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1、 回火工艺对低合金耐磨钢组织与性能的影响 1 回火工艺对低合金耐磨钢组织与性能的影响 马玉喜 郭 斌 欧阳珉璐 陶军晖 宋 畅 胡 敏 徐进桥 （武汉钢铁(集团)公司研究院, 武汉 430080） 摘 要 用金相法、电镜观察等分析研究了热处理工艺过程中高级别耐磨钢组织与性能变化的行为。结果表明：在一定的淬火温度条件下， 随回火温度的提高低合金耐磨钢的组织类型由回火马氏体向以回火马氏体特征加少量回火索氏体为主的复相组织转变，抗拉强度一直呈下降趋势，屈服强度先增加后减小，冲击功和延伸率先降低后增加；低合金耐磨钢共格碳化物的析出长大与位错的交互作用对性能影响较大。 关键词 低合金耐磨钢 回火马氏体
2、共格碳化物 位错 Effect of Tempering Process on Microstructure and Mechanical Property in Low-alloy Wear-resistant Steel Ma Yuxi Guo Bin Ouyang Minlu Tao Junhui Song Chang Hu Min Xu Jinqiao (Research and Development Center of Wuhan Iron and Steel (Group)Corp., Wuhan, 430080) Abstract Microstructure and mech
3、anical property constant vs. tempering process was investigated by means of metallography and electron microscopy in low-alloy wear-resistant steel. The results show that microstructure constant in the steel with tempered temperature increasing is as follows: tempered martensitemicrostructure like t
4、empered martensite and a small amount of sorbite, at the meantime, always decreasing in tensile strength, firstly increasing and then decreasing in yield strength, firstly decreasing and then increasing in impact energy and elongation. Precipitation and growth of coherent carbites have a notable eff
5、ect on mechanical property with dislocation tangle in low-alloy wear-resistant steel. Key words low-alloy wear-resistant steel, tempered martensite, coherent carbite, dislocation 低合金耐磨钢板是一类微合金化、 具有高耐磨性能和高性价比的特殊用途钢板， 属于有代表性的资源节约型材料， 当低合金耐磨钢硬度高于400HBW时， 对应屈服强度和抗拉强度将分别达到1100MPa和1300MPa以上1。与高锰钢、耐磨铸铁等耐磨材
6、料相比，这种耐磨钢的强韧性和耐磨性更为优异，且成本较低，广泛应用于工作条件特别恶劣的工程、采矿、建筑、农业、水泥生产、港口、电力、路面建设以及冶金等机械产品上。我国生产耐磨钢起步较晚，在生产高级别耐磨钢方面缺乏生产经验，至今仅能生产较低硬度和较低耐磨性的耐磨钢板2，硬度 450HBW 及以上高性能耐磨钢板的国产产品至今空白，国内高端耐磨钢板市场为瑞典、德国、日本等国外厂家商家所垄断。 本文以一种高级别低合金耐磨钢为研究对象， 研究了热处理工艺对钢板的组织与性能的影响规律， 在此马玉喜, 男, 1981 年生, 博士, 2 第九届中国钢铁年会论文集 基础上寻求一种合适的热处理工艺使钢板达到硬度
7、和强韧性的最优匹配， 并探讨了不同热处理工艺下钢板组织和性能的变化规律，为此类耐磨钢的生产工艺优化及后期应用等提供基础资料。 1 实验材料与方法 低合金耐磨钢试验材料采用 50kg 真空感应炉冶炼，然后在 800mm 试验轧机上轧制成 20mm 厚钢板，轧制过程为：开轧温度 1080，在 1080970粗轧至 30mm 中间坯，然后在 940920开始精轧，终轧温度 850，轧后层流冷却至 550600。然后将钢板在 890进行淬火，保温时间 60min；在 180500进行回火，保温时间 100min。 钢板化学成份如表 1 所示。将热轧及热处理态钢板按国家标准 GB/T228 和 GB/T
8、229 加工成10mm 厚拉伸试样及 101055mm 夏比 V 型缺口冲击试样，进行力学性能测试。选取合适金相样进行研磨、抛光和金相腐蚀（腐蚀液为 4%苦味酸酒精溶液） ，借助 OLYMPUS.GX51 型光学显微镜观察组织状态，然后选取典型试样用电解双喷减薄法（双喷液为：15高氯酸酒精）制备 TEM 薄膜试样，双喷后的试样经离子减薄在 JEM-2100F 型透射电镜中进一步进行观察分析。 表 1 实验材料化学成分 Chemical composition C Si Mn P S Mo、Cr、V total Als wt% 0.120.20 0.200.35 0.61.20 0.008 0.
