顧大慶，麻 衡

（山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟(jì)南271104）

1 前 言

目前，各國都十分重視耐磨鋼的開發(fā)，希望減輕工程機(jī)械設(shè)備自重并提高材料的使用效率，使材料的磨損最小，使用壽命最長，作業(yè)率最高［1-2］。工程機(jī)械在作業(yè)過程中零部件存在各種類型的磨損，其中磨料磨損是主要的磨損形式［3］。據(jù)不完全統(tǒng)計，因這種磨損和機(jī)械工具的自然耗蝕，全球每年消耗的鋼鐵材料在2 000 萬t 以上。在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，由于工程機(jī)械采用部分高耐磨鋼材，磨損所造成的損失占國內(nèi)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值的4%［4-6］，明顯低于發(fā)展中國家。

從國內(nèi)耐磨鋼的研制水平和生產(chǎn)狀況來看，盡管近十幾年來國內(nèi)部分鋼廠在耐磨鋼的研制和生產(chǎn)方面進(jìn)步較快，但相比國外耐磨鋼的研制和生產(chǎn)水平還存在相當(dāng)大的差距。部分優(yōu)質(zhì)HB400 及以上級別的耐磨鋼均靠進(jìn)口，耐磨鋼年主要消耗量為HB400級耐磨鋼［7］。

本文從低成本的角度出發(fā)，在Q345B鋼成分上添加Cr、B 強(qiáng)淬透性元素，采用控軋控冷和調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)，提高耐磨鋼的質(zhì)量，開發(fā)新型高性能低成本NM400 鋼，以降低由于磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)綠色高效可持續(xù)發(fā)展。

2 試驗(yàn)材料及方法

工程機(jī)械耐磨鋼在高硬度、高耐磨前提下，具有較好的韌（塑）性及低焊接裂紋敏感性，因此需對成分及熱處理工藝進(jìn)行重新設(shè)計。低成本Cr-B系NM400鋼的成分設(shè)計主要考慮C、Si、Mn、Cr、B、V等元素的作用和含量，其中Cr、B 元素可大幅提升鋼的淬透性，使淬火組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體［8］，隨后通過回火處理改善鋼的塑性和韌性。低成本Cr-B 系NM400鋼化學(xué)成分控制如表1所示。

表1 NM400鋼的熔煉成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

鋼板在奧氏體的再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)軋制時會表現(xiàn)出不同的變形抗力，同時軋制工藝參數(shù)直接影響軋后鋼板的晶粒尺寸和淬火馬氏體的板條束寬度，進(jìn)而影響產(chǎn)品的力學(xué)性能［9-10］。為研究軋制工藝對低成本Cr-B 系NM400 再結(jié)晶規(guī)律的影響，采用Gleeble-3800 熱力模擬機(jī)進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，所選溫度區(qū)間為800～1 150 ℃，應(yīng)變速度為0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1，采集并分析不同試驗(yàn)條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

采用LEICA DM6000 對低成本Cr-B 系NM400金相組織進(jìn)行觀察，分析軋制及熱處理工藝對鋼板組織及性能影響。用線切割切取厚度為0.3 mm 的薄片，進(jìn)行機(jī)械研磨至50 μm 并沖壓成Φ 3 mm 圓片，然后用電解雙噴法制備薄膜狀試樣，電解液是10%的高氯酸酒精溶液，在Tecnai G2 透射電鏡下觀察鋼中析出物。低成本Cr-B系NM400布氏硬度在Wilson-UH4750試驗(yàn)機(jī)測定，統(tǒng)計并分析布氏硬度變化規(guī)律。

