热处理工艺对低合金耐磨钢组织和硬度的影响*

孙学贤，张戈，袁林，孙辉，高占勇，冯佃臣

(1.山东坤能环保科技有限公司，山东 济南 250010；2.内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014000；3.山东钢铁集团研究院共性所，山东 济南 250010；4.山东钢铁集团 济钢集团，山东 济南 250010)

低合金高强耐磨钢中的合金元素含量低、强度、硬度都高于高锰钢，冲击韧性稍低于高锰钢，其热加工工艺(轧制、锻造、铸造)性能较高锰钢好.此外，部分低合金耐磨钢焊接加工性能也好，其在制作复杂形状的耐磨零件方面优于高锰钢，因此，低合金耐磨钢在矿山机械、工程机械、农业机械和铁路运输等行业得到了广泛的应用[1-3].低合金耐磨钢经过多年的研究与发展，国外生产和应用耐磨钢己经趋于稳定[4].发达国家的一些钢铁公司已经有了自己的系列耐磨钢产品和标准.例如瑞典奥克隆德的HARDOX系列耐磨钢[5]、德国蒂森克虏伯的XAR系列耐磨钢[4]、日本JFE的EVERHARD系列耐磨钢等[6].从上世纪五六十年代，这些厂家就开始生产高强度耐磨钢,能够稳定生产出厚度为6～100 mm、布氏硬度为HB300～600各级别耐磨钢产品，这些产品能够满足大多数使用环境的需求,高强度耐磨钢在高磨损环境中已经得到了成功的应用[4].

由于我国在低合金高强度耐磨钢的研发起步较晚，目前工业应用的低合金耐磨钢板主要是NM450以下级别为主，虽然有部分企业可以生产NM500钢板，但是在综合性能和稳定性上与国外同级别耐磨钢板还存在着比较大的差距[7].高级别的耐磨钢仍主要依赖进口.因此，我国需要研发高级别的低合金耐磨钢.

1 实验过程及实验方法

设计一种低合金耐磨钢的成份如表1所示.按照设计成分，采用ZQ-0.01型真空感应熔炼炉熔炼5 kg的合金钢锭.将直径为80 mm的圆柱钢锭加热1 200 ℃后锻造，终锻温度为800 ℃，锻后为长600 mm，宽60 mm，厚15 mm的钢板.锻后进行了加热温度为930 ℃，保温3 h后随炉冷却的完全退火，其退火工艺曲线如图1(a)所示.退火后的淬火工艺为920，930和940 ℃温度加热，保温30 min后水淬.淬火后选取150，200及250 ℃ 3个温度回火，保温时间1 h.其淬火和回火工艺曲线见图1(b).

用PDA-7000A合金光谱分析仪定量测出试样中各个合金元素的含量，利用Axiovert25蔡司显微镜观察锻态和热处理后的低合金耐磨钢的金相组织，借助洛氏硬度计测试样的洛氏硬度值.奥氏体晶粒度分析实验选用的试样规格为10 mm×10 mm×15 mm，其热处理按中国原冶金工业部标准YB—77规定[8]，将试样加热至930 ℃，保温3 h后，出炉水冷.然后磨去脱碳层制成金相试样，直接采用过饱和苦味酸水溶液+海鸥洗涤剂(两者体积比为4∶1)在已加热到60 ℃的恒温水浴锅浸泡30 s左右，取出后用棉球不断擦拭试样的表面，再进行抛光处理，将试样表面上的黑色腐蚀产物除去.采用截距法和比较法对试样的奥氏体晶粒大小进行了测量和评级.

2 实验结果与分析

2.1 化学成分分析

测定试样的化学成分如表1所示.由表1可以看出，钢实际化学成分和设计的化学成分差别不大，符合试验研究要求.

表1 钢的化学成分(质量分数，%)

2.2 金相组织观察与分析

2.2.1锻造和退火后的组织

将锻造后和完全退火后的试样在蔡氏显微镜下观察其显微组织.其显微组织如图2所示.

从图2中可以看出，低合金耐磨钢经过锻造后的组织为：大量的板条马氏体+少量的下贝氏体+极少量的碳化物，并且通过锻造使得锭料经受了塑性变形和动态再结晶，粗大的树枝状结晶组织被破碎，缩孔和孔隙被压实、焊合.经退火后和获得了平衡组织珠光体+铁素体组织.为后续的淬火提供了合适的组织.

2.2.2淬火温度对组织的影响

完全退火后的试样在920，930和940 ℃温度下保温30 min后水淬，在200 ℃回火后，观察其金相显微组织如图3所示.

