厚規(guī)格400 HBW級(jí)耐磨鋼的截面顯微組織性能研究

王向東，周 平，侯東華，王 晶，黃少文

（1 山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟(jì)南271104；2 山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東 日照276800）

耐磨鋼是制造業(yè)重要的消耗鋼鐵材料，低合金馬氏體型耐磨鋼具有較高抗磨損性能和良好的強(qiáng)韌性，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、電力、建材、國(guó)防、船舶、鐵道、煤炭、化工等領(lǐng)域設(shè)備的易磨損部件［1-3］。近年來(lái)，隨著裝備制造業(yè)向規(guī)模大型化、應(yīng)用條件苛刻化、運(yùn)轉(zhuǎn)高效化方向發(fā)展，對(duì)鋼板的使用性能要求逐年提高，對(duì)鋼板尺寸規(guī)格提出更高要求［4］。厚規(guī)格低合金耐磨鋼主要用于制造大型礦石破碎機(jī)、重型刮板運(yùn)輸機(jī)、厚刀刃、大型拆卸工具等為代表的關(guān)鍵構(gòu)件，在服役過(guò)程中一般受到較大的脈沖或交變沖擊載荷，服役過(guò)程中受到較大沖擊載荷，容易裂紋，最終導(dǎo)致材料斷裂失效。因此，這類耐磨鋼在對(duì)鋼板厚度方向上硬度均勻性具有較高要求的同時(shí)，對(duì)沖擊韌性也具有較高要求。而硬度一般認(rèn)為是衡量耐磨性能的重要指標(biāo)［5-6］。研究表明［7］，馬氏體鋼的組織和力學(xué)行為與合金元素的種類和含量密切相關(guān)，通常添加Ni、Cr、Mo 等合金元素增強(qiáng)提高淬透性，促進(jìn)馬氏體相變并細(xì)化馬氏體組織。

本工作以工業(yè)化生產(chǎn)的厚規(guī)格耐磨鋼為研究對(duì)象，對(duì)布氏硬度、顯微組織以及主要合金元素在厚度方向上的分布和演變規(guī)律進(jìn)行研究分析，在距離上表面的t/4 處切取縱向沖擊試樣分析-40 ℃低溫沖擊韌性。

1 實(shí)驗(yàn)材料及制備方法

試驗(yàn)鋼的制備經(jīng)過(guò)鐵水脫硫處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF鋼包爐精煉、RH真空脫氣處理等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程獲得連鑄板坯。將連鑄板坯加熱至1 210 ℃后，經(jīng)過(guò)不低于1 000 ℃奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制和860～900 ℃奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制成型獲得60 mm厚度鋼板。將鋼板再加熱至910 ℃保溫30 min 后經(jīng)滾壓式淬火機(jī)淬火至室溫后，再進(jìn)行250 ℃回火熱處理。本工作所用樣品的合金元素組成如表1所示。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

為考察淬火回火熱處理過(guò)程中的組織演變規(guī)律，從淬火和回火鋼板上切取試樣進(jìn)行全厚度顯微組織分析。試樣研磨、拋光后經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后通過(guò)Philips XL30型掃描電鏡對(duì)距離鋼板表面2、10、20 mm和芯部位置進(jìn)行顯微組織觀察。在回火鋼板上切取硬度試樣按照GB/T 231.1《金屬布氏硬度第1 部分：試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行表面硬度和截面硬度檢測(cè)，其中截面硬度檢測(cè)位置分別為距離鋼板上表面5、7.5、10、15、20、25 mm，芯部，距離鋼板下表面2、7.5、10、15、20、25 mm，以上檢測(cè)點(diǎn)分別標(biāo)記為t25、t22.5、t20、t15、t10、t5、芯部、b28、b22.5、b20、b15、b10、b5。按照GB/T 229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，采用ZBC275-D沖擊試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行V形缺口試樣-40 ℃沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試樣軸線位置位于靠近上表面的t/4鋼板厚度處。將截面硬度檢測(cè)后的試樣通過(guò)銑床磨床加工方式去除硬度測(cè)檢測(cè)面，利用OPA200 原位分析儀分析截面方向合金元素分布規(guī)律。切取全厚度金相試樣，硬度試樣、沖擊試樣及硬度檢測(cè)位置如圖1所示。

