摘要: 选用不含 Nb 钢和含 Nb( 质量分数，0. 021% ) 钢作为试验材料，采用扫描电子显微镜( SEM) 、透射电子显微镜( TEM) 、布氏硬度测试、冲击和拉伸等试验手段研究试验钢轧制后在不同温度加热淬火 + 回火及 850 ℃在线淬火 + 不同温度回火两种热处理工艺下的组织和综合性能。结果表明: 再加热淬火 + 回火工艺下，含 Nb 钢随淬火温度的提高，强度和韧性都有所提高，在 950 ℃ 淬火 + 200 ℃回火处理下综合性能最佳，其强度为 1843 MPa，硬度值为 567 HBW，- 20 ℃ 下的冲击吸收能量为 31 J，符合 NM500 的标准; 在线淬火 + 回火工艺下随着回火温度的提高，试验钢的综合性能降低，但含 Nb 钢的性能都高于相同条件下的不含 Nb 钢。含 Nb 钢在 850 ℃在线淬火 + 200 ℃回火处理下综合性能最佳，其强度为 1818 MPa，硬度值为 562 HBW，- 20 ℃ 下的冲击吸收能量为 30 J，同样达到了 NM500 的标准。
关键词: 低合金耐磨钢; 原奥氏体晶粒; 再加热淬火; 在线淬火; 力学性能
断裂、腐蚀和磨损是材料的 3 种破坏形式。虽然材料的磨损很少引起金属工件灾难性的危害，但随着现代工业和科学技术的飞跃发展，高速运转的机械设备受摩擦磨损的速度越来越快，其使用寿命成为影响现代设备生产效率的重要因素[1]。磨损零件的维修、更换等造成的能源和材料消耗是十分惊人的。因此，研究和发展用于磨损条件下的高性能耐磨材料，以减少金属磨损，对国民经济的发展具有重要的意义。本文通过含 Nb 钢和不含 Nb 钢的对比试验，研究了 Nb 元素在中碳耐磨钢淬火过程中组织遗传效应以及不同热处理方式下 Nb 对中碳耐磨钢组织和力学性能的影响，初步分析 Nb 元素在中碳耐磨钢中的作用机理。
1 试验材料与方案
1. 1 试样制备与试验方法
试验钢采用 25 kg 真空感应炉冶炼，其化学成分如表 1 所示。Nb 可以起到细晶强化、析出强化的作用[2-4]。为了对比 Nb 在耐磨钢中的作用，在其它元素成分相同的情况，分别设计不含 Nb 的 A 钢和含 Nb 量 0. 021% 的 B 钢作为对比研究的试验用钢。采用 ZG0. 025 真空感应炉冶炼，冶炼真空度为10 Pa，浇注成20 kg 的铸坯。加热至 1200 ℃ ，保温 4 h 均匀化处理后锻造成截面为 80 mm × 80 mm 的长方形坯料。将长方形坯料加热至 1200 ℃ 后采用两阶段控轧工艺，轧成厚度为 12 mm 的钢板。随后采取两种不同的热处理工艺。
试验钢的拉伸和冲击试样均沿轧制方向切取。拉伸试验在 CMT-4105 型万能试验机上进行，依据 GB /T 228—2002《金属材料 室温拉伸试验方法》，采用直径为 5 mm，标距为 25 mm 的圆棒拉伸试样。冲击试验在 JB-30B 型冲击试验机上依据 GB /T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法 》进行，采用标准的 V 型缺口冲击试样，试样尺寸为 10 mm × 10 mm × 55 mm，试验温度为 - 20 ℃。采用 HB-3000 布氏硬度计测取钢板表面布氏硬度值。使用线切割机在热处理处后的钢板上取样，对轧向垂直截面进行砂纸打磨、抛光。使用过饱和苦味酸水溶液浸蚀原始奥氏体组织，采用配置电子背散射衍射( EBSD) 系统的 Zeiss ultra 55 场发射扫描电子显微镜( FESEM) 进行微观组 织 观 察 和分析。
1. 2 淬火工艺
1) 再加热淬火工艺: 将轧制后的钢板直接空冷至室温，然后分别加热至 850、900 和 950 ℃ 保温 40 min 后 水 淬，淬火后进行回火处理，回火温度分别为 200、250 ℃ ，保温时间 30 min。具体方案如图 1( a) 所示。
2) 在线淬火工艺: 将轧制后的钢板冷却至 850 ℃ 时，直接水淬至室温，回火温度分别为 200、250 和 300 ℃ 保温 30 min，具体方案如图 1( b) 所示。
2 试验结果与讨论
2. 1 淬火工艺对原奥氏体晶粒的影响
