工程機械耐磨鋼NM50CrVA的熱處理與組織性能

郭慶葵

【摘要】本文主要針對淬回火對傳統(tǒng)熱軋和薄板坯連鑄連軋工程機械NM50CrVA耐磨鋼板顯微組織以及力學性能的影響進行了研究，并對連鑄連軋NM50CrVA和傳統(tǒng)熱軋Q355、30CrMoA以及1045鋼板的耐磨性能進行了綜合的分析。

【關鍵詞】連鑄連軋;NM50CrVA鋼;淬回火;顯微組織;性能

相較于傳統(tǒng)的鋼鐵軋制工藝，連鑄連軋工藝的流程更短、難度更低，有效提高了生產(chǎn)的效率，被廣泛應用于現(xiàn)代板材、帶材的制備中。本文主要分析連鑄連軋、成分設計以及淬回火熱處理這三個方面，設計了一種新型的NM50CrVA耐磨鋼板，與傳統(tǒng)耐磨鋼板進行了性能對比，并對鋼材顯微組織以及力學性能受到淬回火工藝的影響進行了研究。研究顯示，前者在回火前的顯微組織是鐵素體和層片狀珠光體，而回火后則變成了回火馬氏體和少量鐵素體;后三者在回火前的顯微組織為粒狀珠光體以及鐵素體，而經(jīng)過回火以后則全部變成了回火馬氏體。可以知道的是，相對于傳統(tǒng)的熱軋工程，使用連鑄連軋工藝鍛造的NM50CrVA鋼具有更高的強度，而且可塑性也和傳統(tǒng)熱軋工程NM50CrVA鋼相當。此外，在磨料的磨損情況相同的情況下，因為磨損而導致的質(zhì)量損失從小到大為NM50CrVA<1045<30CrMoA

1.試驗材料與方法

在進行試驗之前，選取需要采用的原料以及具體的方法。本次試驗所采用的原材料是6.6mm厚薄板坯連鑄連軋NM50CrVA鋼材，對比材料為從市面上采購的使用傳統(tǒng)熱軋工藝生產(chǎn)的NM50CrVA、Q355、30CrMoA以及1045鋼板。

試驗的大致流程是：

（1）分別將連鑄連軋態(tài)以及傳統(tǒng)熱軋態(tài)的NM50CrVA鋼板放入Nabtherm箱式熱處理爐中進行淬火和回火操作，每分鐘加熱15℃，將鋼材加熱至885℃，并經(jīng)過30分鐘的保溫后進行油淬，使鋼板降至室溫，再在250℃的環(huán)境下保溫20分鐘，同時進行回火，最后隨爐冷卻至室溫。

（2）切割金相試樣，并使用砂紙對其進行打磨，采用金剛石研磨拋光，以及用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，最后再利用DM6M型金相顯微鏡對其進行觀察。

（3）對不同狀態(tài)的實驗用鋼進行洛氏硬度測試，使用的儀器是HRSS-150型硬度計，取測試結果中的三點平均值。

（4）根據(jù)有關規(guī)定，進行室溫拉伸試驗的時候需要使用WDW-300型微機伺服控制萬能拉伸試驗機，拉伸的速率為2mm/min，最后使用JEOL-7600F型掃描電鏡來觀察拉伸斷口以及磨損的形貌。

（5）進行磨料磨損試驗的時候，需要采用MLS-23型濕砂橡膠輪式磨損試驗機，要求橡膠輪的硬度為60HRC，轉速365r/min。用于試驗的試樣需要經(jīng)過酒精以及丙酮的清洗，尺寸應為57mm×6mm×26mm，外加載荷為100N，磨料選用的是70目石英砂，采用賽多利斯BT125D型電子分析天平稱量磨損前質(zhì)量（m0）和磨損后質(zhì)量（m1）并計算質(zhì)量損失Δm=m0-m1，取磨損量最大的試樣作為標準試樣，用相對耐磨性ε（準試樣磨損量/Δm）評價各試樣用鋼的耐磨性[2]。

2.結果與分析

2.1顯微組織對比

連鑄連軋態(tài)NM50CrVA鋼的顯微組織為鐵素體+層片狀珠光體，在經(jīng)過淬火以后，淬火態(tài)的NM50CrVA鋼顯微組織包括淬火馬氏體、殘余奧氏體與未溶鐵素體;而在經(jīng)過低溫回火以后，NM50CrVA鋼的顯微組織則為回火馬氏體與少量鐵素體的混合。

熱軋態(tài)NM50CrVA鋼的顯微組織為粒狀珠光體與鐵素體的混合，經(jīng)過淬火處理后，淬火態(tài)NM50CrVA鋼的顯微組織是粗大板條馬氏體與片狀馬氏體的混合組織;而在經(jīng)過回火處理以后，其顯微組織則變成了回火馬氏體。

從硬度角度來看，通過上述對比，可以知道的是經(jīng)過淬火以及淬回火處理以后，連鑄連軋和傳統(tǒng)熱軋的NM50CrVA鋼的硬度都得到了明顯的提高，其中前者提高的幅度要比后者要大。值得一提的是，在經(jīng)過低溫回火處理以后NM50CrVA鋼的硬度要略低于淬火態(tài)的NM50CrVA鋼，因為NM50CrVA鋼的顯微組織由淬火馬氏體變成了回火馬氏體，改變了其內(nèi)部的性質(zhì)。