圖1 硬度試樣、沖擊試樣及硬度檢測(cè)位置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 截面布氏硬度分布

圖2為淬火+回火試驗(yàn)截面布氏硬度分布及t/4厚度處-40 ℃沖擊韌性。可以看到，硬度由上下表面向芯部逐漸降低，芯部硬度為表面處硬度的82.96%。距離表面10 mm厚度范圍內(nèi)硬度為410.6～419.5 HBW，平均硬度為415.4 HBW（圖2a 中Ht25，Ht22.5，Ht20，Hb28，Hb22.5，Hb20）。向鋼板芯部推進(jìn)，上下表面至芯部的硬度變化存在較大不同。距離鋼板上表面10～20 mm 范圍內(nèi)硬度由416.3 HBW 降低至393 HBW，擬合直線斜率k1=2.04。距離上表面20～25 mm 范圍內(nèi)硬度由393 HBW 降低至359.5 HBW，擬合直線斜率k2=6.70；距離下表面10～20 mm 范圍內(nèi)硬度由410.6.3 HBW 降低至382.8 HBW，擬合直線斜率k3=2.64，距離下表面20～25 mm 范圍內(nèi)硬度由382.8 HBW 降低至351.8 HBW，擬合直線斜率k4=6.2?？梢?jiàn)，在距離鋼板上下表面20 mm 處硬度出現(xiàn)迅速降低（圖2a 中Ht10，Hb10處），上表面至芯部的硬度下降幅度要小一些。另外，對(duì)于相同位置處，上表面一側(cè)硬度大于下表面一側(cè)硬度1.8～12.2 HBW。由表面向芯部推進(jìn)過(guò)程中，距離上下表面距離相同位置處的硬度差值先增大后減小，距離表面2～10 mm范圍內(nèi)，上表面一側(cè)硬度高于下表面一側(cè)硬度1.8～5.7 HBW。距離表面15～20 mm位置處，靠近上下表面一側(cè)的硬度差值增大至10.2～12.2 HBW，其中在距離上下表面15 mm 位置處的硬度差最大，達(dá)到12.2 HBW（圖2b中Ht15，Hb15）。向芯部推進(jìn)至25 mm時(shí)，靠近上下表面一側(cè)的硬度差減小至7.7 HBW（圖2b 中Ht5，Hb5）。由圖2a可以看到，t/4鋼板厚度處-40 ℃縱向沖擊功單值為34.5～45 J，平均值達(dá)到39 J，具有良好的低溫韌性。

