關(guān)鍵詞：超高Ti鋼；第二相粒子；Ti+Mo+C粒子；TiN粒子；固溶；枝晶尺寸；析出方式

材料磨損是導(dǎo)致很多設(shè)備和工件迅速失效的主要原因，碳化物顆粒增強(qiáng)型耐磨鋼由于具有良好的耐磨性，得到了廣泛應(yīng)用。此類(lèi)耐磨鋼主要依靠第二相粒子—TiC顆粒來(lái)提高硬度和耐磨性，其具有較高的熔點(diǎn)、硬度和強(qiáng)度，以及良好的熱穩(wěn)定性、良好的耐磨損性能等，常用于制備高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨零件和裝備。對(duì)于傳統(tǒng)耐磨鋼，通過(guò)添加合金元素、改變軋制和熱處理工藝等手段來(lái)控制其組織類(lèi)型和晶粒尺寸，從而提升耐磨鋼的性能。對(duì)于碳化物顆粒增強(qiáng)型耐磨鋼，主要是靠第二相粒子來(lái)提高性能，但是第二相粒子的類(lèi)型、形態(tài)、尺寸、分布及數(shù)量很難精準(zhǔn)控制，并且第二相粒子的這些參數(shù)同鋼材的化學(xué)成分、冶煉、連鑄、軋制以及后續(xù)冷卻工藝都有很大關(guān)系，因此深入研究第二相粒子的形成及生長(zhǎng)演變機(jī)理同化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝的關(guān)系是生產(chǎn)高品質(zhì)耐磨鋼的關(guān)鍵。實(shí)際生產(chǎn)的連鑄過(guò)程中，Ti很容易與N結(jié)合析出大尺寸TiN顆粒而影響耐磨鋼的性能。因此，本文對(duì)超高Ti耐磨鋼鑄坯及成品鋼板中的第二相粒子進(jìn)行了表征統(tǒng)計(jì)，對(duì)第二相粒子的類(lèi)型、形態(tài)、尺寸、分布及數(shù)量等與不同變形工藝及冷卻制度之間的關(guān)系進(jìn)行了深入研究分析。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為超高Ti耐磨鋼，其主要化學(xué)成分包括0.25-0.35C、0.1-0.5Si、0.2-0.6Ti、0.3-0.9Cr、0.5-1.5Mn、0.2-0.6Ni、0.2-0.6Mo、鐵余量。首先在鑄坯1/4厚度處切取熱模擬試樣，利用Gleeble3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行固溶熱處理：將試樣以10 ℃/s的加熱速率加熱至固溶溫度 （800～1 300 ℃），保溫30 min， 然后快速冷卻，冷卻速率為100 ℃/s。

將熱模擬試樣從熱電偶焊點(diǎn)處切開(kāi)，觀察試樣的橫截面形貌；試樣研磨拋光后，用光學(xué)顯微鏡觀察大尺寸（不小于1 μm）第二相粒子的形態(tài)和分布，利用掃描電鏡（SEM）觀察小尺寸（小于1 μm）第二相粒子形態(tài)和分布；利用電子探針（EPMA）對(duì)第二相粒子的成分進(jìn)行分析，并利用夾雜物自動(dòng)分析儀（ASPEX）對(duì)第二相粒子的形態(tài)、數(shù)量、尺寸、分布及成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)鋼鑄坯和軋制板材的第二相粒子進(jìn)行分析。試驗(yàn)鋼采用兩階段控制軋制，終軋溫度不高于900 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 金相觀察分析

光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明：不管是原始鑄態(tài)試樣還是800～1 300 ℃固溶處理后試樣，第二相粒子均沿晶界析出，且均有團(tuán)簇狀分布形態(tài)，原始鑄態(tài)和不同固溶溫度熱處理后，試樣晶粒尺寸相差不大，沒(méi)有明顯長(zhǎng)大的趨勢(shì)，這是因?yàn)榈诙嗔Ｗ友鼐Ы缥龀?，釘扎了晶界，阻礙了晶粒長(zhǎng)大，可以達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。此外，均勻分布的第二相粒子可以顯著提升鋼板的耐磨性能。

