NM400耐磨钢板脱碳原因分析及改善措施

侯登义，冯勇

（山钢股份济南分公司技术中心，山东济南 250101）

试验研究

NM400耐磨钢板脱碳原因分析及改善措施

侯登义，冯勇

（山钢股份济南分公司技术中心，山东济南 250101）

针对NM400高强韧耐磨钢板脱碳层厚度偏高的问题，进行了厚度方向的连续硬度检测及金相组织分析，结果表明钢的脱碳层深度达0.9 mm。分析认为，淬火温度偏高、保温时间不准确是导致钢板脱碳的主要原因，同时钢板化学成分及加热碳势也对钢板脱碳有直接影响。通过优化钢板成分、改善加热条件、涂覆保护涂料等措施，脱碳层厚度降低至0.1 mm以下。

耐磨钢板；脱碳；硬度；金相组织；淬火温度

1 前言

近年来，国内外重型工程机械制造业的发展，促使高等级钢板加速升级换代，在有些领域，由于工况苛刻、服役条件复杂、轻量化要求等原因，制造关键部件的钢板需要具备高强度、高韧性、高耐磨性等综合性能。济钢生产的NM400耐磨钢被广泛使用于装载机铲斗、挖掘机挖斗制作，一直倍受市场青睐，目前已实现3.5万t的年生产能力。前期检验时偶有钢板表面脱碳层厚度偏高的缺陷现象，影响了产品的机械性能和使用寿命。为此对产品的组织性能进行检验，结合生产工艺查找缺陷产生的原因，采取有效措施及现场工艺技术攻关，使该问题得到明显改善。

2 钢板实物质量

2.1 成分及性能

NM400耐磨钢板一般以淬火状态交货，成分和性能指标参照GB/T 24186标准和用户要求，熔炼分析成分及钢板实物性能如表1、表2所示。

表1 NM400高强耐磨钢板成分（质量分数）%

表2 NM400高强耐磨钢板的实物性能

由表1、表2可见，NM400耐磨钢板的性能指标要求多且严，特别是要求钢板在超高强度下还要有非常好的低温韧性，要求钢板表面布氏硬度均匀稳定，充分体现了高强韧、高耐磨的产品特点。

2.2 金相组织

厚度14 mm的NM400耐磨钢板金相组织如图1所示。钢板表面及中心位置组织均为全马氏体。

图1 NM400耐磨钢金相组织

3 缺陷分析

对缺陷钢板进行连续洛氏硬度检验。采用C标尺，检验位置自钢板厚度0.1 mm至1.5 mm深度处，打点间隔0.1 mm。检验发现硬度值波动较大，最小为30 HRC，最大为43 HRC，图2为硬度变化情况。硬度在0.9 mm厚度后出现大幅度波动，最大幅度40%。对此缺陷钢板进行了光谱分析，结果显示两个区域的C含量有较大差异，低硬度区域的C含量低于高硬度区域。

图2 缺陷钢板硬度变化情况

对上述试样缺陷位置进行金相组织分析，用4%硝酸酒精溶液侵蚀，在50倍下观察，组织如图3所示。在深度约0.9 mm交界线处上下两个区域呈现不同颜色，上部浅颜色区域为脱碳层，交界线处是马氏体过渡层，与硬度分布曲线相一致，从试样边缘至硬度稳定值的垂直距离是0.9 mm，说明此钢的脱碳层深度为0.9 mm。

图3 钢板缺陷位置金相组织

4 缺陷原因分析

4.1 淬火温度

钢在加热时，表层的碳与介质中的氧、氢、二氧化碳及水蒸气等发生反应，降低了表层碳浓度。脱碳钢在淬火后，表面硬度、疲劳强度、耐磨性降低，严重时甚至容易产生裂纹［1］。C的扩散一般只在高温下进行，超过930℃，C在Fe中的扩散系数将激增2.57倍，同时，脱碳过程均为吸热反应，提高温度会加速反应向右进行。为了验证该规律，在保温时间均相同的条件下，选取数块14 mm厚钢板试样采用不同淬火温度进行热处理试验，最后检验脱碳层厚度，结果见表3。可见，淬火温度越高，碳的扩散速度越高，相应脱碳层厚度增大，并且硬度的不均匀性越明显。一般情况下淬火温度的选择都是靠经验公式来确定，大都是在AC3以上30～50℃，但根据现场经验及试验结果，依此制定的淬火温度偏高。

表3 NM400钢板在不同淬火温度下的脱碳层厚度

4.2 保温时间

保温时间是影响脱碳的重要因素，钢板滞留时间越长，脱碳层厚度越大，在整个保温时间段内，初期的脱碳速度较快，后期逐渐减缓，甚至达到极值后不再继续增加，钢板表面氧化阻碍了扩散进行，钢板内层的碳原子扩散变难，脱碳速度减小。

确定在淬火温度下的保温时间一直是个复杂的问题，目前尚无权威与通用的计算方法，一般由实验确定或根据经验公式由钢板厚度来计算。常用的经验公式为［2］：

式中：t为加热时间，min；a为加热系数，min/mm；k为修正系数；D为钢板厚度，mm。a、k需根据钢质、加热炉类型、加热方式等情况综合考虑。在实际生产中，为了保证生产效率，大多钢厂并不是根据每个钢种的实际情况细化保温时间，而是从方便操作的角度固化常规时间，这种做法会不同程度地牺牲某些特殊钢的品质，应避免。

