NM500耐磨鋼的QLT熱處理工藝

張 蒙, 吳光亮

(中南大學 資源加工與生物工程學院, 湖南 長沙 410083)

結構材料的失效方式主要有斷裂、腐蝕和磨損3種,每年由于磨料磨損造成的損失十分巨大,在冶金礦山、鐵路運輸、煤炭及農業機械等中,許多鋼材都因材料磨損而失效[1-3]。我國在耐磨鋼領域的研發較晚,綜合性能及穩定性與國外同級別的耐磨鋼相比仍有較大差距,目前高級別的耐磨鋼板仍主要依賴進口[4]。耐磨材料不僅在硬度上有要求,還需具有較好的可焊性、可塑性和韌性,但高級別的耐磨鋼,在提高硬度的同時,韌性會有所降低,影響耐磨鋼的性能。

兩相區淬火又稱臨界區淬火、亞溫淬火,是指將材料加熱到Ac1～Ac3溫度范圍內并保溫一段時間進行淬火的熱處理工藝,能夠達到提高鋼的低溫韌性、細化晶粒尺寸等目的[5-6]。目前,較多的研究表明,QLT熱處理工藝,即在完全淬火(Q)和回火(T)工序間增加一次兩相區淬火(L),通過兩相區淬火溫度控制馬氏體和鐵素體體積比例,能夠在保證硬度或者強度較小程度降低甚至不變的同時提高韌性[7-8]。本文主要對NM500耐磨鋼的QLT工藝進行研究,探討兩相區淬火溫度、回火溫度對NM500耐磨鋼組織演變及力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗材料為國內某鋼廠生產的NM500耐磨鋼板,厚度為12 mm,其化學成分如表1所示。利用全自動相變儀,采用熱膨脹法測定NM500耐磨鋼的相變點,Ac3=775 ℃,Ac1=890 ℃,Ms=358 ℃。

表1 NM500耐磨鋼的化學成分(質量分數,%)

將試驗鋼切割成85 mm×70 mm×12 mm的熱處理試樣,在箱式電阻爐中進行加熱,首先加熱至940 ℃,保溫36 min后水冷;然后在820～880 ℃內進行兩相區淬火,保溫36 min后水冷,淬火處理后的試樣進行顯微組織觀察及力學性能測試。在兩相區淬火溫度為870 ℃下進行系列回火溫度試驗,在200～600 ℃內進行回火處理,保溫30 min,空冷。

從不同溫度淬火、回火處理后的試驗鋼上切割金相試樣,經過精細打磨、拋光后用體積分數為4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕,用TESCAN MIRA3場發射掃描電鏡對試驗鋼的微觀組織進行觀察。從不同溫度淬火、回火處理后的試驗鋼上切割10 mm×10 mm×0.3 mm的薄片,分別用400、600、800及1200號砂紙逐級打磨至40 μm左右(期間用游標卡尺不斷測量尺寸),在打孔機上將每個試樣沖出2～3個φ3 mm的圓薄片,采用雙噴電解減薄至100 nm左右后在透射電鏡下觀察組織的亞結構及析出物。

在熱處理之后的試樣上沿軋制方向切割標準拉伸試樣,標距為20 mm,直徑為φ12 mm,在MTS810萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗,拉伸速度為2 mm/min。在垂直于軋制方向上切割10 mm×10 mm×50 mm的V型沖擊試樣,并按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》,在擺錘沖擊試驗機進行-40 ℃低溫沖擊試驗。在熱處理后的試樣上截取尺寸為10 mm×10 mm×12 mm的試樣,根據GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗》,在HMV-2T顯微硬度試驗機上進行硬度測試,試驗載荷為980.7 mN,加載保壓時間為10 s。

2 試驗結果與分析

2.1 兩相區淬火溫度對顯微組織的影響

圖1是QL熱處理后得到的馬氏體-鐵素體雙相組織。在圖1中可知,當淬火溫度低于880 ℃時,鐵素體含量隨淬火溫度的升高而逐漸降低,在880 ℃時幾乎觀察不到鐵素體(見圖1(d))。試驗鋼在820 ℃淬火時,馬氏體在鐵素體上呈不規則的長條狀或島狀分布(見圖1(a)),馬氏體的形態與原奧氏體的形態相關,奧氏體轉變程度與兩相區加熱保溫參數有關。當加熱溫度較低時,奧氏體擴散速度較慢且以晶界擴散為主,所以奧氏體沿鐵素體晶界處長大較快,鐵素體內部較慢,因此形成了不規則的長條狀或島狀奧氏體,進而也使后續轉變成的馬氏體也呈這種形態分布[9]。當淬火溫度升到840 ℃時,鐵素體含量降低最為明顯,其呈不規則塊狀或條狀與馬氏體相間分布(見圖1(b)),此時馬氏體也為塊狀。當加熱溫度升高至860 ℃時,最顯著的變化是形成了板條狀的馬氏體組織,板條束形狀不規則,鐵素體含量及尺寸也明顯減小,在接近全奧氏體化的溫度下,可以明顯觀察到扁平狀原奧氏體晶粒內的板條狀馬氏體(見圖1(c))。

