Nb微合金化对NM550耐磨钢力学性能和组织的影响*

胡日荣 蔡庆伍 武会宾 车英建

(北京科技大学冶金工程研究院，北京100083)

在冶金、矿山、建材及军事等领域中，许多工件及设备由于磨损而迅速失效，造成材料、能源的巨大浪费．低合金耐磨钢以其高硬度、高耐磨性等良好的综合力学性能广泛运用于各种磨损工况［1］．研究表明［2-3］，材料的耐磨性能与其硬度和韧性密切相关，针对同种组织类型的耐磨钢，提高其强度和韧性，耐磨性也随之提高．根据金属学原理，细晶强化是目前唯一既提高强度又提高韧性的强韧化方法［4］．因此，细化晶粒是提高耐磨钢耐磨性能的重要途径．

Nb作为一种常用的微合金元素，能有效地提高钢的强度和韧性．由于Nb原子的溶质拖曳作用和Nb(C，N)对晶界的钉扎作用，在普碳钢中加入少量的Nb能有效地抑制轧前均热过程中的晶粒长大［5］，从而细化原始奥氏体晶粒．轧制过程中的应变诱导析出一方面能抑制轧制过程中晶粒再结晶［6］，另一方面由于 Nb(C，N)的析出强化作用，提高了钢的强度［7］．近些年来，关于Nb在铁素体或低碳贝氏体钢中的强韧化机理研究较多［8-10］，而关于Nb对中碳耐磨钢(主要组织为回火马氏体)组织和力学性能的影响研究较少．文中通过在基础成分上加入少量的Nb，研究了Nb元素以及不同的热处理工艺参数对耐磨钢组织的影响，并分析了由于组织变化导致力学性能差异的原因．

1 实验材料与方法

实验用钢采用25kg真空感应炉冶炼，化学成分见表1，其中B钢是在A钢的基础上添加了0．02%(质量分数)的Nb．在1200℃下将实验用钢锻造成截面为80mm×80mm的长方体坯料，然后在电阻式加热炉中加热至1200℃保温1．5 h，A、B两种钢经过相同的轧制工艺，最终轧制成12mm厚的钢板，再空冷至室温．热处理工艺如下:将钢板分别加热至850、900和950℃保温40 min，使钢板完全奥氏体化，然后水淬至室温，回火温度分别为200和250℃，保温30min后空冷．

表1 实验用钢的化学成分Table 1 Chemical composition of experimental steels %

实验所需试样在热处理后的板材上取样．其中拉伸和冲击试样均沿轧制方向切取．拉伸实验在美特斯公司生产的CMT-4105型万能试验机上进行，依据GB/T 228—2002，采用直径为5 mm、标距为25 mm的圆棒拉伸试样．冲击实验在长春智能设备公司生产的JB-30B型冲击试验机上依据GB/T 229—2007进行，采用标准的V型缺口冲击试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，实验温度为-20℃，每组实验采用3个平行试样，记录其结果范围．采用上海研润光机公司生产的HBS-3000型布氏硬度计测取钢板表面布氏硬度．使用线切割机在热处理后钢板上取样，对轧向垂直截面进行砂纸打磨、抛光后，部分样品使用4%硝酸酒精浸蚀，然后采用蔡司公司生产的Zeiss ultra 55型场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察显微组织;部分样品使用加热的过饱和苦味酸水溶液浸蚀并通过蔡司光学仪器生产的AX10型光学显微镜(OM)观察原始奥氏体组织;为了观察析出物形态和能谱分析其成分，试样采用萃取复型方法制取，采用美国FEI公司生产的Tecnai F30型透射电子显微镜进行观察．

2 实验结果

2．1 力学性能

经过不同热处理工艺处理后，A、B两种钢的抗拉强度和布氏硬度如图1、2所示．

由图1可见，当回火温度为200℃时，随着淬火温度从850℃提高到900℃，A钢的抗拉强度基本保持不变，当淬火温度升高到950℃时，A钢的抗拉强度从1790MPa下降到了1750MPa;B钢的抗拉强度随着淬火温度的升高从1 712 MPa逐渐提高到了1843MPa．图2所示的硬度的变化趋势同抗拉强度相似，并且布氏硬度(HBW)都达到了530，满足工程机械用高强度低合金耐磨钢板GB/T 24186—2009中关于NM550的要求(厚度≤70 mm的钢板，布氏硬度≥530，抗拉强度、延伸率、冲击功作为性能的特殊要求，如用户未在合同中注明，则只保证布氏硬度)．

