高性能经济性NM400耐磨钢板的研究与开发

顾大庆，麻 衡

（山东钢铁股份有限公司，山东 济南271104）

1 前 言

目前，各国都十分重视耐磨钢的开发，希望减轻工程机械设备自重并提高材料的使用效率，使材料的磨损最小，使用寿命最长，作业率最高［1-2］。工程机械在作业过程中零部件存在各种类型的磨损，其中磨料磨损是主要的磨损形式［3］。据不完全统计，因这种磨损和机械工具的自然耗蚀，全球每年消耗的钢铁材料在2 000 万t 以上。在工业发达的国家，由于工程机械采用部分高耐磨钢材，磨损所造成的损失占国内经济产值的4%［4-6］，明显低于发展中国家。

从国内耐磨钢的研制水平和生产状况来看，尽管近十几年来国内部分钢厂在耐磨钢的研制和生产方面进步较快，但相比国外耐磨钢的研制和生产水平还存在相当大的差距。部分优质HB400 及以上级别的耐磨钢均靠进口，耐磨钢年主要消耗量为HB400级耐磨钢［7］。

本文从低成本的角度出发，在Q345B钢成分上添加Cr、B 强淬透性元素，采用控轧控冷和调质工艺生产，提高耐磨钢的质量，开发新型高性能低成本NM400 钢，以降低由于磨损造成的经济损失，促进国民经济绿色高效可持续发展。

2 试验材料及方法

工程机械耐磨钢在高硬度、高耐磨前提下，具有较好的韧（塑）性及低焊接裂纹敏感性，因此需对成分及热处理工艺进行重新设计。低成本Cr-B系NM400钢的成分设计主要考虑C、Si、Mn、Cr、B、V等元素的作用和含量，其中Cr、B 元素可大幅提升钢的淬透性，使淬火组织转变为马氏体［8］，随后通过回火处理改善钢的塑性和韧性。低成本Cr-B 系NM400钢化学成分控制如表1所示。

表1 NM400钢的熔炼成分（质量分数） %

钢板在奥氏体的再结晶区和未再结晶区轧制时会表现出不同的变形抗力，同时轧制工艺参数直接影响轧后钢板的晶粒尺寸和淬火马氏体的板条束宽度，进而影响产品的力学性能［9-10］。为研究轧制工艺对低成本Cr-B 系NM400 再结晶规律的影响，采用Gleeble-3800 热力模拟机进行热压缩试验，所选温度区间为800～1 150 ℃，应变速度为0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1，采集并分析不同试验条件下应力-应变曲线。

采用LEICA DM6000 对低成本Cr-B 系NM400金相组织进行观察，分析轧制及热处理工艺对钢板组织及性能影响。用线切割切取厚度为0.3 mm 的薄片，进行机械研磨至50 μm 并冲压成Φ 3 mm 圆片，然后用电解双喷法制备薄膜状试样，电解液是10%的高氯酸酒精溶液，在Tecnai G2 透射电镜下观察钢中析出物。低成本Cr-B系NM400布氏硬度在Wilson-UH4750试验机测定，统计并分析布氏硬度变化规律。

3 工艺研究与控制

3.1 轧制工艺研究

应力-应变曲线反应了不同轧制工艺下奥氏体的变形抗力、动态软化率及再结晶情况，低成本Cr-B 系NM400 钢的应力-应变曲线如图1 所示。由图可知，变形温度对低成本Cr-B 系NM400 钢峰值应力影响显著，随变形温度升高，变形抗力的峰值应力总体呈下降趋势，如图1a 所示。当应变速率为0.01 s-1时，当变形温度从850 ℃升至1 150 ℃，峰值应力由150 MPa 降至45 MPa。应变速率对奥氏体动态再结晶的温度影响明显，应变速度为0.01 s-1时，发生动态再结晶的变形温度为850 ℃；当应变速率增至1 s-1时，所有温度下应力-应变曲线均未出现软化趋势，说明此应变速率下奥氏体难以发生再结晶。由高温热压缩试验可知，低成本Cr-B 系NM400 钢在较低应变速率下奥氏体可发生动态再结晶，所以低成本Cr-B 系NM400 钢在再结晶区轧制时，可采用较低轧制速度和较大压下量来提高奥氏体动态再结晶，使变形渗透到铸坯心部，提高钢板厚度方向奥氏体晶粒均匀性，同时使再结晶充分，充分细化奥氏体晶粒。奥氏体未再结晶区采用1 s-1以上轧制速度轧后可有效提高累计变形量来细化组织，获得扁平的奥氏体晶粒，为后续相变提供大量相变能和形核位置。

图1 新型低成本NM400钢的真应力-应变曲线

3.2 热处理工艺研究

为了探索合适的淬火温度，从低成本Cr-B 系NM400热轧钢板上切取小钢板，进行不同温度的淬火热处理试验。淬火温度为870、900、930 和960 ℃，然后对淬火后试样进行相关力学性能检测和显微组织观察。淬火态布氏硬度值如图2所示。从图2 中可以看出，钢板的硬度值均大于国标（GB T 24186—2009）要求，对比不同淬火温度下的布氏硬度值变化趋势，可以发现钢板在870～930 ℃温度区间淬火后布氏硬度值较高。随淬火温度增加，布氏硬度略有降低，这是由于V（CN）析出粒子的固溶温度有关，根据V（CN）的固溶温度可知，900～950 ℃大量析出相开始固溶，降低了第二相粒子的析出强化效果。从布氏硬度结果可知，含V钢的淬火温度并不需要太高。