9、005 0.8 0.0100.020 2 实验结果 2.1 试验钢力学性能 实验钢的性能检验取样均来自于同一轧制工艺钢板，然后按 GB T2282002 标准在 INSTRON 4204 电子机械试验机上进行拉伸试验，同时按 GB T2292009 标准和 GB T231.11999 标准分别进行夏比冲击和硬度测试试验，检验结果如图 7 所示。图 7（a）显示，在 890（保温 60min）淬火条件下，随着回火温度的升高，抗拉强度一直呈降低趋势，屈服强度先升高后降低，延伸率则先降低后升高。其中，回火温度从180到 280变化过程中，试验钢的屈服强度呈上升趋势，抗拉强度下降较缓，延伸率下降；随后
10、，随着回火温度的升高（回火温度从 300500段） ，实验材料的抗拉强度和屈服强度均呈下降趋势，但是从强度下降趋势上看，试验钢的抗拉强度与屈服强度相比下降较缓，与此同时试验钢的延伸率有明显增加；在整个回火温度变化过程中试验钢冲击值出现两个低点，分别为 330和 430，这说明在这两个温度点附近存在回火脆性， 非别对应该类钢种的第一类回火脆性和第二类回火脆性； 随回火温度的升高试验钢硬度一直呈下降趋势，当回火温度小于 300时对应布氏硬度值在 450500HBW 之间，达到 NM500 水平。 2.2 试验钢组织结构 2.2.1 试验钢金相组织 图2是试验钢的热轧态试样显微组织， 可以看出热轧态
11、耐磨钢组织均为铁素体、 珠光体加少量贝氏体, 晶粒细小且分布均匀，有较大比例的晶粒尺寸在 30m 以下。 采用 Olympus PME3-323n 金相显微镜观察典型试样组织，图 3 为试验钢 890淬火（保温 60min） 、不同回火条件时的显微组织照片。在 890淬火条件下，当回火温度再 180400范围变化时，试验钢的组织形貌显示为回火马氏体形态，从金相上观察不出明显的变化，如图 3（a）和图 3（b）所示；当回火温度进一步上升，比如 420480回火时金相观察显示回火马氏体形貌发生明显变化，呈现微观板条合并特征，结构开始变得模糊，并有少量索氏体组织出现，如图 3（c）所示。 回火工艺对
12、低合金耐磨钢组织与性能的影响 3 150200250300350400450500100011001200130014001500160017001800Rm/MPaReL/MPaElongation/A%Tempering Temperature/Strength/MPa8101214Elongation percentage/A%150200250300350400450500320340360380400420440460480500Hardness/HBWTempering Temperature/Surface1/4 of thickess1/2 of thickness150200
13、250300350400450500102030405060708090100Impact value/KV2-400-20Tempering Temperature/图 1 实验钢性能随热处理工艺的变化曲线 图 2 实验钢原始组织 2.2.2 试验钢电镜组织 取 180500不同回火温度处理后的典型试样， 在厚度 1/4 处取 0.2mm 薄片，经双喷电解减薄制成透射电镜样品，在 JEM-2100F 型透射电镜中观察，图 4a 显示试验钢经 180回火后的组织，为典型回火马氏体组织，板条特征非常明显，但此时碳化物析出特征不明显。试验钢经 250回火后组织没有变化，但在板条 4 第九届中国钢铁
14、年会论文集 (a)180100min 回火 (b)250100min 回火 (c)450100min 回火 图 3 试验钢金相组织 (a)180100min 回火 （b） 250100min 回火 （c） 350100min 回火 （d） 480100min 回火 图 4 试验钢 TEM 微观组织分析 回火工艺对低合金耐磨钢组织与性能的影响 5 内明显有细针共格碳化物析出，并且出现高密度位错缠积的现象（见图 4b） 。当回火温度为 350时，马氏体板条内针状共格碳化物析出明显长大， 沿马氏体板条边界有大量碳化物析出， 马氏体板条内的位错有重新分布特征，与 250回火组织相比位错密度明显降低（见
15、图 4c） 。当回火温度为 500时，仍部份保留淬火形态，板条内的针状碳化物和板条边界碳化物进一步长大、粗化，基体中的位错密度进一步降低，部分板条呈现合并特征（见图 4d） 。 3 分析讨论 一般来说， 钢铁材料在淬火过程中其马氏体的形成过程是无扩散性转变， 在进一步的回火过程中随温度的升高淬火马氏体有向回火马氏体或回火索氏体转变的趋势， 这种规律与钢中碳原子的扩散有关。 本文试验表明回火马氏体的形成温度应在 250以内为佳，在回火马氏体中，碳原子是以过饱和间隙原子的形式存在的，随回火温度的升高（高于 300） ，过饱和间隙原子扩散的速度也进一步提高，从体心立方间隙中扩散出来的趋势越来越强，更
16、易于与钢中合金元素结合形成碳化物粒子析出3，抗拉强度受碳化物粒子的析出与长大影响一直呈下降趋势。当回火温度达到 420以上时，回火马氏体中的大部分碳原子已扩散析出，但组织结构还没来得及转变，因此看上去是模糊的回火马氏体形貌，此时第二相析出强化作用进一步加强，组织强化作用减弱，试验钢的强度明显下降，塑韧性显著提升。 钢材的屈服强度取决于钢中位错密度、分布及钉扎位错的第二相质点密度，抗拉强度主要取决于组织、合金元素、第二相质点的数量、位错密度4。将电镜观察结果与试验钢的力学性能对比，存在着明显的对应关系。试验钢的组织主要表现为回火马氏体和高密度位错。在拉伸时，大量位错沿滑移面运动，使钢发生屈服。经 180300低温回火后，钢中过饱和的碳开始析出，形成细小弥散共格碳化物，这些细小碳化物在变形过程中，
