高亞平， 師仲然， 賈 涓， 羅小兵， 宋新莉

(1. 武漢科技大學(xué) 耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430081；2. 鋼鐵研究總院 工程用鋼研究院， 北京 100081)

我國江、河流、海洋等面積廣泛，受地質(zhì)環(huán)境等影響江河、海洋等常常有大量泥沙淤積，破壞生態(tài)環(huán)境及交通運(yùn)輸。疏浚工程用船持續(xù)航行在泥沙含量較高的區(qū)域內(nèi)，其工況極為惡劣復(fù)雜。疏浚工程用船體鋼在使用過程中要反復(fù)承受強(qiáng)烈的沖擊、磨削、彎曲載荷，如果疏浚工程船舶用鋼出現(xiàn)斷裂則會(huì)造成災(zāi)難性的損壞，因此要求疏浚工程用船體鋼具有高強(qiáng)度、高硬度，還要求具有優(yōu)良的沖擊性能和良好的耐磨性[1-2]。

疏浚工程船所用耐磨材料種類較多，有高錳鋼、耐磨鑄鐵、低合金耐磨鋼。低合金耐磨鋼廣泛用于疏浚船裝載箱入口、泥門導(dǎo)軌、吸口套管內(nèi)襯材料等，要求其有較高的耐磨性能、機(jī)加工與焊接性能[3-4]。早期發(fā)展階段中的疏浚工程船舶輸泥直管制造材料主要是低碳鋼，但因?yàn)榈吞间撃湍バ砸约澳透g性均比較差，使用壽命較短，短期內(nèi)容易發(fā)生嚴(yán)重磨損，目前國內(nèi)大量進(jìn)口的低合金耐磨鋼為HARDOX400系列[5]。對低合金耐磨鋼進(jìn)行熱處理可以調(diào)控鋼板微觀結(jié)構(gòu)與優(yōu)化鋼板的力學(xué)性能，例如淬火-配分處理可以在馬氏體基體中引起一定體積分?jǐn)?shù)的殘留奧氏體(RA)，改善鋼的韌性，在沖擊載荷作用下，殘留奧氏體誘發(fā)馬氏體相變，提高強(qiáng)度與耐磨性能。循環(huán)熱處理可以細(xì)化奧氏體晶粒，提高鋼的強(qiáng)度與塑性[6-8]。本文設(shè)計(jì)一種低合金耐磨鋼，研究淬火-回火、熱循環(huán)、淬火-配分3種熱處理工藝對疏浚工程用船體鋼組織、硬度與磨粒磨損性能的影響，該研究為開發(fā)高性能低合金耐磨鋼提供了一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用鋼材為一種低碳低錳低合金耐磨船體鋼，化學(xué)成分如表1所示，試驗(yàn)鋼采用真空感應(yīng)爐冶煉，經(jīng)過5道次熱軋到16 mm厚。粗軋溫度1100 ℃，終軋溫度900 ℃。其中合金元素Cr、Ni、B可增加鋼的淬透性，同時(shí)Cr、Ni、Cu可改善鋼的耐腐蝕性能，Ti、V、Nb是強(qiáng)碳氮化物形成元素，有細(xì)化晶粒與析出強(qiáng)化的作用。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

利用Formastor-F Ⅱ型熱膨脹儀將如圖1所示試樣從室溫加熱到950 ℃，保溫6 min，然后以75 ℃/s的速度冷卻至室溫，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。使用Origin9軟件繪制如圖2所示熱膨脹曲線圖，并利用切線法測得試驗(yàn)鋼的各個(gè)相變溫度為：奧氏體轉(zhuǎn)變起始溫度Ac1=720 ℃，奧氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Ac3=810 ℃，馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度Ms=325 ℃，馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Mf=179 ℃。