4.3 化学成分

单从钢的化学成分因素分析，钢中含碳量越高，钢板和气氛之间的浓度梯度越大，扩散的趋势变大，发生脱碳的概率就越大，脱碳的速度越快，从而脱碳层增大。此外若钢中含有Cr、Mo等碳化物形成元素时，可以适当降低碳元素的扩散系数，Ni也能阻碍碳的扩散，减小钢的脱碳倾向［3］，有些研究还发现，硅和铝也能增加脱碳倾向。因此，减少碳含量能明显降低脱碳问题，但钢种成分设计是个系统工程，还需要照顾到力学性能、工艺性能与制造成本。因此采用多元复合合金化设计，严格窄成分控制，确保成分偏差是改善钢板脱碳的有效途径。

4.4 加热炉碳势

钢板在淬火加热时，燃料成分、燃烧条件及温度的综合作用使燃烧产物中含有不同气体，构成不同的炉内气氛，一般是H2O、CO2、O2、H2等。钢在水蒸气、空气和二氧化碳中加热时的脱碳速度依次逐步增大，但随着气氛碳势的增加，碳势分布变的平缓，脱碳速度先快后慢，脱碳层厚度最后趋于稳定，这是因为碳势的增加使得钢材和气氛之间的浓度梯度减小，扩散的趋势减小，从而脱碳的速率减小。因此气氛含碳量增加，能有效减缓脱碳反应的发生，若能够通过改变气体气氛，以通入还原性含碳保护气体或者非氧化性气体的手段来增加加热气氛中的含碳量，可以有效抑制脱碳现象的发生。

5 改进措施及效果

为改善NM400钢板的脱碳现象，结合生产装备与现场工艺实际，在热处理工序采取以下措施：

1）优化成分，适当添加合金元素。降低碳含量，减小脱碳倾向；加入Cr合金，提高碳扩散激活能，使碳扩散系数减小以减轻脱碳；增加B含量，阻碍碳原子扩散的通道，降低脱碳敏感性。

2）改善加热条件，对加热温度、保温时间、加热炉参数严格细化。加热温度设定为880～900℃，保温时间（min）控制在钢板厚度（mm）的1.2～1.5倍；严格控制加热炉内气氛，采用N2惰性气体保护，营造还原性气氛，水蒸气和氧气总质量分数不高于1.5%，使加热炉保持正压，严禁吸入冷风。

3）利用涂层保护防止氧化脱碳，自制SiC-SiO2-Al2O3型高温防氧化脱碳涂料，均匀涂覆于钢板表面，在高温炉气中，SiC组分与氧发生反应而抑制钢板氧化，另一方面生成的活性碳原子渗入基体而减轻脱碳，同时形成致密保护层，隔绝加热气氛和基体接触，起到屏蔽作用。

为了验证采取以上改进措施后的实际效果，检查与分析近期3个月的生产记录和成分性能台账，结果显示，累计生产522批NM400钢板，共计3 996 t，钢板厚度为6～80 mm，经抽样检验，平均脱碳层厚度为0.09 mm，其他力学性能也非常稳定，说明对缺陷原因分析准确，改进措施合理，实施效果显著。

6 结语

NM400耐磨钢脱碳层是影响钢板应用的质量缺陷，应极力减小，热处理工序是控制的关键点。实际生产证明，采用降低碳含量、添加抑制性合金元素、改善加热条件、涂覆防氧化脱碳涂料等措施，能够显著降低脱碳层厚度。上述措施纳入现场操作规程后，济钢生产的NM400耐磨钢板脱碳层平均厚度基本控制在0.1 mm以下。

［1］中国机械工程学会热处理学会.热处理手册.第4卷，热处理质量控制和检验［M］.北京：机械工业出版社，2001：38.

［2］刘俞铭.金属热处理常见工艺技术五百种.第3卷［M］.北京：北方工业出版社，2006：93-94.

［3］吴涛，孔祥丽，王新，等.50Mn2V钢板脱碳层超标分析及工艺优化［J］.热加工工艺，2011，40（18）：195-196.

Analysis of Decarburization Causes and Improving Measures for NM400 Wear Resistant Steel Plate

HOU Dengyi,FENG Yong
（The Technology Center of Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

In view of the excessive problem of the decarburized layer on NM400 High Strength Wear Resistant Steel Plate,the main defect characteristics were described using test method on microstructure and core hardness and the decarburized layer was found about 0.9 mm.By analyzing and study,the quenching temperature and holding time were the main reasons for decarburization, meanwhile,chemical composition and carbon potential of heating furnace affected on the decarburization directly.To decrease the thickness of the decarburization layer,three prevention measures of optimizing composition,improvement for heating conditions, coating with a protective coating were taken.Through mass production,the average thickness of the decarburized layer can be reduced to less than 0.1 mm.

wear resistant steel plate;decarburization;hardness;microstructure;quenching temperature

TG142.72

A

1004-4620（2015）02-0032-02

2015-01-27

侯登义，男，1976年生，2004年毕业于山东大学材料工程专业，硕士。现为山钢股份济南分公司用户应用技术中心高级工程师，从事中厚板生产工艺技术研究与品种钢开发工作。