPa、延伸率9.1%、沖擊功19.1 J、布氏硬度513.7 MPa。通過對比可知：本試驗(yàn)鋼經(jīng)熱處理后的最優(yōu)力學(xué)性能比新余NM500的力學(xué)性能在強(qiáng)度和硬度方面有著較大的提高。

4 結(jié)論

（1）對抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊功、布氏硬度影響最大的因素均為回火溫度，影響水平分別為154.1 MPa、82.2 MPa、6.7 J、49.7 HB；而對伸長率影響最大的因素是回火保溫時(shí)間，影響水平為0.6%。

（2）隨著淬火溫度升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和布氏硬度均先下降再小幅回升，伸長率逐漸下降，沖擊功逐漸增大；隨著淬火保溫時(shí)間延長，屈服強(qiáng)度、布氏硬度和伸長率均呈下降趨勢，抗拉強(qiáng)度先小幅上升再明顯下降，沖擊功先上升再下降；隨著回火溫度升高，伸長率先小幅上升再緩慢下降，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊功和布氏硬度均呈下降趨勢；隨著回火保溫延長，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率均呈下降趨勢，布氏硬度先明顯下降再小幅回升，沖擊功先上升再明顯下降。

表5 補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)鋼力學(xué)性能Tab.5 Mechanical properties of supplementary experimental

（3）試驗(yàn)鋼熱處理后的微觀組織主要是板條馬氏體、還有少量的殘余奧氏體和碳化物。試驗(yàn)鋼在-20℃的沖擊斷口微觀形貌為準(zhǔn)解理斷裂形貌。

（4）最佳熱處理工藝為：在860℃淬火保溫30 min，然后在200℃回火保溫60 min。在最佳熱處理工藝下，所獲得的最優(yōu)工藝性能為：抗拉強(qiáng)度1 956.2 MPa、屈服強(qiáng)度1 566.7 MPa、伸長率12.7%、-20℃沖擊功19.2 J、布氏硬度576.5 HB。

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Effects of heat treatment process on microstructure and mechanical properties of NM600 wear resistant steel plate

WANG Luanxiang，SONG Renbo，WEN Erding，ZHANG Xin

（School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

Wear resistant steel is a kind of wear resistant material used in harsh condition.In this study，the effect of each heat treatment parameter including quenching temperature，quenching time，tempering temperature，tempering time on microstructure and mechanical properties were investigated by orthogonal experiment.The results show that tempering temperature is the most significant factor to affect the tensile strength，yield strength，impact energy and hardness of the steel.With the tempering temperature increasing，the elongation has a slight increase before decreasing slowly，and the tensile strength，yield strength，impact energy and hardness show a downward trend.The microstructure of the test steel is mainly the martensite，and a small amount of retained austenite and carbide.The best heat treatment process is:quenching at 860℃and preserve for 30 min，then tempering at 200℃and preserve for 60 min.With this optimized process，the best properties were obtained:the tensile strength of 1 956.2 MPa，the yield strength of 1 566.7 MPa，the elongation of 12.7%，the impact energy(-20℃)of 19.2 J，the hardness of 576.5HB.

NM600 wear resistant steel；orthogonal test；best heat treatment process

October 17，2016）

TG143.2

A

1674-1048（2017）01-0053-07

10.13988/j.ustl.2017.01.011

2016-10-17。

汪孿祥（1993—），男，安徽安慶人。

宋仁伯（1970—），男，遼寧鞍山人，教授。