图3为钢板的淬火后组织，可以看出淬火态钢板表面的显微组织均为板条马氏体。随淬火温度的提高，马氏体板条宽度及板条束长度均有所增加。

图4 为不同温度淬火后钢板的原始奥氏体组织。当淬火温度为870 ℃时，原始奥氏体晶粒尺寸约为8～10 μm，晶粒尺寸较小；随着淬火温度的提高，原始奥氏体晶粒尺寸增大，但并未明显粗化。

根据淬火结果，将试样经过900℃淬火试验后进行不同温度的回火，回火温度为200、250、300、400 和500 ℃，并对回火试样进行相关力学性能检测和显微组织观察。图5 为钢板在不同温度回火后拉伸性能变化趋势。由图可知，钢板抗拉强度随回火温度升高逐渐降低，而伸长率逐渐升高，钢板经中温回火后（400～500 ℃），抗拉强度降低最为明显。由此可知，低成本Cr-B 系NM400 的适宜回火温度范围200～300 ℃。

图2 淬火温度对淬火态钢板布氏硬度的影响

图6 为不同温度回火后的布氏硬度平均值，从图中可以看出，不同回火温度的硬度值并没有发生明显变化，钢板在低温回火后硬度值均优于标准要求。

图3 不同温度淬火后钢板的显微组织

图4 不同温度淬火后钢板的原始奥氏体组织

图5 回火温度对钢板抗拉强度和伸长率的影响

图6 不同温度回火后钢板表面的布氏硬度值

根据研究结果，结合现场生产设备特点，本文中低成本Cr-B 系NM400 钢合适淬火温度范围为900～930 ℃，适宜回火温度范围为200～300 ℃，确定工业热处理工艺如表2所示。

表2 新型低成本Cr-B系NM400钢热处理工艺

4 试制产品组织与性能

低成本Cr-B 系钢板NM400 生产工艺流程为：铁水预处理→转炉冶炼→LF+RH精炼→板坯连铸、缓冷→板坯加热→除鳞→粗轧→精轧→控冷→热矫→冷床缓冷→淬火+回火→堆垛入库。

产品硬度检验如图7 所示。从图中数据可以看出，钢板硬度均匀，波动范围小，完全满足国家标准和用户的要求，其中薄/厚规格产品硬度集中在395～400 HBW，中间厚度规格16～30 mm 硬度集中在410～415 HBW。

图7 不同厚度钢板的布氏硬度平均值

在Q345B基础上，采用添加少量强淬透性元素Cr、B 开发出低成本Cr-B 系NM400，满足大部分用户的需求，达到降低生产成本，提高产品附加值和进入市场优势。如表3所示，低成本NM400钢板不仅满足硬度要求，同时也满足了强塑性要求。

表3 新型低成本Cr-B系NM400钢板的力学性能

低成本Cr-B系NM400钢各工艺阶段组织如图8所示。热轧态组织是细小均匀的铁素体+珠光体，淬火后组织是细小的板条马氏体+极少量的残余奥氏体，回火后组织是回火马氏体。各工艺阶段钢板组织均匀性较好，从而保证了钢板的硬度均匀性。

图8 新型低成本Cr-B系NM400钢板的金相显微组织

图9 为淬火态和回火态马氏体的板条结构和碳化物形态。从图9可以看出，淬火后钢板中相互交叉的马氏体束有效缩短了板条滑移距离，晶界强化效果明显；板条内含有大量的碳化物析出相，碳化物的析出与晶界呈45°交叉角。钢板经回火后马氏体中亚板条结构并未明显退化，同时沿板条晶界也析出碳化物，析出强化效果提高，可以显著提高钢的耐磨性。

图9 淬火态和回火态马氏体的透射电镜微观组织

5 耐磨性试验

从工业生产的低成本Cr-B系NM400和Q345B钢板表层分别切取厚度相同的试样3块，编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#，表面打磨使光洁度相同，在磨损试验机上进行磨损试验，其中1#、4#转数3 000 r/min，2#、5#转数6 000 r/min，3#、6#转数9 000 r/min。

表4显示经过3 000、6 000和9 000转后磨损失重，从对比数据来看，相同转速下低成本Cr-B 系NM400的磨损失重量明显小于Q345B，转速越大差距越明显，说明低成本Cr-B 系NM400 钢耐磨性显著优于Q345B。

表4 低成本Cr-B系NM400和Q345B钢板的磨损失重对比

图10为磨损表面的微观形貌，从SEM图来看，低成本Cr-B 系NM400 耐磨钢表面磨损均匀，无大坑洞，说明低成本Cr-B 系耐磨NM400 钢板硬度均匀，耐磨性良好。

图10 NM400钢板磨损表面的微观形貌

6 结 语

新型低成本Cr-B系NM400 钢板在Q345B成分上添加Cr、B强淬透性元素，提高了钢板的淬透性。经合理的轧制及热处理后，成品钢板表面布氏硬度＞395 HBW，抗拉强度超过1 280 MPa，断后伸长率＞27%，且耐磨性良好。新型低成本Cr-B 系NM400 钢板经中平能化集团机械制造有限公司和新加坡瑞泰实业有限公司在刮板运输机使用，产品实物性能完全满足使用要求，并得到了用户的肯定。