3 工藝研究與控制

3.1 軋制工藝研究

應(yīng)力-應(yīng)變曲線反應(yīng)了不同軋制工藝下奧氏體的變形抗力、動態(tài)軟化率及再結(jié)晶情況，低成本Cr-B 系NM400 鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1 所示。由圖可知，變形溫度對低成本Cr-B 系NM400 鋼峰值應(yīng)力影響顯著，隨變形溫度升高，變形抗力的峰值應(yīng)力總體呈下降趨勢，如圖1a 所示。當(dāng)應(yīng)變速率為0.01 s-1時，當(dāng)變形溫度從850 ℃升至1 150 ℃，峰值應(yīng)力由150 MPa 降至45 MPa。應(yīng)變速率對奧氏體動態(tài)再結(jié)晶的溫度影響明顯，應(yīng)變速度為0.01 s-1時，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的變形溫度為850 ℃；當(dāng)應(yīng)變速率增至1 s-1時，所有溫度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線均未出現(xiàn)軟化趨勢，說明此應(yīng)變速率下奧氏體難以發(fā)生再結(jié)晶。由高溫?zé)釅嚎s試驗(yàn)可知，低成本Cr-B 系NM400 鋼在較低應(yīng)變速率下奧氏體可發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，所以低成本Cr-B 系NM400 鋼在再結(jié)晶區(qū)軋制時，可采用較低軋制速度和較大壓下量來提高奧氏體動態(tài)再結(jié)晶，使變形滲透到鑄坯心部，提高鋼板厚度方向奧氏體晶粒均勻性，同時使再結(jié)晶充分，充分細(xì)化奧氏體晶粒。奧氏體未再結(jié)晶區(qū)采用1 s-1以上軋制速度軋后可有效提高累計變形量來細(xì)化組織，獲得扁平的奧氏體晶粒，為后續(xù)相變提供大量相變能和形核位置。

圖1 新型低成本NM400鋼的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 熱處理工藝研究

為了探索合適的淬火溫度，從低成本Cr-B 系NM400熱軋鋼板上切取小鋼板，進(jìn)行不同溫度的淬火熱處理試驗(yàn)。淬火溫度為870、900、930 和960 ℃，然后對淬火后試樣進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能檢測和顯微組織觀察。淬火態(tài)布氏硬度值如圖2所示。從圖2 中可以看出，鋼板的硬度值均大于國標(biāo)（GB T 24186—2009）要求，對比不同淬火溫度下的布氏硬度值變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)鋼板在870～930 ℃溫度區(qū)間淬火后布氏硬度值較高。隨淬火溫度增加，布氏硬度略有降低，這是由于V（CN）析出粒子的固溶溫度有關(guān)，根據(jù)V（CN）的固溶溫度可知，900～950 ℃大量析出相開始固溶，降低了第二相粒子的析出強(qiáng)化效果。從布氏硬度結(jié)果可知，含V鋼的淬火溫度并不需要太高。

圖3為鋼板的淬火后組織，可以看出淬火態(tài)鋼板表面的顯微組織均為板條馬氏體。隨淬火溫度的提高，馬氏體板條寬度及板條束長度均有所增加。

圖4 為不同溫度淬火后鋼板的原始奧氏體組織。當(dāng)淬火溫度為870 ℃時，原始奧氏體晶粒尺寸約為8～10 μm，晶粒尺寸較?。浑S著淬火溫度的提高，原始奧氏體晶粒尺寸增大，但并未明顯粗化。

根據(jù)淬火結(jié)果，將試樣經(jīng)過900℃淬火試驗(yàn)后進(jìn)行不同溫度的回火，回火溫度為200、250、300、400 和500 ℃，并對回火試樣進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能檢測和顯微組織觀察。圖5 為鋼板在不同溫度回火后拉伸性能變化趨勢。由圖可知，鋼板抗拉強(qiáng)度隨回火溫度升高逐漸降低，而伸長率逐漸升高，鋼板經(jīng)中溫回火后（400～500 ℃），抗拉強(qiáng)度降低最為明顯。由此可知，低成本Cr-B 系NM400 的適宜回火溫度范圍200～300 ℃。

圖2 淬火溫度對淬火態(tài)鋼板布氏硬度的影響

圖6 為不同溫度回火后的布氏硬度平均值，從圖中可以看出，不同回火溫度的硬度值并沒有發(fā)生明顯變化，鋼板在低溫回火后硬度值均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 不同溫度淬火后鋼板的顯微組織

圖4 不同溫度淬火后鋼板的原始奧氏體組織

圖5 回火溫度對鋼板抗拉強(qiáng)度和伸長率的影響

圖6 不同溫度回火后鋼板表面的布氏硬度值

根據(jù)研究結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備特點(diǎn)，本文中低成本Cr-B 系NM400 鋼合適淬火溫度范圍為900～930 ℃，適宜回火溫度范圍為200～300 ℃，確定工業(yè)熱處理工藝如表2所示。

