Nb微合金化對NM550耐磨鋼力學性能和組織的影響*

胡日榮 蔡慶伍 武會賓 車英建

(北京科技大學冶金工程研究院，北京100083)

在冶金、礦山、建材及軍事等領域中，許多工件及設備由于磨損而迅速失效，造成材料、能源的巨大浪費．低合金耐磨鋼以其高硬度、高耐磨性等良好的綜合力學性能廣泛運用于各種磨損工況［1］．研究表明［2-3］，材料的耐磨性能與其硬度和韌性密切相關，針對同種組織類型的耐磨鋼，提高其強度和韌性，耐磨性也隨之提高．根據金屬學原理，細晶強化是目前唯一既提高強度又提高韌性的強韌化方法［4］．因此，細化晶粒是提高耐磨鋼耐磨性能的重要途徑．

Nb作為一種常用的微合金元素，能有效地提高鋼的強度和韌性．由于Nb原子的溶質拖曳作用和Nb(C，N)對晶界的釘扎作用，在普碳鋼中加入少量的Nb能有效地抑制軋前均熱過程中的晶粒長大［5］，從而細化原始奧氏體晶粒．軋制過程中的應變誘導析出一方面能抑制軋制過程中晶粒再結晶［6］，另一方面由于 Nb(C，N)的析出強化作用，提高了鋼的強度［7］．近些年來，關于Nb在鐵素體或低碳貝氏體鋼中的強韌化機理研究較多［8-10］，而關于Nb對中碳耐磨鋼(主要組織為回火馬氏體)組織和力學性能的影響研究較少．文中通過在基礎成分上加入少量的Nb，研究了Nb元素以及不同的熱處理工藝參數對耐磨鋼組織的影響，并分析了由于組織變化導致力學性能差異的原因．

1 實驗材料與方法

實驗用鋼采用25kg真空感應爐冶煉，化學成分見表1，其中B鋼是在A鋼的基礎上添加了0．02%(質量分數)的Nb．在1200℃下將實驗用鋼鍛造成截面為80mm×80mm的長方體坯料，然后在電阻式加熱爐中加熱至1200℃保溫1．5 h，A、B兩種鋼經過相同的軋制工藝，最終軋制成12mm厚的鋼板，再空冷至室溫．熱處理工藝如下:將鋼板分別加熱至850、900和950℃保溫40 min，使鋼板完全奧氏體化，然后水淬至室溫，回火溫度分別為200和250℃，保溫30min后空冷．

表1 實驗用鋼的化學成分Table 1 Chemical composition of experimental steels %

實驗所需試樣在熱處理后的板材上取樣．其中拉伸和沖擊試樣均沿軋制方向切?。鞂嶒炘诿捞厮构旧a的CMT-4105型萬能試驗機上進行，依據GB/T 228—2002，采用直徑為5 mm、標距為25 mm的圓棒拉伸試樣．沖擊實驗在長春智能設備公司生產的JB-30B型沖擊試驗機上依據GB/T 229—2007進行，采用標準的V型缺口沖擊試樣，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，實驗溫度為-20℃，每組實驗采用3個平行試樣，記錄其結果范圍．采用上海研潤光機公司生產的HBS-3000型布氏硬度計測取鋼板表面布氏硬度．使用線切割機在熱處理后鋼板上取樣，對軋向垂直截面進行砂紙打磨、拋光后，部分樣品使用4%硝酸酒精浸蝕，然后采用蔡司公司生產的Zeiss ultra 55型場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察顯微組織;部分樣品使用加熱的過飽和苦味酸水溶液浸蝕并通過蔡司光學儀器生產的AX10型光學顯微鏡(OM)觀察原始奧氏體組織;為了觀察析出物形態和能譜分析其成分，試樣采用萃取復型方法制取，采用美國FEI公司生產的Tecnai F30型透射電子顯微鏡進行觀察．

