奥氏体化温度对微硼耐磨钢组织性能的影响

张 逖，曹 艺，王昭东，吴 迪，刘琳琳

(1.南京钢铁股份有限公司，南京 210035;2.东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳 110819; 3.国电东北环保产业集团有限公司 沈水湾污水处理厂，沈阳 110141)

奥氏体化温度对微硼耐磨钢组织性能的影响

张 逖1，曹 艺2，王昭东2，吴 迪2，刘琳琳3

(1.南京钢铁股份有限公司，南京 210035;2.东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳 110819; 3.国电东北环保产业集团有限公司 沈水湾污水处理厂，沈阳 110141)

采用力学性能测试、金相分析及TEM微观结构分析，研究了淬火温度及保温时间对低合金耐磨钢显微组织和力学性能的影响，并通过端淬试验研究了奥氏体化温度对淬透性的影响.结果表明:在830～910℃温度范围内，淬透性随奥氏体化温度升高而提高，当奥氏体化温度超过910℃时，钢板淬透性降低.850℃保温30～45 min的亚温淬火组织中，存在尺寸为1 μm左右的高缺陷铁素体弥散分布，使钢板韧性得到提高;910℃保温45～60 min完全淬火后，钢板具有良好的强韧性;奥氏体温度超过930℃以及延长保温时间都会使原始奥氏体晶粒粗化，导致钢板韧性降低.

奥氏体化温度;耐磨钢;显微组织;力学性能;淬透性

高强度低合金耐磨钢广泛应用于矿山机械、煤炭开采、工程机械及水泥设备等方面，必须满足工程机械在恶劣环境下工作所需的高耐磨、长寿命、简单冷成型的使用要求.例如，用于制造推土机和装载机的铲斗、煤矿开采用电铲、自动装卸矿用车及刮板运输机槽底衬板等.因此，提高钢板的硬度、强度及韧塑性，是提高工件材料耐磨性、降低磨损和延长设备使用寿命的有效途径［1～2］.

国外低合金耐磨钢生产主要采用在线超快冷(UFC)工艺或淬火+回火(QT)热处理工艺，而国内主要采用QT工艺进行生产.因此，钢板淬火组织和性能以及淬透性对耐磨钢最终性能的影响极为重要，选择合适的加热温度是该钢热处理工艺研究的重点.

为提高淬透性和改善钢的组织性能，在耐磨钢生产中通常添加较高含量的Cr、Ni、Mo、Nb、V、 Ti等合金元素，但成本随之增加，同时也会破坏其焊接性和韧性［3～4］.添加微量硼具有显著提高淬透性的作用［5］，但该作用对奥氏体化温度十分敏感，温度过高或过低都不能有效提高钢的淬透性［6］.

本工作采用一种Ti－Cr－B系低合金NM400级别耐磨钢，不添加Nb、V、Ni，且减少了Cr、Mo等元素的添加量，通过将该钢板在淬火过程中加热至完全和未完全奥氏体化区的不同温度，研究奥氏体化温度及保温时间对显微组织及力学性能的影响规律，以及奥氏体化温度对该钢淬透性的影响.

1 试验材料及方法

试验钢取自钢厂连铸坯经两阶段控轧得到的30 mm规格热轧板，其主要化学成分如表1所示.热轧时奥氏体再结晶区轧制温度为 950～1 150℃，未再结晶区终轧温度控制在880℃以下，累积压下率大于60%，采用层流冷却方式冷至返红温度以下空冷至室温.将热轧板分别加热至AC3温度上下的750～950℃间的不同温度，保温45 min后水淬，研究不同加热温度的影响;将钢板在不同温度加热后进行15～75 min内不同时间保温后水淬，研究保温时间的影响.拉伸试样采用矩形横截面标准试样，钢板表面磨去0.5 mm检测维氏硬度，冲击试样为10 mm×10 mm×55 mm的夏比标准样，试验温度为 －20℃，利用Leica DMIRM多功能光学显微镜观察显微组织，用Tecnai G220型透射电子显微镜观察精细显微结构.