圖1 熱模擬試樣示意圖

圖2 試驗(yàn)鋼熱膨脹曲線

根據(jù)Formastor-FⅡ型熱膨脹儀測得的相變溫度，制定了熱處理工藝：淬火-回火(Q-T)、淬火-配分(Q-P)、熱循環(huán)(CR)。淬火-回火即將試樣升溫至880 ℃保溫35 min，油冷，并鹽浴升溫至200 ℃保溫130 min；淬火-配分即將試樣升溫至880 ℃，奧氏體化保溫35 min，油冷，并降溫至250 ℃保溫20 min；熱循環(huán)即將試樣升溫至880 ℃，奧氏體化保溫35 min，油冷，并重新升溫至880 ℃保溫1 min，重復(fù)油冷升溫步驟3次后升溫至200 ℃保溫130 min，3種具體的熱處理工藝流程如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)鋼的熱處理工藝

在熱處理后的試驗(yàn)鋼上分別取金相試樣、TEM試樣、硬度試樣和磨損試樣。金相試樣經(jīng)360～2000號(hào)砂紙機(jī)械打磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液(體積分?jǐn)?shù))腐蝕7～8 s，再用無水乙醇沖洗并烘干，置于Nano Nova SEM 400掃描電鏡下觀察組織。硬度試樣用180～2000號(hào)砂紙打磨制到0.1 mm以下，然后利用10%高氯酸醋酸溶液(體積分?jǐn)?shù))進(jìn)行雙噴減薄，然后使用JEOL JEM-2010型透射電鏡及配件能譜儀進(jìn)行組織觀察及析出相成分分析。硬度試樣經(jīng)180～2000目砂紙打磨、拋光、無水乙醇沖洗并吹干后，用洛氏硬度計(jì)測試硬度，結(jié)果取5個(gè)點(diǎn)的平均值。磨損試樣先經(jīng)180～2000目砂紙打磨，超聲波清潔后在60 ℃烘干機(jī)中烘干30 min，然后采用ML-100C磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)根據(jù)JB/T 7506—1994《固定磨粒磨料磨損試驗(yàn) 銷-砂紙盤滑動(dòng)磨損法》進(jìn)行磨損性能測試[9]，磨損試驗(yàn)上試樣為待測試樣，配重后總載荷28.92 N，下試樣為粒徑180目砂紙，以100 r/min的速率同向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，上、下試樣的相對滑動(dòng)速率為0.67 m/s，磨損總行程為610 m。并用METTLER XS205型分析天平(精確度0.1 mg)測量磨損前后的質(zhì)量變化，結(jié)果取3次試驗(yàn)的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 熱處理工藝對顯微組織的影響

圖4和圖5分別為不同熱處理工藝下試驗(yàn)鋼的SEM形貌和TEM形貌。從圖4可以看出，在淬火溫度相同的情況下淬火-回火、淬火-配分和循環(huán)熱處理試樣的顯微組織有很大差別，淬火-回火后的組織主要是回火馬氏體，200 ℃回火后馬氏體板條依然清晰可見；而淬火-配分處理后的組織中原始奧氏體晶界依然可見，含有板條馬氏體和殘留奧氏體；熱循環(huán)處理后試驗(yàn)鋼中原奧氏體晶粒尺寸較小，馬氏體板條界面模糊，基體含有大量第二相粒子。試驗(yàn)鋼淬火后得到板條馬氏體組織，200 ℃回火過程中，從圖4(a，b)中可以看出馬氏體中過飽和的碳向位錯(cuò)周圍偏聚形成碳偏聚區(qū)，當(dāng)碳濃度達(dá)到一定程度，析出少量的碳化物[10]。試驗(yàn)鋼在880 ℃奧氏體化后淬火到Ms～Mf之間的溫度250 ℃，目的是得到一部分馬氏體+殘留奧氏體，隨后等溫過程，過飽和馬氏體中碳擴(kuò)散到殘留奧氏體，由圖4(c，d)可見，淬火-配分后得到板條馬氏體，同時(shí)基體中有顆粒狀析出與塊狀組織[11-13]。試驗(yàn)鋼加熱到880 ℃ 奧氏體化后冷卻并加熱循環(huán)3次，目的是細(xì)化奧氏體組織，從而最終細(xì)化馬氏體組織，由圖4(e，f)可見，循環(huán)熱處理后原始奧氏體晶粒尺寸2～6 μm，馬氏體板條消失，得到部分塊狀組織和大量顆粒狀析出[13-14]。