图1 不同热处理条件下A钢和B钢的抗拉强度Fig．1 Tensile strength of steels A and B processed by different heat treatments

图2 不同热处理条件下A钢和B钢的布氏硬度Fig．2 Brinell hardness of steels A and B processed by different heat treatments

综合图1、2可见，当淬火温度相同时，与200℃回火后的力学性能相比，当回火温度为250℃时，两种钢的抗拉强度和布氏硬度都出现了不同程度的下降，但是B钢的抗拉强度和硬度都要高于相同热处理条件下的A钢．

经过不同热处理工艺处理后试样的冲击功如图3所示，图中每个矩形条表示相同热处理条件下3组冲击试样的冲击功范围．

图3 不同热处理条件下A钢和B钢的冲击功Fig．3 Impact energy of steels A and B processed by different heat treatments

由图3可见，在相同的回火温度下，随着淬火温度的升高，试样的冲击功都有不同程度的增加．值得注意的是，虽然B钢在950℃淬火+200℃回火时的冲击功的平均值略低于A钢，但是此时B钢的抗拉强度(1843 MPa)大于A钢(1750 MPa)．可见，加入少量的Nb元素能够在不牺牲韧性的条件下提高耐磨钢的强度．

2．2 原始奥氏体晶界

A钢和B钢分别经过850℃和950℃淬火后的原始奥氏体晶界如图4所示．通过Image-Pro Plus软件计算图4中的原始奥氏体晶粒的平均尺寸发现，当淬火温度由850℃升高到950℃时，A钢的原始奥氏体晶粒明显长大，由原先的22 μm增加到34 μm，而B钢的晶粒尺寸变化较小，由11 μm增长到15 μm．这主要归因于Nb原子容易在晶界处偏聚，在轧前加热过程中，Nb的扩散速度较慢，晶界迁移过程无法摆脱Nb的作用，晶粒长大的界面迁移移动速率就会较慢，在随后的轧制过程中，由于应变诱导NbC的析出，抑制了B钢的再结晶过程，因此热处理前B钢的尺寸小于A钢［11-12］．在淬火过程中，Nb溶质的拖曳和NbC对晶界的钉扎两者的共同作用抑制了含Nb钢的奥氏体晶粒长大的速率，细化了原始奥氏体晶粒．马氏体板条束(Block)作为控制马氏体钢力学性能的最小结构单元，其尺寸与原始奥氏体晶粒大小密切相关，因此细化原始奥氏体晶粒对提高钢的强度和韧性有重要作用［13-14］．

图4 不同钢试样经不同温度淬火后的原始奥氏体晶界Fig．4 Prior austenite grain boundaries of different samples quenched at different temperatures

2．3 显微组织

钢试样经不同热处理工艺处理后的显微组织如图5所示．A、B两种钢经过回火后均为回火马氏体组织．由图5可见:当回火温度为200℃时，原奥氏体晶界基本可见，部分板条束相互交叉分割，有较大的位向差，基体内部分布着细小的碳化物;当淬火温度为950℃时，组织并未发生明显变化．当回火温度升高到250℃时，A钢中的部分板条出现合并，碳化物颗粒明显粗化，而B钢中的碳化物也有一定的长大，但是平均尺寸要小于A钢．文献［15］认为，碳化物的粗化容易造成应力集中，从而导致开裂，这是回火脆性的根本原因．笔者认为，这也是A钢和B钢在250℃回火时，其韧性下降的主要原因．

图5 不同钢试样经不同热处理工艺处理后的显微组织Fig．5 Microstructures of different samples processed by different heat treatments