根据GB225－88末端淬火试验方法，采用Φ25 mm×100 mm标准试样，分别加热至830、870、910、950℃，保温30 min后即由炉内取出迅速放入孔中喷水冷却.将淬火后试样沿圆柱表面纵向相对的两边各磨去0.5 mm深，测定沿试样轴向至淬火端1.5 mm以后点的维氏硬度，绘制淬透性曲线［6，7］.

表1 实验钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the experimental steel(mass fraction) %

2 试验结果与分析

2.1 奥氏体化温度对淬透性的影响

图1(a)为不同加热温度下的端淬曲线.从各端淬曲线中读取至水冷端9 mm处维氏硬度即JHV－9值表征钢的淬透性，由此得到奥氏体化温度与淬透性的关系，如图1(b)所示.可以看到，此钢种在830～950℃奥氏体化温度范围内均能保持较好的淬透性和淬硬性，JHV－9值均可达到430 HV以上，20 mm距离内均可达到390 HV以上，25 mm处硬度在910℃加热时达到398 HV.奥氏体化温度从830℃至910℃，端淬曲线趋于平缓，淬透性显著提高;奥氏体化温度继续升高，淬透性出现下降.JHV－9值随奥氏体化温度升高而增加，在奥氏体化温度为910℃左右时达到最大值，之后随奥氏体化温度升高而略有降低.

图1 末端淬火曲线及JHV－9值曲线Fig.1 Hardenability curves and JHV－9 value curve of the experimental steel

该钢中含有Mn、B、Cr、Mo等合金元素，随奥氏体化温度升高，基体中固溶的合金元素增多，阻碍碳的扩散，延缓奥氏体转变，淬透性提高.硼提高淬透性的机理与一般合金元素存在差异，微量硼提高钢的淬透性是由于硼原子在奥氏体晶界偏聚，降低了晶界能，推迟或抑制了铁素体形核;而当硼含量超过一定值时，大量氮硼化物的析出反而促进了铁素体的形核.可见，硼在钢中的存在形式和偏聚情况，决定了硼钢的淬透性.研究表明［8］，奥氏体化温度对淬透性影响的本质是影响了硼在晶界上偏聚的浓度，从而影响了钢的淬透性.当奥氏体化温度超过某一温度时，硼在晶界的偏聚过早地发展到聚集状态，影响了其提高淬透性的效果，而低于这个温度，硼的晶界偏聚过程过慢，奥氏体分解已经开始，硼的效应还来不及很好地发挥.另外，该钢中钛元素对硼起到了固氮保护的作用，在钢中与氮化合生成稳定的TiN析出物，从而减少了氮对硼提高淬透性作用的不利影响.

2.2 奥氏体化温度对显微组织的影响

试验钢在不同加热温度下淬火后的显微组织如图2所示.亚共析钢加热时奥氏体在铁素体和渗碳体两相交界面形核后，随加热时间延长奥氏体以扩散方式逐渐吞噬铁素体和渗碳体，剩余铁素体随温度的提高继续溶入奥氏体中［9］.从图2 (a)～(d)可以看到，加热至770～830℃两相区，淬火所得组织为马氏体和铁素体(M+α)复相组织.770℃淬火组织中存在大量块状或条状铁素体;加热至790℃时，奥氏体形成的比例增大，未溶铁素体变小，呈热轧带状分布;加热至810℃，铁素体明显减少，尺寸一般在10 μm以内;加热至830℃，铁素体呈弥散分布，尺寸减小至约1 μm左右(黑色箭头所指).从图2(e)、(f)可以看出，950℃与910℃淬火相比，由于加热温度升高导致奥氏体晶粒长大，最终组织也发生明显粗化.