圖2 60 mm厚度試驗(yàn)鋼板厚度方向布氏硬度分布及-40 ℃沖擊韌性

2.2 全厚度顯微組織分析

鋼板截面方向的顯微組織分析顯示上下表面至芯部的顯微組織變化呈現(xiàn)對(duì)稱規(guī)律。圖3 為淬火試驗(yàn)鋼距離表面2、10、20 mm和芯部位置的SEM組織照片?？梢钥吹?，距離表面2、10和20 mm處的顯微組織為板條馬氏體（lath martensite，LM），馬氏體板條內(nèi)分布少量顆粒狀碳化物，具明顯的自回火組織特征。由圖3b、d、f可看到，自回火的程度由表面向芯部逐漸增加。淬火過(guò)程中鋼板厚度方向上的冷卻強(qiáng)度不同使得鋼板表面的顯微組織為細(xì)小板條馬氏體+少量細(xì)小顆粒狀碳化物，而芯部為板條馬氏體+貝氏體+粗大碳化物。另外，還可看到原始奧氏體晶粒尺寸逐漸增加。距離表面2 mm處組織中可分辨出原始奧氏體晶界（prior austenite grain boundary，PAGB）。馬氏體板條束（packet）將原始奧氏體晶粒分割為若干區(qū)域，每一個(gè)packet由若干相互平行的馬氏體板條塊（block）組成［8-10］。按照packet方向不同將原始奧氏體晶粒G分割為9個(gè)細(xì)小packet 區(qū)域（p1～p9），packet 之間成一定角度，例如p3與p4、p6與p8成40°～60°夾角（圖3a）。p1區(qū)域高倍SEM 照片顯示，packet 由若干block 組成（圖3b中b1，b2，b3），在packet中存在粗細(xì)兩類形貌的板條。由于馬氏體形成溫度和相變順序不同，粗板條在馬氏體相變初始階段和高溫區(qū)形成，細(xì)小板條則是在隨后略低溫區(qū)形成［11-13］。大部分block 中馬氏體板條（lath）內(nèi)部幾乎無(wú)碳化物，在少量寬度較大的lath 上彌散分布著由自回火而引起的少量細(xì)小碳化物（圖3b中箭頭所示）。大量的“長(zhǎng)條狀”碳化物則主要分布在 packet、block 和 lath 邊界上；距離鋼板表面10 mm位置處，組織中PAGB較2 mm位置處清晰，原始奧氏體晶粒被6個(gè)packet（p1～p6）分割細(xì)化，packet 數(shù)量較近表面處有所減少，尺寸增大趨勢(shì)（圖3c）。packet、block邊界上的碳化物數(shù)量增多，尺寸增大（圖3d）；在距離鋼板表面20 mm 位置處，原始奧氏體晶粒有所粗化，內(nèi)部馬氏體lath 邊界清晰可辨，組織出現(xiàn)少量貝氏體（bainite）。packet 尺寸繼續(xù)增大，貝氏體組織特征加強(qiáng)（圖3e中G1晶粒內(nèi)p2和p3），G2晶粒內(nèi)部p1和p2之間夾角約40°～60°（圖3e）?？梢郧逦直娉鰌acket 中block和lath邊界上的碳化物在進(jìn)一步增大的同時(shí)，呈現(xiàn)兩種分布形態(tài)，一種是沿著packet、block 邊界進(jìn)行長(zhǎng)大，另一種是部分長(zhǎng)條狀碳化物長(zhǎng)軸方向與馬氏體板條成約60°夾角（圖3f）。對(duì)于芯部，組織中馬氏體板條特征減弱，貝氏體量增加，板條界上的碳化物析出數(shù)量進(jìn)一步增多，尺寸增大。

圖3 淬火態(tài)鋼板厚度方向的SEM顯微組織照片

圖4 為淬火態(tài)試驗(yàn)鋼250 ℃回火后SEM 照片?？梢钥吹剑砻嬷列静拷M織由回火板條馬氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鸢鍡l馬氏體+回火貝氏體，原始奧氏體晶粒尺寸逐漸增加，組織類型變化與淬火鋼板相一致。距離表面2、10 和20 mm 處的顯微組織為回火板條馬氏體（圖4a，c，e），高倍SEM 照片顯示，距離鋼板表面2 mm和10 mm處的顯微組織特征較為相似，在板條內(nèi)部分布著細(xì)小的碳化物（圖4b，d），一般為 ε 碳化物［2］。向內(nèi)部推進(jìn)至 20 mm 處，馬氏體板條界（martensite lath boundary）模糊不清，回火過(guò)程中的位錯(cuò)等亞結(jié)構(gòu)回復(fù)可能導(dǎo)致馬氏體板條界的消失［12-14］。碳化物較淬火態(tài)鋼板同位置處的碳化物數(shù)量明顯增多，尺寸有所增大。在回火作用下，原始奧氏體晶粒內(nèi)的部分區(qū)域的貝氏體特征進(jìn)一步增強(qiáng)（圖4e，f）。芯部組織以貝氏體+少量板條馬氏體為主，碳化物數(shù)量增加且繼續(xù)粗化（圖4g，h）。由厚度方向上的顯微組織演變規(guī)律可知，顯微組織由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w是導(dǎo)致芯部硬度降低的根本原因，在芯部仍存在一定數(shù)量的馬氏體是芯部保持較高硬度的重要因素。