圖1 不同兩相區淬火溫度下試驗鋼的掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of the tested steel quenched at different intercritical quenching temperatures(a) 820 ℃; (b) 840 ℃; (c) 860 ℃; (d) 880 ℃

圖2為試驗鋼在840 ℃兩相區淬火后的TEM圖像。圖2(a, b)顯示了QL熱處理后得到的馬氏體-鐵素體雙相組織中兩種組織的不同結合方式,鐵素體和馬氏體結合方式的不同必然也會影響試驗鋼的力學性能。

圖2 試驗鋼在840 ℃兩相區淬火后的TEM圖Fig.2 TEM images of the tested steel after intercritical quenching at 840 ℃

2.2 兩相區淬火溫度對力學性能的影響

試驗鋼在不同兩相區淬火溫度下得到的力學性能如圖3所示。從圖3可以看出,當淬火溫度在820～880 ℃之間時,隨著淬火溫度的升高,抗拉強度從1283 MPa升至1673 MPa,屈服強度從995 MPa升至1266 MPa,硬度從350.9 HV0.1升高至510.3 HV0.1,-40 ℃沖擊吸收能量從67 J降低至33 J,斷后伸長率在11%～16%之間。在變化趨勢上,在820～860 ℃之間強度和硬度增加最快,當淬火溫度超過860 ℃后,其增加趨勢變得平緩,在韌塑性上的變化與強度和硬度相反。

圖3 兩相區淬火溫度對試驗鋼力學性能的影響(a)抗拉強度和屈服強度;(b)硬度;(c)伸長率;(d)沖擊吸收能量(-40 ℃)Fig.3 Effect of intercritical quenching temperature on mechanical properties of the tested steel(a) tensile strength and yield strength; (b) hardness; (c) elongation; (d) impact absorbed energy (-40 ℃)

當試驗鋼的成分一定時,鋼的力學性能主要由其組織決定,包括組織的形態、分布狀態和體積分數等。在兩相區淬火過程中,試驗鋼的力學性能受加熱溫度的影響較大:隨著加熱溫度的升高,新生奧氏體的含量逐漸增加,鐵素體的含量相對減少,在后續的冷卻過程中奧氏體逐漸轉變成馬氏體,未轉變鐵素體則被保留下來,從而形成了馬氏體-鐵素體雙相鋼。馬氏體-鐵素體雙相鋼的屈服強度主要由軟相鐵素體決定,而抗拉強度主要取決于兩相的強度和體積分數占比。雙相鋼的抗拉強度可由下式表示[10]:

(1)

式中:Rm0為混合組織的強度;Rmf、Rm為分別指鐵素體和馬氏體的強度;Vf為保留的鐵素體的體積分數。

當試驗鋼成分一定時,鋼中馬氏體和鐵素體的強度也是確定的。因此,由式(1)可以看出,馬氏體-鐵素體雙相鋼最終的抗拉強度與其組織中被保留的鐵素體體積分數緊密相關,這與上述兩相區淬火加熱過程中強度變化趨勢一致。

2.3 回火溫度對顯微組織的影響

圖4為試驗鋼在兩相區淬火溫度為870 ℃下,經過不同溫度回火處理后得到的顯微組織。當回火溫度為200 ℃時,板條結構清晰明銳,馬氏體與鐵素體界面清晰(見圖4(a))。當回火溫度增加至300 ℃時,此時板條結構已經模糊,掃描電鏡照片上可以觀察到鐵素體邊界處白色且明亮的區域(見圖4(b)),說明富碳馬氏體中的碳原子開始向鐵素體邊界擴散,馬氏體已經開始分解。圖4(c)為回火溫度為400 ℃的微觀形貌,掃描照片中依然可以看到板條結構,與300 ℃相比,明亮區域增加,在原奧氏體晶界內有碳化物的析出。當回火溫度繼續升高到500 ℃時,在圖4(d)中可以看出,板條結構已經很模糊,馬氏體發生分解,生成許多碳化物顆粒,并且尺寸較大,彌散分布在原始奧氏體晶界內及鐵素體邊界處。600 ℃高溫回火時,馬氏體基本已經分解完成,幾乎觀察不到板條結構,析出物顆粒已經擴散到原始奧氏體晶界及鐵素體邊界處(見圖4(e)),基體內碳化物變少。