图2 奥氏体化温度对显微组织的影响Fig.2 Effect of austenitizing temperature on microstructures of the experimental steel(a)—770℃;(b)—790℃;(c)—810℃;(d)—830℃;(e)—910℃;(f)—950℃

图3为不同温度下淬火的透射电镜照片.790℃淬火时，大块未溶铁素体内部比较“干净”、缺陷较少，见图3(a)箭头所指;830℃淬火时，未溶铁素体被夹在原奥氏体晶界之间，尺寸小且内部具有较高的缺陷，见图3(b)箭头所指.这是由于淬火前热轧态贝氏体组织的位错被遗传下来形成亚组织，在淬火过程中由于马氏体转变时切变及体积膨胀，使相间分布的铁素体相内部缺陷得到进一步发展［10］.而完全淬火后的马氏体板条上具有较高的位错密度，同时也有自回火现象出现在板条内，板条上分布着多个惯习方向析出的碳化物，宽约10～30 nm，长约50～100 nm.马氏体板条及碳化物形貌分别如图3(c)、(d)所示.

2.3 奥氏体化温度对力学性能的影响

图4和图5分别给出了奥氏体化温度及保温时间对力学性能的影响曲线.在750～850℃间淬火时，硬度及强度随温度升高而增大，在850℃淬火时的抗拉强度和屈服强度分别达到1 420 MPa和995 MPa，维氏硬度达到436 HV;超过910℃后，硬度和强度随温度变化呈下降趋势.在750～830℃淬火时，－20℃冲击功随加热温度升高而增大至51 J，870～930℃淬火时的冲击功在40 J左右变化，超过930℃淬火，冲击功出现明显下降.

图3 不同奥氏体化温度下淬火的透射电镜照片Fig.3 TEM micrographs of the experimental steel quenched at different austenitizing temperatures(a)—大块铁素体，790℃;(b)—小块铁素体，830℃;(c)—马氏体板条，910℃;(d)—碳化物，910℃

图4 奥氏体化温度对试验钢力学性能的影响Fig.4 Effect of austenitizing temperature on mechanical properties of the experimental steel

图5 保温时间对试验钢力学性能的影响Fig.5 Effect of temperature holding time on mechanical properties of the experimental steel

在830℃保温较短时间后淬火时，显微组织中还保留剩余的细小铁素体，此时试样的硬度稍低，但由于铁素体的存在使其具有较好的冲击韧性.随温度升高和保温时间的延长，奥氏体化程度增大，铁素体逐渐消失在不断形核和长大的奥氏体中，从而导致韧性下降.在910～950℃进行短时间保温后淬火，奥氏体化还不均匀，轧后带状组织还未消失，硬度很不均匀且冲击韧性较差.随着保温时间的延长，奥氏体不断形核和长大，组织逐渐均匀，硬度和冲击功逐渐稳定.随着加热温度升高和保温时间的继续延长，原始奥氏体晶粒开始粗化，马氏体束和马氏体块尺寸也会相应增大，其边界主要为大角晶界，因此束和块的尺寸是影响马氏体结构性能的重要因素，淬火后马氏体束和马氏体块的粗化会直接导致强韧性的降低［11，12］.

3 结论

(1)两相区淬火时，830℃保温30～45 min淬火，钢板在具有较高强度和硬度的同时还具有优于完全淬火的韧性;完全淬火时，钢板在910℃保温45～60 min淬火时具有良好的强韧性，930℃以上继续加热和延长保温时间，强韧性下降.

(2)该钢种淬透性较好，距淬火端20 mm内硬度均可达到390 HV以上.910℃以下，淬透性随温度升高而提高，超过910℃，淬透性降低.

(3)在实际生产中，淬火奥氏体化温度不应超过930℃，且保温时间不宜过长;对于韧性要求较高的钢板，可通过830℃亚温淬火来提高韧性;对于厚规格钢板，需进行完全淬火以保证其淬透性.

［1］Sare I R，Constantine A G.Development of methodologies for the evaluation of wear－resistant materials for the mineral industry［J］.Wear，1997，203/204:671－678.

［2］Rendon J，Olsson M.Abrasive wear resistance of some commercial abrasion resistant steels evaluated by laboratory test methods［J］.Wear，2009，267(11):2055－2061.

［3］Fu Han－guang，Xiao Qiang，Fu Han－feng.Heat treatment of multi－element low alloy wear－resistant steel［J］.Materials Science and Engineering A，2005，396(1/ 2):271－279.

