熱處理工藝對厚規(guī)格NM450耐磨鋼板組織和性能的影響

黃 軍 李經(jīng)濤 吳建鵬 李晨瀟

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司）

0 引言

低合金耐磨鋼板作為一種抗耐磨性能較高的鋼鐵材料，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于礦山、鐵路和冶金等環(huán)境惡劣的工作場合，其除了耐磨性能較高外，還具有強度高、韌性好、可焊接性強等特點。目前國內(nèi)生產(chǎn)的低合金耐磨鋼板主要集中在NM450及以下級別，其中NM450鋼板的使用量占據(jù)了相當大的市場份額。在各大鋼鐵企業(yè)中，雖然TMCP技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于低合金高強度鋼的生產(chǎn)中，但是對耐磨鋼這種硬度均勻性要求高的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件用鋼板來說，離線熱處理仍然不可替代[1-2]。因此，研究熱處理工藝對耐磨鋼板組織和性能的影響具有重要的意義，筆者研究了不同淬火介質(zhì)以及不同回火工藝對 40mm厚NM450 鋼板試樣微觀組織、硬度、拉伸性能和沖擊性能的影響，以期為我國低合金耐磨鋼板的生產(chǎn)和應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料及過程

試驗材料選自國內(nèi)某鋼鐵廠生產(chǎn)的40 mm NM450鋼板，材料的狀態(tài)為熱軋態(tài)，其化學成分滿足GB/T 24186—2009《工程機械用高強度耐磨鋼板》的規(guī)定，且碳當量≤0.59，標準成分要求和鋼板的主要成分范圍見表1。NM450鋼板的力學性能：通常要求抗拉強度≥1 250 MPa，斷后伸長率≥7%，-20 ℃縱向V型沖擊功≥24 J，表面布式硬度為420～480 HBW。

表1 NM450鋼板的化學成分

試驗過程：在40 mm熱軋鋼板上沿著寬度方向取18塊試樣，每塊試樣的尺寸為40 mm×400 mm×200 mm，將試樣平均分為兩組，每組9塊，兩組試樣均按照“加熱溫度900 ℃，保溫時間90 min”的工藝在實驗室用箱式電爐進行加熱，然后分別利用水槽和油槽對兩組試樣進行淬火處理，冷卻至室溫。從兩組試樣中各取一塊淬火試樣，對其組織和性能進行檢驗。剩余試樣繼續(xù)進行回火試驗，回火溫度均為150 ℃、180 ℃、210 ℃、240 ℃、270 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃，保溫時間統(tǒng)一為200 min，出爐后空冷至室溫。

試樣按照國家標準進行加工、檢驗，金相試樣經(jīng)研磨拋光以及4%的硝酸酒精腐蝕后，用金相顯微鏡Axio Observer和JSM-6700掃描電鏡（SEM）對其金相組織進行觀察；參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》在SHT-4605電液伺服萬能試驗機檢驗其拉伸性能；按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，利用ZBC2452-B擺錘式?jīng)_擊試驗機檢驗試樣-20 ℃ V型缺口的沖擊性能，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm；利用BH3000布式硬度計和FM-300顯微硬度機檢測試樣的硬度。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 淬火試樣的性能與組織分析

2.1.1 淬火試樣的力學性能分析

NM450鋼板試樣分別進行水冷和油冷后的力學性能檢驗結(jié)果見表2。

表2 NM450試樣淬火后的性能

從表2可以看出，水冷鋼板試樣的抗拉強度和表面硬度略高于油冷試樣，二者的-20 ℃縱向沖擊吸收能量和芯部硬度存在較大差異，水冷試樣的-20 ℃沖擊功的平均值為84 J，而油冷試樣的-20℃沖擊功的平均值為67 J，經(jīng)兩種介質(zhì)冷卻的淬火試樣的芯部布氏硬度差距達到73 HBW。

由于布氏硬度檢驗點的面積較大且檢驗點距離較遠，為進一步準確了解淬火試樣的顯微組織硬度，利用FM-300顯微硬度機對試樣的截面洛氏硬度進行了檢驗。檢驗位置從距離表面0.25 mm起至試樣厚度1/2處，每個試樣檢驗41個點，每兩點之間的距離為0.5 mm，兩塊淬火試樣的檢驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種冷卻介質(zhì)淬火的NM450試樣截面硬度