从图3(a)中可以看出，试样经过920 ℃淬火+200 ℃回火的组织为：回火板条马氏体、少量下贝氏体、多边形铁素体和一些未溶碳化物存在.由于淬火温度低，奥氏体中的碳原子和合金原子很难得到充分扩散，组织中有一些未溶碳化物.另外，由于低合金耐磨钢的奥氏体化温度Ac3为909 ℃，淬火温度为920 ℃的试样在出炉进行淬火时，在空气中很容易冷到Ac3以下，进入奥氏体+铁素体相区，从组织上看，形成一些多边形铁素体；从图3(b)中可以看出，试样经过930 ℃淬火+200 ℃回火的组织形貌与920 ℃淬火试样基本相同，但试样的组织中，铁素体的量和未溶碳化物的量较920 ℃淬火试样中的少；从图3(c)中可以看出，试样经940 ℃淬火+200 ℃回火的金相组织比较粗大，其组织为板条马氏体和极少量的铁素体.

2.2.3回火温度对组织的影响

920 ℃淬火后的钢在150，200，250 ℃温度下回火后金相显微组织如图4所示.该钢在150～250 ℃回火属于低温回火，马氏体在低温回火过程中会发生碳原子的偏聚和析出.不同碳含量马氏体的回火转变，析出的碳化物是不同的.在回火过程中θ-Fe3C，ε-Fe2.4C，η-Fe2C都成了该合金马氏体脱溶时的过渡相.全过程的沉淀贯序为[5]：

另回火过程，残余奥氏体则转变为回火马氏体或下贝氏体.所以低温回火后的组织主要为回火马氏体、少量下贝氏体和一些铁素体.

因为低合金耐磨钢回火温度分别为：150，200及250 ℃属于低温回火，而合金碳化物的析出发生在400～500 ℃，所以，该钢在250 ℃以下回火时，只形成碳原子的柯垂尔气团(Hc)、弘津气团(Dc)以及析出过渡相η-Fe2C(或ε-Fe2.4C)，并没有合金碳化物的析出[9].

2.3 奥氏体晶粒度分析

钢的奥氏体晶粒度对其转变产物和转变产物的性能有着重要的影响.按照钢的质量技术要求,优质碳素结构钢、合金结构钢、机械零件用钢、弹簧钢、渗碳轴承钢和高速钢等都要进行奥氏体晶粒度的试验和评级，通常要求5级以上[10].

图5为低合金耐磨钢经过加热到930 ℃，保温3 h，水冷后的奥氏体晶粒的显微组织.并且采用截距法和比较法对试样的奥氏体晶粒大小进行了测量和评级，得出该钢的奥氏体晶粒度为6级，即为细晶粒钢.因此，该钢具有较高的强度和塑韧性，符合试验研究要求.

2.4 淬火温度对硬度的影响

试样在920，930和940 ℃不同温度淬火，200 ℃回火后的硬度值HRC分别是49.1，48.9，47.5，其变化曲线见图6.可以看出，920，930和940 ℃温度淬火后，硬度相差不大.因为该钢在920 ℃淬火后得到的组织马氏体组织，其硬度较高.而在930 ℃和940 ℃温度淬火后得到组织的硬度较920 ℃淬火后的硬度低，其原因是随着淬火温度的提高，奥氏体成分的更加均匀，奥氏体晶粒长大，从而提高了奥氏体的稳定性，淬火后组织中残余奥氏体含量增加，降低钢的硬度.

2.5 回火温度对硬度的影响

试样在920 ℃温度淬火后，经150，200和250 ℃不同温度回火时的硬度值HRC分别是52.8，49.1，47.1，其变化曲线见图7.因为随着回火温度的升高，过饱和碳从马氏体中很快析出，马氏体基体中的含碳量不断降低，马氏体的硬度主要取决于马氏体中的含碳量，回火温度升高后，马氏体中的位错密度和孪晶数量都减少，因此随回火温度升高，钢的硬度降低.

3 结论

(1)设计低合金耐磨钢成分冶炼后获得的钢锭成分基本一致.

(2)设计低合金耐磨钢加热到930 ℃，保温3 h后奥氏体晶粒度为6级，为细晶粒钢.

(3)设计的低合金高强度耐磨钢，最佳热处理工艺为920 ℃保温30 min水淬+150 ℃保温1 h回火.该工艺处理后晶粒细小，其显微组织为回火板条马氏体+少量下贝氏体+铁素体，并且其硬度达到52.8HRC.