［4］JIANG Zhi－qiang，DU Jian－ming，Feng Xi－lan.Study and application of heat treatment of multi－element wearresistant low－alloy steel［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2006，13(1):57－61.

［5］陈卓，吴晓春，汪宏斌，等.硼对P20钢淬透性能的影响［J］.钢铁，2007，42(7):76－78.

(Chen zhuo，Wu xiao－chun，Wang hongbin，et al.Effect of boron on hardenability of P20 steel［J］.Iron and Steel，2007，42(7):76－78.)

［6］赵西成，宋红，马幼平.钛含量和奥氏体化温度对20MnMoB钢淬透性的影响［J］.热加工工艺，2001，30

(5):3－5.(Zhaoxi－cheng，Song hong，Ma you－ping.Influences of titanium content and austenitizing temperature on hardenability of20MnMoB steel［J］. HotWorking Technology，2001，30(5):3－5.)

［7］陈卓，吴晓春，汪宏斌，等.硼含量及奥氏体化温度对P20B钢淬透性的影响［J］.钢铁研究学报，2008，20(10): 40－43.

(Chen zhuo，Wu xiao－chun，Wang hongbin，et al.Effect of boron content and austenitic temperature on hardenability of P20B steel［J］.Journal of Iron and Steel Research，2008，20(10):40－43.)

［8］石崇哲.硼钢的淬透性和硼淬透性因子及硼平衡集聚的研究［J］.钢铁研究学报，1998，10(1):43－48.

(ShiChongzhe.Hardenability ofboron steel，boron hardenability factor and boron equilibrium segregation［J］.Journal of Iron and Steel Research，1998，10(1):43－48.)

［9］Barbara M，Walter Salvatore，Renzo V.Dual－phase steel rebarsfor high － ductile r.c. structures， Part1: Microstructural and mechanical characterization ofsteel rebars［J］.Engineering Structures，2007，29:3325－3332.

［10］Maleque M A，Poon Y M，Masjuki H H.The effect of intercritical heat treatment on the mechanical properties of AISI 3115 steel［J］.2004，153/154:482－487.

［11］Morito S，Saito H，Ogawa T，et al.Effect of austenite grain size on the morphology and crystallography of lath martensite in low carbon steels［J］.ISIJ International，2005，45(1): 91－94.

［12］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.

Effect of austenitizing temperature on microstructure and properties of trace boron wear resistant steel

Zhang Ti1，Cao Yi2，Wang Zhaodong2，Wu Di2，Liu Linlin3

(1.Nanjing Iron and Steel Co.，Ltd.，Nanjing 210035，China;2.State Key Laboratory of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China;3.Guodian Northeastern Environmental Protection Industry Group Co.，Ltd.，Shenshuiwan Waste Water Treatment Plant，Shenyang 110141，China)

The effects of austenitizing temperature and holding time on microstructure and mechanical properties of high strength low alloy wear resistant steel were investigated by means of optical micrograph，TEM and mechanical property tests.Jominy test was conducted and the influence of austenitizing temperature on the hardenability of the quenching steel was studied.The results showed that the hardenability of the quenched steel increases with the increase of the austenitizing temperature at 830～910℃，moreover it will decrease when the temperature is higher than 910℃.The steel toughness is improved by dispersive distribution of ferrite about 1 μm with high density defect after austenitizing at 830℃for 30～45 min.The quenched steel has high hardness and good toughness after austenitizing at 910℃for 45～60 min.The toughness decreases by the coarsening of original austenite grain after austenitizing at a temperature higher than 930℃ or even at 930℃，if the temperature holding time is longer than 45 min.

austenitizing temperature;wear resistant steel;microstructure;mechanical property;hardenability

TG 156.31

A

1671-6620(2013)01-0062-05

2012-10-09.

国家重点研究发展计划 (973)项目 (2010CB630800).

张逖 (1971—)，男，南京钢铁股份有限公司工程师，E－mail:zhangti@njsteel.com.cn;王昭东 (1968—)，男，东北大学教授，E－mail:zhdwang@mail.neu.edu.cn.