2.3 合金元素厚度方向的表征

圖4 60 mm厚度鋼板截面方向的顯微組織SEM照片

圖5為250 ℃回火試驗(yàn)鋼截面方向鋼中C、Mn、Cr、Ni、Mo主要合金元素的分布情況。距離試樣上下表面10 mm范圍內(nèi)為試驗(yàn)機(jī)加持部分，實(shí)際分析厚度的尺寸為40 mm。合金元素在厚鋼板內(nèi)部偏析將提高鋼板內(nèi)部淬透性，促進(jìn)厚鋼板內(nèi)部獲得馬氏體組織，進(jìn)而減少芯部硬度衰減?？梢钥吹?，芯部附近合金含量高于其它區(qū)域，厚度方向偏析以正偏析為主。上表面至芯部區(qū)域內(nèi)的C、Ni、Mo 含量均高于另外一側(cè)，C 在厚度方向的偏析指數(shù)為1.114，在距離上表面 23～32.5 mm 和 17～23 mm 處存在約9.5 mm 和6 mm 厚度的富C 偏析帶，該區(qū)域內(nèi)的最高含C 量（圖5a 中紅色區(qū)域）高出平均C 含量0.037 6%（圖5a 中綠色區(qū)域）。由下表面向內(nèi)推進(jìn)25 mm的區(qū)域內(nèi)存在明顯貧C偏析帶，低于平均C含量0.037 6%（圖5a中深綠色部分）。Ni、Mo偏析指數(shù)略低C，偏析指數(shù)分別為0.992 和0.976。在靠近上表面一側(cè)存在近似連續(xù)的富Ni/Mo，在靠近下表面一側(cè)存在貧Ni/Mo 偏析帶，具體偏析特點(diǎn)是距離上表面18～31 mm 處存在約13 mm 厚度的富Ni偏析帶，距離下表面17～25 mm 處存在約8 mm 厚度的貧Ni 偏析帶（圖5b）；Mo 偏析規(guī)律與 Ni 相似，在距離上表面22～30 mm 處存在約8 mm 厚度富Mo 偏析帶，在距離下表面20～25 mm 處存在約5 mm 厚度貧Mo 偏析帶（圖5c）。還可看到，富Mo 偏析帶位置更接近芯部（圖5b，c）。Mn和Cr偏析指數(shù)分別為1.008 和1.003，在芯部附近存在7 mm 和4 mm 厚度富Mn 和富Cr 偏析帶外，其他區(qū)域較為均勻（圖5d，e）。合金元素在截面方向的分布與鋼板上表面至芯部的硬度略大于下表面至芯部硬度的分布規(guī)律基本一致。

圖5 合金元素在60 mm厚度淬火+回火態(tài)鋼板截面方向上的分布

3 結(jié) 論

3.1 60 mm 厚度400HBW 級(jí)耐磨鋼布氏硬度由表面419.5 HBW 逐漸降低至芯部351.2 HBW，在距離表面20 mm 位置處硬度快速下降，上表面?zhèn)扔捕雀哂谙卤砻鎮(zhèn)扔捕?.8～12.2 HBW，硬度差變化先增大后減小，在距離上下表面15 mm 處的硬度差值最大。

3.2 淬火鋼表面至芯部組織由LM 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)M+B，碳化物數(shù)量逐漸增多并粗化；250℃回火后，表面至距離表面20 mm范圍內(nèi)組織為回火LM，lath寬度較淬火尺寸明顯增加。芯部組織由回火B(yǎng) 和少量回火LM 組成。由表面至芯部，碳化物增多尺寸逐漸粗化。

3.3 截面方向的C、Ni、Mo、Mn、Cr元素偏析指數(shù)為0.976～1.114。C 在距離上表面23～32.5 mm 和17～23 mm 處 存在 約 9.5 mm 和 6 mm 厚 度 富 C 偏 析帶，下表面?zhèn)葞缀跤韶欳 偏析區(qū)覆蓋。Ni 和Mo 偏析規(guī)律相似且富Mo 偏析位置更接近芯部，在距離上表面18～31 mm 處存在約13 mm 厚度富Ni 偏析帶，在距離下表面17～25 mm 處存在約8 mm 厚度貧Ni偏析帶。距離上表面22～30 mm處富Mo帶厚度約8 mm，距離下表面20～25 mm 處貧Mo 帶厚度約5 mm。Mn和Cr僅在芯部附近存在7 mm和4 mm厚度富Mn和富Cr偏析帶，偏析程度相對(duì)較弱。