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(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110819; 3.國(guó)電東北環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司 沈水灣污水處理廠，沈陽(yáng) 110141)

奧氏體化溫度對(duì)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(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110819; 3.國(guó)電東北環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司 沈水灣污水處理廠，沈陽(yáng) 110141)

采用力學(xué)性能測(cè)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(shí)間對(duì)低合金耐磨鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響，并通過(guò)端淬試驗(yàn)研究了奧氏體化溫度對(duì)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(dāng)奧氏體化溫度超過(guò)910℃時(shí)，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(qiáng)韌性;奧氏體溫度超過(guò)930℃以及延長(zhǎng)保溫時(shí)間都會(huì)使原始奧氏體晶粒粗化，導(dǎo)致鋼板韌性降低.

奧氏體化溫度;耐磨鋼;顯微組織;力學(xué)性能;淬透性

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

國(guó)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(guó)內(nèi)主要采用QT工藝進(jìn)行生產(chǎn).因此，鋼板淬火組織和性能以及淬透性對(duì)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(diǎn).

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(shí)也會(huì)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(duì)奧氏體化溫度十分敏感，溫度過(guò)高或過(guò)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(jí)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(guò)將該鋼板在淬火過(guò)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(shí)間對(duì)顯微組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，以及奧氏體化溫度對(duì)該鋼淬透性的影響.

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)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(xué)成分如表1所示.熱軋時(shí)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(jìn)行15～75 min內(nèi)不同時(shí)間保溫后水淬，研究保溫時(shí)間的影響.拉伸試樣采用矩形橫截面標(biāo)準(zhǔn)試樣，鋼板表面磨去0.5 mm檢測(cè)維氏硬度，沖擊試樣為10 mm×10 mm×55 mm的夏比標(biāo)準(zhǔn)樣，試驗(yàn)溫度為 －20℃，利用Leica DMIRM多功能光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，用Tecnai G220型透射電子顯微鏡觀察精細(xì)顯微結(jié)構(gòu).

根據(jù)GB225－88末端淬火試驗(yàn)方法，采用Φ25 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)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(duì)的兩邊各磨去0.5 mm深，測(cè)定沿試樣軸向至淬火端1.5 mm以后點(diǎn)的維氏硬度，繪制淬透性曲線［6，7］.

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the experimental steel(mass fraction) %

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 奧氏體化溫度對(duì)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(dá)到430 HV以上，20 mm距離內(nèi)均可達(dá)到390 HV以上，25 mm處硬度在910℃加熱時(shí)達(dá)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(shí)達(dá)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(kuò)散，延緩?qiáng)W氏體轉(zhuǎn)變，淬透性提高.硼提高淬透性的機(jī)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(dāng)硼含量超過(guò)一定值時(shí)，大量氮硼化物的析出反而促進(jìn)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(duì)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(dāng)奧氏體化溫度超過(guò)某一溫度時(shí)，硼在晶界的偏聚過(guò)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(gè)溫度，硼的晶界偏聚過(guò)程過(guò)慢，奧氏體分解已經(jīng)開始，硼的效應(yīng)還來(lái)不及很好地發(fā)揮.另外，該鋼中鈦元素對(duì)硼起到了固氮保護(hù)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(duì)硼提高淬透性作用的不利影響.

2.2 奧氏體化溫度對(duì)顯微組織的影響

試驗(yàn)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(shí)奧氏體在鐵素體和滲碳體兩相交界面形核后，隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)奧氏體以擴(kuò)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(shí)，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(dǎo)致奧氏體晶粒長(zhǎng)大，最終組織也發(fā)生明顯粗化.

圖2 奧氏體化溫度對(duì)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(shí)，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(shí)，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(cuò)被遺傳下來(lái)形成亞組織，在淬火過(guò)程中由于馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)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(jìn)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(cuò)密度，同時(shí)也有自回火現(xiàn)象出現(xiàn)在板條內(nèi)，板條上分布著多個(gè)慣習(xí)方向析出的碳化物，寬約10～30 nm，長(zhǎng)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(duì)力學(xué)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(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響曲線.在750～850℃間淬火時(shí)，硬度及強(qiáng)度隨溫度升高而增大，在850℃淬火時(shí)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到1 420 MPa和995 MPa，維氏硬度達(dá)到436 HV;超過(guò)910℃后，硬度和強(qiáng)度隨溫度變化呈下降趨勢(shì).在750～830℃淬火時(shí)，－20℃沖擊功隨加熱溫度升高而增大至51 J，870～930℃淬火時(shí)的沖擊功在40 J左右變化，超過(guò)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(duì)試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響Fig.4 Effect of austenitizing temperature on mechanical properties of the experimental steel

圖5 保溫時(shí)間對(duì)試驗(yàn)鋼力學(xué)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(shí)間后淬火時(shí)，顯微組織中還保留剩余的細(xì)小鐵素體，此時(shí)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(shí)間的延長(zhǎng)，奧氏體化程度增大，鐵素體逐漸消失在不斷形核和長(zhǎng)大的奧氏體中，從而導(dǎo)致韌性下降.在910～950℃進(jìn)行短時(shí)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(shí)間的延長(zhǎng)，奧氏體不斷形核和長(zhǎng)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(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，原始奧氏體晶粒開始粗化，馬氏體束和馬氏體塊尺寸也會(huì)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(huì)直接導(dǎo)致強(qiáng)韌性的降低［11，12］.

3 結(jié)論

(1)兩相區(qū)淬火時(shí)，830℃保溫30～45 min淬火，鋼板在具有較高強(qiáng)度和硬度的同時(shí)還具有優(yōu)于完全淬火的韌性;完全淬火時(shí)，鋼板在910℃保溫45～60 min淬火時(shí)具有良好的強(qiáng)韌性，930℃以上繼續(xù)加熱和延長(zhǎng)保溫時(shí)間，強(qiáng)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(dá)到390 HV以上.910℃以下，淬透性隨溫度升高而提高，超過(guò)910℃，淬透性降低.

(3)在實(shí)際生產(chǎn)中，淬火奧氏體化溫度不應(yīng)超過(guò)930℃，且保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng);對(duì)于韌性要求較高的鋼板，可通過(guò)830℃亞溫淬火來(lái)提高韌性;對(duì)于厚規(guī)格鋼板，需進(jìn)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(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃 (973)項(xiàng)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(xué)教授，E－mail:zhdwang@mail.neu.edu.cn.