從拉伸性能的角度看，在經(jīng)過淬回火處理以后，連鑄連軋NM50CrVA鋼的抗拉強度以及規(guī)定塑性延伸強度都有所提高，轉化為數(shù)值分別是59.4%和60.5%;而傳統(tǒng)熱軋NM50CrVA鋼的抗拉強度以及規(guī)定塑性延伸強度雖然在經(jīng)過淬回火處理以后也都有所提升，但是提升的幅度轉化為數(shù)值分別是44.3%和36.4%，顯然要小于連鑄連軋NM50CrVA鋼。此外，在經(jīng)過淬回火處理以后，連鑄連軋和傳統(tǒng)熱軋的NM50CrVA鋼的斷后伸長率都有所下降。

從斷口的角度看，對于連鑄連軋態(tài)NM50CrVA鋼而言，斷口的組成主要是細小韌窩以及撕裂棱，特征為韌性斷裂，經(jīng)過淬回火處理以后，淬回火態(tài)NM50CrVA鋼的斷口主要有局部小韌窩和冰糖狀的細小顆粒組成，特征是沿晶脆性斷裂。而傳統(tǒng)熱軋態(tài)NM50CrVA鋼則由尺寸不等的韌窩來組成斷口，特征和連鑄連軋態(tài)NM50CrVA鋼一樣是韌性斷裂，但是由于其韌窩的尺寸比后者的要大且深度也更深，所以塑性要比后者強;在經(jīng)過淬回火處理以后，斷口由解理小面以及細小韌窩來組成，特征表現(xiàn)為準解理斷裂，其塑性同樣要比連鑄連軋態(tài)NM50CrVA鋼在淬回火狀態(tài)時要強。

通過對比可以知道，在相同的淬回火工藝條件下，連鑄連軋態(tài)NM50CrVA鋼強度的增幅要大于傳統(tǒng)熱軋態(tài)NM50CrVA鋼，而且在相同狀態(tài)下，前者的強度要比后者大，但是二者的塑性則不相上下。

2.2耐磨性能

試驗采購的三種熱軋態(tài)NM50CrVA鋼的顯微組織都是粗大鐵素體+珠光體，其中Q355鋼的鐵素體含量要比其他兩種要高，而且珠光體的分布也不均勻。

經(jīng)過耐磨性測試，把磨損量最大的Q355鋼作為標準試樣，可以知道，在相同的磨料磨損條件下，磨損量從小到大的順序為：NM50CrVA<1045<30CrMoA

從磨料磨損形貌看，在經(jīng)過磨損以后，連鑄連軋態(tài)NM50CrVA鋼除了表面存在少量深度較淺的犁溝以及局部細小凹坑以外，整體還是比較光滑平整的。而其余三種鋼材表面則比較粗糙，有比較明顯的深犁溝以及剝落坑，其中Q355鋼材表面最為粗糙。

在低應力磨料磨損條件下，淬回火態(tài)NM50CrVA鋼與處于熱軋態(tài)的其他三種鋼的耐磨性主要與材料本身的表面硬度有關，與其他的性質(zhì)關聯(lián)不大。因為熱軋態(tài)的三種鋼材的硬度要比淬回火態(tài)NM50CrVA鋼要小，所以在進行磨料磨損的時候，石英砂磨粒更容易對鋼材表面造成傷害，形成較深的犁溝以及剝落坑，主要的磨損機制是犁溝和顯微切削。而淬回火態(tài)NM50CrVA鋼由于本身硬度較高，在進行磨料磨損的時候的主要磨損機制則是疲勞剝落磨損。

通過上述對比可以知道，淬回火態(tài)NM50CrVA鋼的耐磨性要比熱軋態(tài)的三種鋼材要強，所以這與前文得出的“連鑄連軋態(tài)NM50CrVA鋼比熱軋態(tài)NM50CrVA鋼的硬度強”的結論相吻合。

3.結論

（1）在經(jīng)過淬火處理以后，傳統(tǒng)熱軋態(tài)NM50CrVA鋼以及連鑄連軋態(tài)NM50CrVA鋼的顯微組織都發(fā)生了變化，前者變成了粗大板條馬氏體和片狀馬氏體的混合，后者為淬火馬氏體、殘余奧氏體與未熔鐵素體的混合;而在經(jīng)過回火處理以后，前者變成了回火馬氏體，后者變成了回火馬氏體與少量鐵素體的混合。

（2）連鑄連軋態(tài)和傳統(tǒng)熱軋態(tài)NM50CrVA鋼在經(jīng)過淬回火處理以后，硬度均有所提高，但是前者提高的幅度要比后者大，但是二者的塑性相當;經(jīng)過低溫回火處理的NM50CrVA鋼，硬度要低于淬火態(tài)NM50CrVA鋼。

（3）在磨料磨損條件相同的情況下，鋼材磨損量從小到大的順序為：NM50CrVA<1045<30CrMoA<Q355鋼，而根據(jù)數(shù)值來看，NM50CrVA鋼的磨損量要明顯小于其他三種鋼材;NM50CrVA鋼的耐磨性要比其他三種鋼材強，分析原因得出鋼材的耐磨性與硬度相關;傳統(tǒng)熱軋態(tài)Q355、1045以及30CrMoA鋼的主要磨損機制為犁溝和顯微切削，連鑄連軋態(tài)NM50CrVA鋼的主要磨損機制為疲勞剝落磨損。

參考文獻

[1]宋斌，王可亮.耐磨鋼在工程機械行業(yè)的應用[J].礦業(yè)裝備，2018（6）：110-112.

[2]趙洛凱，要玉宏.工程機械用30CrNi3MoV鋼的熱處理與組織性能[J].金屬熱理，2019，44（7）：125-130.

（作者單位：龍工（福建）機械有限公司）

【中圖分類號】TU604

【文獻標識碼】B

【文章編號】1671-3362（2020）09-0122-02