2．4 析出物的形貌和成分

B钢在200℃回火后的析出物形貌及能谱分析结果如图6所示．图6(b)、6(d)分别为图6(a)、6(c)中箭头所指粒子的能谱．

由图6(a)可见:淬火温度为850℃时，析出物均匀弥散地分布于基体上，尺寸约为10 nm．经能谱检测，析出物的主要成分为Nb，还有少量的Ti元素;随着淬火温度提高到950℃，部分析出物回溶，尺寸更加细小，很少量的析出物出现粗化，如图6(c)中箭头B所示，经能谱检测，析出物的主要成分也为Nb、Ti的复合析出．

图6 B钢经不同热处理工艺处理后析出物的形貌和能谱Fig．6 Patterns and energy spectra of educt of steel B processed by different heat treatments

3 分析与讨论

在耐磨钢的生产过程中，淬火和回火温度会直接影响其力学性能．由前文第2．1节可知:当回火温度为200℃时，试样的综合力学性能优异;当淬火温度相同时，与200℃回火后的力学性能相比，当回火温度升高到250℃时，由于其中的板条合并以及碳化物的粗化，造成了强度和韧性的下降．但是在200℃回火时，随着淬火温度的提高，A钢的强度和硬度呈下降趋势，B钢的强度则呈上升趋势，这可能与奥氏体中的碳含量与合金元素有关［16］．A钢在850℃淬火时，由于此时的奥氏体晶粒比较细小，同时合金元素的回溶情况较好，因此试样的强度和硬度较高;而在900℃淬火后，奥氏体晶粒没有急剧长大，因此强度并没有明显变化;当淬火温度继续升高至950℃时，原始奥氏体晶粒尺寸明显长大，降低了试样的强度和硬度，韧性有所提高．对B钢而言，当淬火温度较低时，B钢中Nb主要以析出态存在，奥氏体中的合金度比较低，造成试样强度较低，并且尺寸较大的未溶碳化物对钢的韧性也有恶化作用，因此韧性也较低［17］．而B钢随着淬火温度的升高，一方面NbC逐渐回溶，增大了奥氏体中Nb的浓度，增强了固溶强化作用，文献［18］研究结果表明:加入少量Nb，在没有明显析出强化的作用下，由于Nb的固溶强化和细晶强化使试样的屈服强度提高了约55 MPa;另一方面，由于析出物的溶解使析出物尺寸减小，随着第二相粒子的减小，析出强化的作用更加明显［19］，同时减小了应力集中，改善了韧性，并且淬火温度的升高并没有造成晶粒的急剧长大，因此随着淬火温度的升高，在固溶强化、析出强化和细晶强化的综合作用下，B钢显示了更为优异的综合力学性能．

4 结论

以不同的热处理工艺对A钢及在A钢的基础上添加0．02%的Nb形成的B钢进行热处理，对热处理后的耐磨钢的显微组织、表观形貌及力学性能进行了研究，得出以下结论:

(1)通过合理的成分设计、轧制及热处理工艺，试样的性能满足GB/T 24186—2009《工程机械用高强度低合金耐磨钢板》中关于NM550的要求，并且B钢中添加0．02%的Nb后具有更加优异的性能．

(2)随着淬火温度的升高，A钢的晶粒长大比较明显，强度和硬度呈下降趋势;而B钢由于Nb的析出物抑制了晶粒的长大，同时由于Nb的回溶提高了奥氏体中的合金浓度，并且减小了析出物尺寸，细晶强化、固溶强化和析出强化的综合作用，使B钢具有更为优异的力学性能．

［1］雷爱娣，蔡庆伍，姚春发，等．回火温度对NM400钢组织和耐磨性能的影响 ［J］．热加工工艺，2010，39(10):179-182．Lei Ai-di，Cai Qing-wu，Yao Chun-fa，et al．Influence of tempering temperature on microstructure and wear resistance of NM400 steel［J］．Hot Working Technology，2010，39(10):179-182．

［2］Hawk J A，Wilson R D，Tylczak J H，et al．Laboratory abrasive wear tests investigation of test methods and alloy correlation ［J］．Wear，1999，225/226/227/228/229:1031-1042．

［3］Jha A K，Prasad B K，Modi O P，et al．Correlating microstructural features and mechanical properties with abrasion resistance of a high strength low alloy steel［J］．Wear，2003，254:120-128．