2.2 電子探針?lè)治?/p>

利用EPMA的波譜儀（WDS）對(duì)鑄態(tài)試樣中的第二相粒子進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)第二相粒子形態(tài)主要為兩種：一種為長(zhǎng)條狀，另外一種為方形或三角形等規(guī)則形狀，WDS結(jié)果分別如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知：長(zhǎng)條狀粒子成分主要為C、N、Ti和Mo元素，其中N元素含量比較低，且N元素主要分布在粒子心部，這是因?yàn)門(mén)iN粒子的析出溫度高于TiC粒子，析出時(shí)TiN或者Ti（C， N）粒子首先析出，隨著冷卻的進(jìn)行，含Mo元素的TiC粒子以?xún)煞N形式析出長(zhǎng)大，一種是形核析出長(zhǎng)大，另一種是Ti元素和Mo元素以TiN或者Ti（C，N）粒子為核心外延生長(zhǎng)、析出長(zhǎng)大，這種形式消耗的能量低，在冷卻過(guò)程中更容易實(shí)現(xiàn)。方形或三角形粒子是典型的TiN或者Ti（C，N）粒子，成分主要為C、N、Ti元素。為了更好地區(qū)分以上兩種粒子，將長(zhǎng)條狀粒子定義為含Mo的TiC（命名為T(mén)i+Mo+C）粒子，將方形或三角形等規(guī)則形狀粒子定義為T(mén)iN粒子。

2.3 SEM觀察分析

試樣中除金相觀察到的尺寸大于1 μm的第二相粒子外，還有尺寸小于1 μm的第二相粒子，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察，形貌如圖5所示。由圖5可以看出：原始鑄態(tài)試樣以及固溶溫度稍低（溫度低于1 000 ℃）的試樣中，第二相粒子尺寸稍大，且第二相粒子帶有小翅膀，呈現(xiàn)星芒狀，隨著固溶溫度的升高，星芒狀的第二相粒子減少，粒子形狀以球形為主，且粒子數(shù)量增多。這再次說(shuō)明第二相粒子析出時(shí)TiN粒子析出溫度高于Ti+Mo+C粒子，所以連鑄坯中的第二相粒子是TiN首先析出，然后冷卻過(guò)程中Ti元素和Mo元素以TiN粒子為質(zhì)點(diǎn)，不斷析出聚集長(zhǎng)大，所以Ti+Mo+C粒子中心點(diǎn)含有N元素，與EPMA的WDS結(jié)果（圖3和圖4）相符。在固溶處理過(guò)程中，隨著溫度的升高，呈現(xiàn)星芒狀的粒子開(kāi)始溶解，部分已經(jīng)聚集析出的Ti和Mo元素固溶到基體中，因此隨著固溶溫度的升高，基體中的第二相粒子尺寸減小、數(shù)量減少，且溫度高時(shí)第二相粒子呈現(xiàn)出剛剛形核的球形，這是因?yàn)闂l形和星芒狀第二相粒子溶解所至。尺寸小于1 μm的第二相粒子形貌和EDS結(jié)果如圖6和表1所示，EDS結(jié)果表明：尺寸小于1 μm的第二相粒子均為T(mén)i+Mo+C粒子，幾乎沒(méi)有TiN粒子。原因可能是：在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)原位形核的Ti+Mo+C粒子僅發(fā)生部分溶解；還可能是由于第二粒子以TiN粒子為中心質(zhì)點(diǎn)，邊部為T(mén)i、C和Mo元素，因?yàn)镹元素含量低，故能譜分析未能檢測(cè)到，所以EDS結(jié)果為T(mén)i+Mo+C粒子。隨著固溶溫度的升高，第二相粒子中Ti元素和Mo元素的含量比值逐漸升高，如圖7所示。這說(shuō)明低溫析出的含Mo相優(yōu)先分解固溶到基體中，隨著溫度的升高，含Mo的Ti+Mo+C相繼續(xù)溶解，而TiN相沒(méi)有變化，因此隨著固溶溫度的升高，第二相粒子的w（Ti）/w（Mo）含量比升高。