從圖1可以看出，在距離表面0.25 mm的檢驗點的硬度均顯著較低，這是由于受表面脫碳的影響，除第一個檢驗點外，水冷淬火試樣的截面硬度較為均勻，且總體硬度水平高于油冷淬火試樣的，而油冷淬火試樣靠近厚度1/2處的硬度值波動較大，在距離試樣表面14.25～20.25 mm之間的最大硬度差為7.8 HRC。

2.1.2 淬火試樣的金相組織

水冷試樣和油冷試樣的金相組織如圖2所示。

圖2 NM450試樣水冷和油冷后的金相組織（200倍）

從圖2可以看出，NM450水冷試樣近表面與厚度1/2處的組織均以馬氏體為主，其中近表面金相組織存在少量殘余奧氏體，厚度1/2處除了存在少量的殘余奧氏體外，還有少量的貝氏體；油冷試樣近表面組織與水冷試樣的基本一致，也是馬氏體+少量的殘余奧氏體組織，而厚度1/2處的組織與水冷試樣相比則差異較大，油冷試樣厚度1/2處的組織以貝氏體+馬氏體為主，其中貝氏體含量接近50%。

2.2 淬火+回火試樣的性能與組織分析

2.2.1 淬火+回火試樣的力學性能分析

分別對40mm厚NM450 水冷和油冷試樣進行一系列不同回火溫度熱處理，處理后的性能分別見表 3 和表 4。

表3 NM450水冷試樣回火后的性能

表4 NM450油冷試樣回火后性能

從表3可以看出，水冷試樣在150～400 ℃回火后的抗拉強度均大于1 250 MPa，滿足國標要求，其中在150～240 ℃回火時的強度在1 400 MPa以上；斷后伸長率無明顯的變化規(guī)律，但均能夠滿足國標要求；硬度方面除了400 ℃回火時的表面硬度不能滿足要求外，其他回火試樣的表面硬度均在國標要求的范圍內(nèi)，其中在150～180 ℃回火時，表面硬度接近標準范圍上限，而在350 ℃回火時，表面硬度接近標準范圍下限且芯部硬度小于420 HBW；回火試樣的-20 ℃縱向沖擊吸收能量變化情況如圖3所示，總體呈現(xiàn)下降趨勢，但是均在24 J以上，在150～240 ℃回火時，沖擊吸收能量大于70 J在270 ℃及以上溫度回火時，沖擊吸收能量逐步下降，小于60 J。

從表4可以看出，油冷試樣在不同溫度回火后的抗拉強度、-20 ℃ V型縱向沖擊吸收能量以及硬度的變化規(guī)律與水冷回火試樣基本保持一致，總體呈現(xiàn)隨著回火溫度的升高而下降的趨勢。在150～350 ℃回火時，油冷試樣的抗拉強度能夠滿足國標要求，其中在150～210 ℃回火時，試樣的抗拉強度保持在1 400 MPa及以上；試樣的斷后伸長率在150～400 ℃回火時均能夠滿足國標要求，但無明顯的變化規(guī)律；所有試樣的表面硬度與芯部硬度的差異明顯，芯部硬度均不能達到420 HBW，在150～300 ℃回火時，試樣的表面硬度能夠滿足國標要求，而在270 ℃和300 ℃回火時，試樣的表面硬度接近國標要求的下限；油冷試樣在不同溫度回火后的-20 ℃縱向沖擊吸收能量變化如圖3所示，材料的沖擊平均值均低于同等溫度回火的水冷試樣的檢驗值，在270 ℃及以上溫度回火時，油冷試樣的沖擊吸收能量均出現(xiàn)明顯的下降，當回火溫度為400 ℃時，沖擊結(jié)果不能滿足國標要求。

圖3 不同溫度回火后NM450水冷和油冷試樣的沖擊吸收能量

2.2.2 淬火+回火試樣的金相組織

對水冷和油冷試樣回火后的組織進行分析，NM450水冷試樣在150 ℃、240 ℃、300 ℃和400 ℃回火后芯部的組織如圖4所示，NM450油冷試樣不同溫度回火后的芯部組織如圖5所示。

圖4 NM450水冷試樣不同溫度回火后組織（500倍）

圖5 NM450油冷試樣不同溫度回火后組織（500倍）

從圖4可以看出，水冷試樣在150 ℃回火后，組織變化不明顯；在240 ℃回火后，部分馬氏體出現(xiàn)分解，并伴有少量的碳化物析出；在300 ℃回火后，馬氏體進一步分解，碳化物顆粒增多并明顯長大；在400 ℃回火后，馬氏體組織分解得更加完全，基體組織比較均勻，回火馬氏體上呈現(xiàn)大量的粗化碳化物。