圖4 不同熱處理工藝下試驗(yàn)鋼的SEM組織

圖5 不同熱處理工藝下試驗(yàn)鋼的TEM組織及析出物能譜圖

由圖5(a，b)可知，試驗(yàn)鋼淬火-回火后馬氏體板條依然存在，基體中有少量納米尺寸的球形顆粒狀與條狀析出，由圖5(b)能譜分析表明，球形顆粒狀析出主要是(Nb,Ti)C[15]。由圖5(c，d)可知試驗(yàn)鋼淬火-配分后基體中有條狀殘留奧氏體，寬度約200 nm，由于試驗(yàn)鋼淬火到Ms～Mf之間，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變不完全，會(huì)有一部分殘留奧氏體[16-17]。在熱循環(huán)過程中，由于經(jīng)過了3次短暫的880 ℃循環(huán)加熱與快冷，基體中馬氏體板條消失，有顆粒狀(Nb,Ti)C析出，見圖5(e，f)。循環(huán)熱處理淬火加熱過程中，碳沒有充分固溶，奧氏體細(xì)化，晶界缺陷多，促進(jìn)了第二相以非均勻形核的形式析出，析出相有沿晶界與相界析出的趨勢[18]。

2.2 熱處理工藝對硬度與磨粒磨損性能的影響

不同熱處理工藝下試驗(yàn)鋼的硬度和磨損質(zhì)量損失如圖6所示。由圖6可知，淬火-配分處理(Q-P)的試樣硬度最高，達(dá)到了40.5 HRC，而循環(huán)熱處理工藝(CR)的試樣硬度急劇降低，只有30.8 HRC，淬火-回火處理(Q-T)的試樣與淬火-配分硬度相近，達(dá)到了39.5 HRC。淬火-回火試驗(yàn)鋼組織主要為回火馬氏體和少量殘留奧氏體，因此硬度較高，淬火-配分試驗(yàn)鋼的基體中有較多軟相殘留奧氏體，雖然殘留奧氏體的存在會(huì)降低鋼的硬度，但是磨損過程中一部分殘留奧氏體組織會(huì)向馬氏體轉(zhuǎn)變引起鋼的相變硬化，從而淬火-配分試驗(yàn)鋼的硬度更高[19-20]。循環(huán)熱處理工藝導(dǎo)致試驗(yàn)鋼硬度大幅下降，主要是碳沒有充分固溶，試驗(yàn)鋼的淬透性差，導(dǎo)致硬度降低。

圖6 不同熱處理工藝下試驗(yàn)鋼的硬度(a)和磨損質(zhì)量損失(b)

由圖6(b)可知，試驗(yàn)鋼的耐磨性能與硬度分布相對應(yīng)。其中淬火-回火試驗(yàn)鋼磨損質(zhì)量損失為105.5 mg，淬火-配分試驗(yàn)鋼磨損質(zhì)量損失為105.1 mg，循環(huán)熱處理的試驗(yàn)鋼磨損質(zhì)量損失為127.4 mg，淬火-回火試驗(yàn)鋼與淬火-配分試驗(yàn)鋼的磨損質(zhì)量損失相差不大，但是循環(huán)熱處理的試驗(yàn)鋼磨損質(zhì)量損失最大。結(jié)合試驗(yàn)鋼的硬度和磨損質(zhì)量損失進(jìn)行分析可知，磨損表面高硬度可以減少磨粒的壓入，從而提高材料的耐磨性能。對于淬火-回火和淬火-配分試樣，由于存在一定量的殘留奧氏體，在磨損過程中一部分殘留奧氏體組織會(huì)向馬氏體轉(zhuǎn)變[21]，使得鋼的表面硬度増加，試驗(yàn)鋼因表面硬度升高也會(huì)使得質(zhì)量損失降低，從而表現(xiàn)出耐磨性能好。同時(shí)，在顯微組織觀察中發(fā)現(xiàn)熱循環(huán)的析出粒子數(shù)量比淬火-回火和淬火-配分要多，尺寸也更粗大。析出相粒子的數(shù)量、尺寸等均會(huì)對鋼的耐磨性能產(chǎn)生一定影響[22]。