2.4 ASPEX觀察分析

夾雜物自動(dòng)分析儀ASPEX統(tǒng)計(jì)分析的第二相粒子在分析區(qū)域的分布如圖8所示，結(jié)果表明：鑄態(tài)及不同固溶溫度處理后，第二相粒子全部沿枝晶析出，原始枝晶大小、枝晶間距的寬窄決定了第二相粒子的分布，原始枝晶越小，枝晶間距越窄，第二相粒子分布就越均勻；鑄坯經(jīng)軋制后，大尺寸第二相粒子減少，小尺寸粒子數(shù)量增多，可能是因?yàn)殍T坯經(jīng)1 200 ℃加熱后，部分大尺寸第二相粒子發(fā)生分解固溶到基體中，在隨后的軋制和冷卻過(guò)程中沿原始奧氏體晶界析出，仍保持鑄態(tài)枝晶分布特征。所以，鑄態(tài)中第二相粒子分布越均勻，軋制后鋼板中第二相粒子分布就越均勻。因此，鑄坯中枝晶的控制非常重要，原始枝晶尺寸越小，第二相粒子分布就越均勻，有利于細(xì)化原始奧氏體晶粒，提高耐磨性能。同時(shí)，如果第二相粒子均勻分布在枝晶間，團(tuán)簇狀現(xiàn)象會(huì)減輕；如果枝晶間距大小不一，在大的枝晶間距會(huì)有大量的第二相粒子析出形成團(tuán)簇狀，在后續(xù)的軋制和熱處理過(guò)程中，由于溫度較低而不能改變第二相粒子的分布，只是在軋制過(guò)程中大尺寸粒子會(huì)破碎，形成小尺寸粒子。所以，鑄坯中枝晶的控制非常關(guān)鍵，需要在連鑄過(guò)程中進(jìn)行嚴(yán)格把控。在連鑄過(guò)程中，溫度和冷卻速率一定要嚴(yán)格控制，以防止枝晶粗大。

原始鑄態(tài)及不同固溶溫度下，不同尺寸的第二相粒子占該粒子總數(shù)的比例如圖9所示，統(tǒng)計(jì)的依據(jù)為粒子的最大直徑。由圖9可知：對(duì)于兩種類(lèi)型的粒子來(lái)說(shuō)，都是尺寸小于5 μm的粒子占多數(shù)，均約占粒子總數(shù)的80%，其中尺寸為1～2 μm的粒子數(shù)量多，幾乎占粒子總數(shù)的一半，尺寸大于50 μm的粒子數(shù)量極少。試驗(yàn)結(jié)果表明：第二相粒子的尺寸基本都在5 μm以下，符合高Ti耐磨鋼對(duì)第二相粒子的尺寸要求。

典型粒子背散射形貌如圖10所示。Ti+Mo+C粒子主要是沿晶界析出，形態(tài)和常見(jiàn)的MnS夾雜類(lèi)似，為長(zhǎng)條狀，如圖10（a）所示。有許多Ti+Mo+C粒子尺寸雖然不大，但是以團(tuán)簇狀出現(xiàn)，數(shù)量較多，如圖10（b）所示。TiN粒子形態(tài)為方形、三角形等規(guī)則形狀，如圖10（c）～（d）所示。個(gè)別TiN粒子也以團(tuán)簇狀出現(xiàn)，如圖10（c）所示，這種形式的粒子會(huì)降低成品鋼板的硬度均勻性和韌性。有的TiN粒子與Ti+Mo+C粒子相連，如圖10（d）所示，或者形狀為長(zhǎng)條狀，形態(tài)和Ti+Mo+C粒子接近，如圖10（e）所示。這進(jìn)一步說(shuō)明Ti元素和N元素首先析出，隨著冷卻過(guò)程的進(jìn)行，Ti元素繼續(xù)析出，同時(shí)也進(jìn)入了Mo元素的析出溫度范圍，所以析出的Ti+Mo+C粒子是以TiN粒子為核心析出的，觀察到的粒子其實(shí)是Ti+Mo+C粒子和TiN或者Ti（C，N）粒子的復(fù)合粒子，差別在于Ti、N、C、Mo元素含量的不同。

3 結(jié)論

（1）超高Ti耐磨鋼（w（Ti）=0.2%～0.6%）中第二相粒子主要有兩種類(lèi)型，一種為長(zhǎng)條狀形態(tài)Ti+Mo+C粒子，另外一種為方形或三角形等規(guī)則形狀的TiN粒子和Ti（C，N）粒子。

（2）原始鑄坯和不同固溶溫度處理后的試樣，第二相粒子均主要沿枝晶析出，原始枝晶大小決定了第二相粒子分布的均勻性，所以原始枝晶的控制非常重要，需要對(duì)連鑄工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（3）在第二相粒子析出過(guò)程中，Ti元素和N元素首先析出，隨溫度的降低進(jìn)入Mo元素析出溫度范圍，所以?xún)煞N第二相粒子中TiN粒子首先析出，隨著冷卻繼續(xù)進(jìn)行Ti+Mo+C粒子析出。Ti+Mo+C粒子的析出方式有兩種，一種直接以先析出的TiN粒子為核心外延生長(zhǎng)，另一種是單獨(dú)析出形核長(zhǎng)大。

本文摘自《軋鋼》2022年第5期