2 實驗結果

2．1 力學性能

經過不同熱處理工藝處理后，A、B兩種鋼的抗拉強度和布氏硬度如圖1、2所示．

由圖1可見，當回火溫度為200℃時，隨著淬火溫度從850℃提高到900℃，A鋼的抗拉強度基本保持不變，當淬火溫度升高到950℃時，A鋼的抗拉強度從1790MPa下降到了1750MPa;B鋼的抗拉強度隨著淬火溫度的升高從1 712 MPa逐漸提高到了1843MPa．圖2所示的硬度的變化趨勢同抗拉強度相似，并且布氏硬度(HBW)都達到了530，滿足工程機械用高強度低合金耐磨鋼板GB/T 24186—2009中關于NM550的要求(厚度≤70 mm的鋼板，布氏硬度≥530，抗拉強度、延伸率、沖擊功作為性能的特殊要求，如用戶未在合同中注明，則只保證布氏硬度)．

圖1 不同熱處理條件下A鋼和B鋼的抗拉強度Fig．1 Tensile strength of steels A and B processed by different heat treatments

圖2 不同熱處理條件下A鋼和B鋼的布氏硬度Fig．2 Brinell hardness of steels A and B processed by different heat treatments

綜合圖1、2可見，當淬火溫度相同時，與200℃回火后的力學性能相比，當回火溫度為250℃時，兩種鋼的抗拉強度和布氏硬度都出現了不同程度的下降，但是B鋼的抗拉強度和硬度都要高于相同熱處理條件下的A鋼．

經過不同熱處理工藝處理后試樣的沖擊功如圖3所示，圖中每個矩形條表示相同熱處理條件下3組沖擊試樣的沖擊功范圍．

圖3 不同熱處理條件下A鋼和B鋼的沖擊功Fig．3 Impact energy of steels A and B processed by different heat treatments

由圖3可見，在相同的回火溫度下，隨著淬火溫度的升高，試樣的沖擊功都有不同程度的增加．值得注意的是，雖然B鋼在950℃淬火+200℃回火時的沖擊功的平均值略低于A鋼，但是此時B鋼的抗拉強度(1843 MPa)大于A鋼(1750 MPa)．可見，加入少量的Nb元素能夠在不犧牲韌性的條件下提高耐磨鋼的強度．

2．2 原始奧氏體晶界

A鋼和B鋼分別經過850℃和950℃淬火后的原始奧氏體晶界如圖4所示．通過Image-Pro Plus軟件計算圖4中的原始奧氏體晶粒的平均尺寸發現，當淬火溫度由850℃升高到950℃時，A鋼的原始奧氏體晶粒明顯長大，由原先的22 μm增加到34 μm，而B鋼的晶粒尺寸變化較小，由11 μm增長到15 μm．這主要歸因于Nb原子容易在晶界處偏聚，在軋前加熱過程中，Nb的擴散速度較慢，晶界遷移過程無法擺脫Nb的作用，晶粒長大的界面遷移移動速率就會較慢，在隨后的軋制過程中，由于應變誘導NbC的析出，抑制了B鋼的再結晶過程，因此熱處理前B鋼的尺寸小于A鋼［11-12］．在淬火過程中，Nb溶質的拖曳和NbC對晶界的釘扎兩者的共同作用抑制了含Nb鋼的奧氏體晶粒長大的速率，細化了原始奧氏體晶粒．馬氏體板條束(Block)作為控制馬氏體鋼力學性能的最小結構單元，其尺寸與原始奧氏體晶粒大小密切相關，因此細化原始奧氏體晶粒對提高鋼的強度和韌性有重要作用［13-14］．

圖4 不同鋼試樣經不同溫度淬火后的原始奧氏體晶界Fig．4 Prior austenite grain boundaries of different samples quenched at different temperatures

2．3 顯微組織

鋼試樣經不同熱處理工藝處理后的顯微組織如圖5所示．A、B兩種鋼經過回火后均為回火馬氏體組織．由圖5可見:當回火溫度為200℃時，原奧氏體晶界基本可見，部分板條束相互交叉分割，有較大的位向差，基體內部分布著細小的碳化物;當淬火溫度為950℃時，組織并未發生明顯變化．當回火溫度升高到250℃時，A鋼中的部分板條出現合并，碳化物顆粒明顯粗化，而B鋼中的碳化物也有一定的長大，但是平均尺寸要小于A鋼．文獻［15］認為，碳化物的粗化容易造成應力集中，從而導致開裂，這是回火脆性的根本原因．筆者認為，這也是A鋼和B鋼在250℃回火時，其韌性下降的主要原因．