從圖5可以看出，油冷試樣在150 ℃回火后，組織與淬火態(tài)基本一致；隨著回火溫度的升高，馬氏體組織與水冷試樣相同溫度回火時的變化基本一致，馬氏體板條逐漸分解，邊界變得模糊，點狀碳化物的析出量逐漸增多；貝氏體組織隨著回火溫度的升高，基體上的黑色碳化物逐漸聚集，鐵素體基體組織愈發(fā)清晰。

隨著回火溫度的升高，淬火組織中原子擴散速度加快，碳化物從馬氏體中析出并長大，貝氏體中的碳化物逐漸聚集，使得試樣的抗拉強度、硬度和-20 ℃沖擊韌性逐漸下降，特別是在270 ℃及以上溫度回火時，沖擊韌性出現(xiàn)了明顯下降。不同溫度回火后NM450水冷試樣近表面的微結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 不同溫度回火后NM450水冷試樣近表面的微結(jié)構(gòu)（2 000倍）

從圖6可以看出，水冷試樣在150 ℃回火時，碳化物的析出量較少，性能變化不明顯；隨著回火溫度逐漸升高至400 ℃時，碳化物的析出量增多，導致材料的固溶強化效果降低，碳化物聚集長大則削弱了沉淀強化的作用，抗拉強度等性能呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。

回火導致材料淬火組織轉(zhuǎn)變是導致抗拉強度、硬度以及-20 ℃沖擊韌性降低的主要因素，馬氏體回火的實質(zhì)是其組織的分解以及亞結(jié)構(gòu)恢復的過程，回火溫度較低時，材料淬火時產(chǎn)生的淬火應(yīng)力逐漸釋放，同時馬氏體分解并析出少量的?碳化物，馬氏體中的碳濃度略微下降，導致材料的抗拉強度和硬度稍有下降，由于低溫回火組織中的殘余奧氏體未大量發(fā)生分解，所以-20 ℃沖擊韌性變化不大；隨著回火溫度的升高，殘余奧氏體分解，?碳化物的析出速率加快，逐漸轉(zhuǎn)變形成小的碳化物顆粒，小尺寸碳化物顆粒依附在大尺寸碳化物上，導致材料的沖擊韌性降低，回火脆性逐漸增強，碳化物的析出除了能降低馬氏體中的C含量，還使得Cr、Mo等固溶強化合金元素的含量下降，從而導致材料的硬度和抗拉強度下降[3]。

3 結(jié)論

（1） NM450鋼板試樣在加熱至900 ℃并保溫一定的時間后，分別經(jīng)水冷和油冷冷卻至室溫，試樣的表面硬度、抗拉強度以及斷后伸長率均能夠滿足國標要求。水冷試樣的組織較均勻，表面主要為馬氏體組織，芯部主要為馬氏體組織并含有少量貝氏體組織；油冷試樣組織的差異較大，表面主要為馬氏體組織，芯部為貝氏體+馬氏體組織。

（2）油冷淬火試樣的表面與芯部的組織差異明顯，導致其表面與芯部的布式硬度值的差距也較大，達到近60 HBW，顯微硬度顯示試樣距離表面14 mm左右時，硬度波動較大。

（3）油冷淬火試樣在不同溫度回火后的抗拉強度、-20 ℃ V型縱向沖擊吸收能量值以及硬度均較同工藝回火的水冷試樣低，但是二者的變化規(guī)律基本保持一致，總體呈現(xiàn)隨著回火溫度的升高而下降的趨勢，斷后伸長率無明顯的變化規(guī)律。

（4）回火溫度在150～240 ℃時，水冷和油冷淬火試樣的性能均保持在較好水平，當在270 ℃及以上溫度回火時，-20 ℃ V型縱向沖擊吸收能量值出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折下降。水冷試樣在150～240 ℃回火時，抗拉強度保持在1 400 MPa及 以 上，表 面 硬 度460～474 HBW，-20 ℃V型縱向沖擊吸收能量值≥76 J；油冷試樣在150～240 ℃回火時，抗拉強度保持在1 380 MPa及以上，表面硬度448～462 HBW，-20 ℃ V型縱向沖擊吸收能量值≥55 J。