表2 新型低成本Cr-B系NM400鋼熱處理工藝

4 試制產(chǎn)品組織與性能

低成本Cr-B 系鋼板NM400 生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF+RH精煉→板坯連鑄、緩冷→板坯加熱→除鱗→粗軋→精軋→控冷→熱矯→冷床緩冷→淬火+回火→堆垛入庫。

產(chǎn)品硬度檢驗(yàn)如圖7 所示。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，鋼板硬度均勻，波動范圍小，完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和用戶的要求，其中薄/厚規(guī)格產(chǎn)品硬度集中在395～400 HBW，中間厚度規(guī)格16～30 mm 硬度集中在410～415 HBW。

圖7 不同厚度鋼板的布氏硬度平均值

在Q345B基礎(chǔ)上，采用添加少量強(qiáng)淬透性元素Cr、B 開發(fā)出低成本Cr-B 系NM400，滿足大部分用戶的需求，達(dá)到降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品附加值和進(jìn)入市場優(yōu)勢。如表3所示，低成本NM400鋼板不僅滿足硬度要求，同時也滿足了強(qiáng)塑性要求。

表3 新型低成本Cr-B系NM400鋼板的力學(xué)性能

低成本Cr-B系NM400鋼各工藝階段組織如圖8所示。熱軋態(tài)組織是細(xì)小均勻的鐵素體+珠光體，淬火后組織是細(xì)小的板條馬氏體+極少量的殘余奧氏體，回火后組織是回火馬氏體。各工藝階段鋼板組織均勻性較好，從而保證了鋼板的硬度均勻性。

圖8 新型低成本Cr-B系NM400鋼板的金相顯微組織

圖9 為淬火態(tài)和回火態(tài)馬氏體的板條結(jié)構(gòu)和碳化物形態(tài)。從圖9可以看出，淬火后鋼板中相互交叉的馬氏體束有效縮短了板條滑移距離，晶界強(qiáng)化效果明顯；板條內(nèi)含有大量的碳化物析出相，碳化物的析出與晶界呈45°交叉角。鋼板經(jīng)回火后馬氏體中亞板條結(jié)構(gòu)并未明顯退化，同時沿板條晶界也析出碳化物，析出強(qiáng)化效果提高，可以顯著提高鋼的耐磨性。

圖9 淬火態(tài)和回火態(tài)馬氏體的透射電鏡微觀組織

5 耐磨性試驗(yàn)

從工業(yè)生產(chǎn)的低成本Cr-B系NM400和Q345B鋼板表層分別切取厚度相同的試樣3塊，編號為1#、2#、3#、4#、5#、6#，表面打磨使光潔度相同，在磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，其中1#、4#轉(zhuǎn)數(shù)3 000 r/min，2#、5#轉(zhuǎn)數(shù)6 000 r/min，3#、6#轉(zhuǎn)數(shù)9 000 r/min。

表4顯示經(jīng)過3 000、6 000和9 000轉(zhuǎn)后磨損失重，從對比數(shù)據(jù)來看，相同轉(zhuǎn)速下低成本Cr-B 系NM400的磨損失重量明顯小于Q345B，轉(zhuǎn)速越大差距越明顯，說明低成本Cr-B 系NM400 鋼耐磨性顯著優(yōu)于Q345B。

表4 低成本Cr-B系NM400和Q345B鋼板的磨損失重對比

圖10為磨損表面的微觀形貌，從SEM圖來看，低成本Cr-B 系NM400 耐磨鋼表面磨損均勻，無大坑洞，說明低成本Cr-B 系耐磨NM400 鋼板硬度均勻，耐磨性良好。

圖10 NM400鋼板磨損表面的微觀形貌

6 結(jié) 語

新型低成本Cr-B系NM400 鋼板在Q345B成分上添加Cr、B強(qiáng)淬透性元素，提高了鋼板的淬透性。經(jīng)合理的軋制及熱處理后，成品鋼板表面布氏硬度＞395 HBW，抗拉強(qiáng)度超過1 280 MPa，斷后伸長率＞27%，且耐磨性良好。新型低成本Cr-B 系NM400 鋼板經(jīng)中平能化集團(tuán)機(jī)械制造有限公司和新加坡瑞泰實(shí)業(yè)有限公司在刮板運(yùn)輸機(jī)使用，產(chǎn)品實(shí)物性能完全滿足使用要求，并得到了用戶的肯定。