圖5 不同鋼試樣經不同熱處理工藝處理后的顯微組織Fig．5 Microstructures of different samples processed by different heat treatments

2．4 析出物的形貌和成分

B鋼在200℃回火后的析出物形貌及能譜分析結果如圖6所示．圖6(b)、6(d)分別為圖6(a)、6(c)中箭頭所指粒子的能譜．

由圖6(a)可見:淬火溫度為850℃時，析出物均勻彌散地分布于基體上，尺寸約為10 nm．經能譜檢測，析出物的主要成分為Nb，還有少量的Ti元素;隨著淬火溫度提高到950℃，部分析出物回溶，尺寸更加細小，很少量的析出物出現粗化，如圖6(c)中箭頭B所示，經能譜檢測，析出物的主要成分也為Nb、Ti的復合析出．

圖6 B鋼經不同熱處理工藝處理后析出物的形貌和能譜Fig．6 Patterns and energy spectra of educt of steel B processed by different heat treatments

3 分析與討論

在耐磨鋼的生產過程中，淬火和回火溫度會直接影響其力學性能．由前文第2．1節可知:當回火溫度為200℃時，試樣的綜合力學性能優異;當淬火溫度相同時，與200℃回火后的力學性能相比，當回火溫度升高到250℃時，由于其中的板條合并以及碳化物的粗化，造成了強度和韌性的下降．但是在200℃回火時，隨著淬火溫度的提高，A鋼的強度和硬度呈下降趨勢，B鋼的強度則呈上升趨勢，這可能與奧氏體中的碳含量與合金元素有關［16］．A鋼在850℃淬火時，由于此時的奧氏體晶粒比較細小，同時合金元素的回溶情況較好，因此試樣的強度和硬度較高;而在900℃淬火后，奧氏體晶粒沒有急劇長大，因此強度并沒有明顯變化;當淬火溫度繼續升高至950℃時，原始奧氏體晶粒尺寸明顯長大，降低了試樣的強度和硬度，韌性有所提高．對B鋼而言，當淬火溫度較低時，B鋼中Nb主要以析出態存在，奧氏體中的合金度比較低，造成試樣強度較低，并且尺寸較大的未溶碳化物對鋼的韌性也有惡化作用，因此韌性也較低［17］．而B鋼隨著淬火溫度的升高，一方面NbC逐漸回溶，增大了奧氏體中Nb的濃度，增強了固溶強化作用，文獻［18］研究結果表明:加入少量Nb，在沒有明顯析出強化的作用下，由于Nb的固溶強化和細晶強化使試樣的屈服強度提高了約55 MPa;另一方面，由于析出物的溶解使析出物尺寸減小，隨著第二相粒子的減小，析出強化的作用更加明顯［19］，同時減小了應力集中，改善了韌性，并且淬火溫度的升高并沒有造成晶粒的急劇長大，因此隨著淬火溫度的升高，在固溶強化、析出強化和細晶強化的綜合作用下，B鋼顯示了更為優異的綜合力學性能．

4 結論

以不同的熱處理工藝對A鋼及在A鋼的基礎上添加0．02%的Nb形成的B鋼進行熱處理，對熱處理后的耐磨鋼的顯微組織、表觀形貌及力學性能進行了研究，得出以下結論:

(1)通過合理的成分設計、軋制及熱處理工藝，試樣的性能滿足GB/T 24186—2009《工程機械用高強度低合金耐磨鋼板》中關于NM550的要求，并且B鋼中添加0．02%的Nb后具有更加優異的性能．

(2)隨著淬火溫度的升高，A鋼的晶粒長大比較明顯，強度和硬度呈下降趨勢;而B鋼由于Nb的析出物抑制了晶粒的長大，同時由于Nb的回溶提高了奧氏體中的合金濃度，并且減小了析出物尺寸，細晶強化、固溶強化和析出強化的綜合作用，使B鋼具有更為優異的力學性能．

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