［4］张莉莉，张骁勇，高惠临，等．一种高铌X80管线钢的组织性能分析［J］．材料工程，2009(5):1-5．Zhang Li-li，Zhang Xiao-yong，Gao Hui-lin，et al．Microstructure and mechanical properties of a high Nb-microalloyed X80 pipeline steel［J］．Journal of Materials Engineering，2009(5):1-5．

［5］Fu L M，Wang H R，Wang W，et al．Austenite garin growth prediction coupling with drag and pinning effects in low carbon Nb microalloyed steels［J］．Materiale Science and Technology，2011，27(6):996-1001．

［6］Xiao F R，Cao Y B，Qiao G Y，et al．Effect of Nb solute and NbC precipitates on dynamic or static recrystallization in Nb steels［J］．Journal of Iron and Steel Research International，2012，19(11):52-56．

［7］Piette M，Dubrulle-Prat E，Perdrix C，et al．Effect of 0-0．1%Nb additions on mechanical properties of plates processed by thermomechanically controlled processing and accelerated cooling ［J］．Ironmaking and Steelmaking，2001，2(28):175-179．

［8］Gao G，Feng C，Bai B．Effects of Nb on the microstructure and mechanical properties of water-quenched FGBA/BGsteels［J］．ASM International，2012，21:345-352．

［9］Wang Y W，Feng C，Xu F Y，et al．Influence of Nb on microstructure and property of low-carbon Mn-series aircooled bainitic steel［J］．Journal of Iron and Steel Research International，2010，17(1):49-53．

［10］聂文金，尚成嘉，吴圣杰，等．Nb对奥氏体热变形后等温回复的影响［J］．金属学报，2012，48(7):775-781．Nie Wen-jin，Shang Cheng-jia，Wu Sheng-jie，et al．Effect of Nb on recovery of hot-deformed austenite［J］．Acta Metallurgica Sinica，2012，48(7):775-781．

［11］Yu Q B，Sun Y．Abnormal growth of austenite grain of low-carbon steel［J］．Materials Science and Engineering:A，2006，420:34-38．

［12］付立铭，单爱党，王巍．低碳Nb微合金钢中Nb溶质拖曳和析出相NbC钉扎对再结晶晶粒长大的影响［J］．金属学报，2010，46(7):832-837．Fu Li-ming，Shan Ai-dang，Wang Wei．Effect of Nb solute drag and NbC precipitate pinning on the recrystallization grain growth in low carbon Nb-microalloyed steel［J］．Acta Metallurgica Sinica，2010，46(7):832-837．

［13］Morito S，Yoshida H，Maki T，et al．Effect of block size on the strength of lath martensite in low carbon steels［J］．Materials Science and Engineering:A，2006，438/439/440:237-240．

［14］Zhang C Y，Wang Q F，Ren J X，et al．Effect of martensitic morphology on mechanical properties of an asquenched and tempered 25CrMo48V steel［J］．Materials Science and Engineering:A，2012，534:339-346．

［15］王立军，余伟，武会宾，等．Si对超高强钢残留奥氏体回火稳定性与力学性能的影响［J］．材料热处理学报，2010，31(10):30-36．Wang Li-jun，Yu Wei，Wu Hui-bin，et al．Effect of Si on tempering stability of retained austenite and mechanical properties of ultra-high strength steel［J］．Transactions of Materials and Heat Treatment，2010，31(10):30-36．

［16］Fu H G，Xiao Q，Fu H F．Heat treatment of multi-element low alloy wear-resistant steel［J］．Materials Science and Engineering:A，2005，396:206-212．

［17］惠卫军，董瀚，王毛球，等．淬火温度对Cr-Mo-V系低合金高强度钢力学性能的影响［J］．金属热处理，2002，27(3):14-16．Hui Wei-jun，Dong Han，Wang Mao-qiu，et al．Influence of quenching temperature on mechanical properties of low alloy high strength Cr-Mo-V Steel［J］．Heat Treatment of Metals，2002，27(3):14-16．

［18］Yu Q B，Wang Z D，Liu X H，et al．Effect of microcontent Nb in solution on the strength of low carbon steels［J］．Materials Science and Engineering:A，2004，379:384-390．

［19］Gladman T．Precipitation hardening in metals［J］．Materials Science and Technology，1999，15:30-36．