圖7是不同熱處理工藝下試樣磨損后的表面磨損形貌。3種試驗(yàn)鋼的磨損試樣表面都有明顯連續(xù)犁溝，表明磨損過程中基體發(fā)生了明顯的塑性變形行為，其中圖7(c)的犁溝明顯比圖7(a，b)更深、更寬，說明熱循環(huán)處理的試驗(yàn)鋼的塑性變形更嚴(yán)重，質(zhì)量損失更多，耐磨性能更差。對比圖7(a)和圖7(b)可發(fā)現(xiàn)，淬火-配分試樣的劃痕比淬火-回火的更不規(guī)則且存在剝落，由于第二相粒子的存在可以阻礙切削，由此可判斷磨痕處存在TiC等硬質(zhì)第二相粒子阻礙了切削的繼續(xù)進(jìn)行。磨損試樣的主要形貌是犁溝，犁溝的深度和寬度不同，除了與硬度和第二相粒子有關(guān)外，還與磨粒有關(guān)，由于試驗(yàn)使用180目砂紙磨樣，在磨損過程中砂紙上的磨粒被磨平，磨屑沿溝槽兩側(cè)堆積剝離導(dǎo)致溝槽變寬，并且在磨損時(shí)，已經(jīng)被磨下的磨屑和硬質(zhì)磨粒也會(huì)阻礙溝槽的形成，使得表面溝槽不連續(xù)。

圖7 不同熱處理工藝下試驗(yàn)鋼的表面磨損形貌

3 結(jié)論

1) 試驗(yàn)鋼經(jīng)淬火-回火后組織主要為回火馬氏體和少量殘留奧氏體，淬火-配分試驗(yàn)鋼得到馬氏體加較多殘留奧氏體，3次熱循環(huán)后馬氏體板條消失，存在塊狀殘留奧氏體，基體中有較多粗大粒狀(Nb,Ti)C析出。

2) 試驗(yàn)鋼淬火-回火硬度為39.5 HRC，淬火-配分硬度為40.5 HRC，循環(huán)熱處理硬度只有30.8 HRC。試驗(yàn)鋼淬火-回火后存在少量對硬度影響不大的薄膜狀殘留奧氏體，而淬火-配分鋼中有較多殘留奧氏體，磨損過程中發(fā)生殘留奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，引起相變硬化，使得淬火-配分鋼的硬度較淬火-回火鋼的好。循環(huán)熱處理中馬氏體板條消失，有塊狀殘留奧氏體，快速的淬火冷卻過程中碳原子沒有充分固溶，使得鋼的淬透性差，因此循環(huán)熱處理鋼的硬度最差。

3) 不同熱處理工藝下試驗(yàn)鋼的硬度與磨損量呈反比，試驗(yàn)鋼循環(huán)熱處理后的耐磨性能最差，淬火-回火的次之，淬火-配分的最好。3組試驗(yàn)鋼磨粒磨損后表面都有大量犁溝，表面磨損機(jī)理主要是塑性變形，其中熱循環(huán)處理試驗(yàn)鋼的塑性變形最嚴(yán)重，淬火-配分鋼犁溝不連續(xù)，存在析出相粒子阻礙砂礫磨削，塑性變形較少。