圖4 870 ℃兩相區淬火不同回火溫度下試驗鋼的掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of the tested steel intercritical quenched at 870 ℃ and tempered at different temperatures(a) 200 ℃; (b) 300 ℃; (c) 400 ℃; (d) 500 ℃; (e) 600 ℃

圖5為試驗鋼在200、500 ℃回火后的TEM圖像。從圖5中可以看出,在200 ℃回火溫度下,馬氏體板條結構一般不發生明顯變化,圖5(a)中可以看到清晰的板條結構,板條內部存在大量位錯。此外,在板條間存在許多殘留奧氏體薄膜,殘留奧氏體的分布位置如圖5(a)中箭頭所示。板條馬氏體中存在穩定的殘留奧氏體能改善試驗鋼的力學性能,主要是因為殘留奧氏體能阻止板條馬氏體間裂紋的擴散,并且可以減緩由板條緊密排列而引起的位錯端應力集中。圖5(b)顯示,在500 ℃回火溫度下,殘留奧氏體分解,馬氏體分解程度加重,板條結構模糊,但仍可以觀察到板條界。

2.4 回火溫度對力學性能的影響

試驗鋼在不同回火溫度下得到的力學性能如圖6所示。從圖6中可以看出,在回火過程中硬度逐漸降低,而韌性先降低后升高。當回火溫度從200 ℃升至600 ℃,硬度從503 HV0.1降低至330 HV0.1?；鼗饻囟葟?00 ℃升至400 ℃時,低溫沖擊吸收能量從49 J緩慢下降至34.3 J,抗拉強度從1617.9 MPa降至1499.3 MPa;回火溫度繼續升高至500 ℃,低溫沖擊吸收能量增加至110.6 J,抗拉強度下降至1254.5 MPa。試驗鋼的抗拉強度主要與組織中硬相馬氏體有關。在回火過程中,馬氏體會首先發生回復及多邊形化,當回火溫度繼續升高時,馬氏體中的碳原子擴散、偏聚、重新分布,位錯密度會降低,板條結構逐漸消失,最終會發生馬氏體的脫溶分解,因此隨著回火溫度的升高抗拉強度逐漸下降。

在回火溫度低于400 ℃時,屈服強度從1289.9 MPa緩慢升高至1330.9 MPa;當回火溫度高于400 ℃時,屈服強度開始下降,在回火溫度為600 ℃時,屈服強度降至1063 MPa。屈服強度發生這種變化規律的原因為:含有過飽和碳的硬相淬火態馬氏體會發生晶格畸變,同時馬氏體切變也會產生體積和形態的變化,其與軟相鐵素體相互作用時會產生大量位錯。在低應力下,這些位錯就可以發生移動,當回火溫度升高時,許多位錯會消失或者重新排列,位錯密度會減小[11],此時屈服強度會先升高,但隨著回火溫度繼續升高,淬火內應力逐漸消除,馬氏體發生回復再結晶等,會消除組織內的晶體缺陷等,會使屈服強度大幅下降。經上述分析,試驗鋼達到良好強韌性匹配的回火溫度區間為200～250 ℃。

3 結論

1) 當兩相區淬火溫度在820～880 ℃區間內時,NM500耐磨鋼為馬氏體-鐵素體雙相組織,隨淬火溫度的升高,鐵素體含量逐漸降低,馬氏體含量逐漸增加。

2) 當兩相區淬火溫度由820 ℃上升到880 ℃,硬相馬氏體的逐漸增多,也使試驗鋼的強度和硬度隨淬火溫度的升高而提高。韌性的變化與強度和硬度相反,當淬火溫度從820 ℃升至880 ℃時,因軟相鐵素體逐漸減少,-40 ℃沖擊吸收能量從67 J降低至33 J。

3) NM500耐磨鋼QLT工藝的回火過程中,隨著回火溫度的升高馬氏體及殘留奧氏體逐漸分解,碳化物析出增加并且粗化,當回火溫度升高到600 ℃時,馬氏體分解基本完成。

4) NM500耐磨鋼在870 ℃兩相區淬火下,在200～600 ℃內回火,隨回火溫度的升高,NM500耐磨鋼的硬度、抗拉強度逐漸降低,而韌性先降低后提高。在200～250 ℃范圍內回火,有利于試驗鋼得到較好的強韌性匹配。在200 ℃回火溫度下,試驗鋼的抗拉強度為1617.9 MPa,屈服強度為1289.9 MPa,硬度為503.3 HV0.1,-40 ℃沖擊吸收能量為49 J。