图 2 分别为 A 钢和 B 钢经过 850 ℃ 和 950 ℃ 淬火后的原始奥氏体晶粒形貌。表 2 为 A 钢和 B 钢的原始奥氏体晶粒尺寸。由此可知，淬火温度由 850 ℃ 升高到 950 ℃时，两种钢的原始奥氏体晶粒都呈长大趋势。再结晶后晶粒长大的驱动力主要是晶粒长大前后总的界面能差，它是整个系统力求使总的界面自由能达到最小值的一个自发过程。而晶粒的长大过程主要是依靠晶界的移动来进行的。微量元素 Nb 易在晶界处偏聚，且在加热过程中，Nb 原子在奥氏体中的扩散速度较慢，阻碍晶界的迁移。在随后的轧制过程中，高温形变诱导促进了 NbC 的析出，析出物通过钉扎晶界，抑制 B 钢的再结晶，阻碍晶粒的长大，因此热处理前 B 钢的尺寸小于 A 钢。在淬火过程中，Nb 溶质的拖曳作用和 NbC 析出物对晶界的钉扎作用抑制了含 Nb 钢 奥 氏 体 晶 粒 的 长 大，细化了原始奥氏体晶粒[5]。
2. 2 淬火工艺对力学性能的影响
2. 2. 1 再加热淬火
图 3 为试验钢经 850、900 和 950 ℃ 淬火和 200、 250 ℃回火 30 min 后的力学性能。由图 3 可知，回火温度为 200 ℃ 的情况下，淬火温度由 850 ℃ 提高到 900 ℃时，A 钢的抗拉强度基本保持不变，当淬火温度提高到 950 ℃时，抗拉强度下降了大约 40 MPa。硬度的变化趋势同抗拉强度相似，A 钢的硬度值随淬火温度的提高先是变化微小后降低。而冲击吸收能量的变化则与抗拉强度正好相反，随淬火温度的提高，冲击吸收能量逐渐增加，钢的韧性得到优化。对于 B 钢，随着淬火温度的提高，其抗拉强度也在提高，当淬火温度从850 ℃升高到950 ℃时，其抗拉强度提高了约130 MPa。同时，布氏硬度和冲击吸收能量也随淬火温度的提高而逐渐增加，这说明加入微量 Nb 后，耐磨钢强度的增加并没有造成韧性的损失。当回火温度为 250 ℃ 时，随淬火温度的提高，B 钢的强度和硬度略有下降，冲击吸收能量则略有增加。而 A 钢淬火温度从 850 ℃ 升高到 900 ℃时，其力学性能略有差异，当淬火温度升高至 950 ℃时，A 钢韧性稍有提高，但是其抗拉强度和硬度出现急剧的下降。
2. 2. 2 在线淬火
在线淬火加回火处理后试样的力学性能见图 4。由图4 可知，当回火温度为 200 ℃ 时，A 钢的抗拉强度为 1609 MPa，而相同条件下 B 钢的抗拉强度达到 1818 MPa。随着回火温度的提高，两种钢的抗拉强度都呈现下降趋势，但是 B 钢的抗拉强度都高于相同条件下 A 钢的抗拉强度。
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在冲击韧性方面，由图 4 可看出，随着回火温度的增加，A 钢在 200 ℃和 250 ℃ 的冲击吸收能量基本保持不变，B 钢的冲击韧性略有下降，当回火温度升高到 300 ℃时，A 钢的冲击吸收能量急剧下降，只有 13 J，B 钢的冲击吸收能量虽明显高于 A 钢，但也下降到 22 J。在布氏硬度方面，随着回火温度的提高，两种钢的硬度值都降低，A 钢和 B 钢都在 200 ℃ 回火时布氏硬度值较高。
2. 3 淬火工艺对显微组织的影响
2. 3. 1 再加热淬火
图5 为 A 钢在850、900 和 950 ℃淬火后经过 200 ℃ 回火的 SEM 图像; 图 6 为两种钢在 950 ℃淬火后经过 250 ℃ 回火的 SEM 图像。由图 5 可知，回火温度为 200 ℃时，不同淬火温度下，A 钢的组织均为回火马氏体，细小的碳化物弥散分布在马氏体内部和板条之间，同时隐约可见原奥氏体晶界，并且随着淬火温度的提高，原奥氏体晶粒尺寸也随之增加。由图 6( a，b) 对比可知，在相同热处理条件下，A 钢中碳化物明显粗化，而含 Nb 的 B 钢中的碳化物更弥散，尺寸更细小。因此推测 A 钢中碳化物的粗化造成了其在 250 ℃ 回火时力学性能的明显下降。 2. 3. 2 在线淬火在线淬火后不同温度回火的 SEM 照片如图 7 所示。可以看出得到的组织均为回火马氏体。由图 7( a，d) 可知，200 ℃ 回火后 A 和 B 钢组织中原奥氏体晶界均比较模糊，马氏体板条束之间互相交叉分割，有着较大的位向差，在板条内部有细小均匀的碳化物颗粒析出。随着回火温度的提高，板条出现合并现象。
由图 7( b，c) 可以看出，经过 250 ℃回火 A 钢组织 中析出的碳化物出现粗化现象，当回火温度升高到 300 ℃时，组织中的碳化物粗化现象更加明显，研究表明[6-8]，碳化物的粗化会引起应力集中，影响材料的冲击韧性，即碳化物的粗化是造成 A 钢在 300 ℃ 下冲击吸收能量低的一个重要原因。而 B 钢经过 300 ℃ 回火后，碳化物仍然比较细小，如图 7( e，f) ，表明 Nb 的添加促进了钢中碳化物的析出，抑制了马氏体中的位错回复，细化再结晶晶粒。
图 8 为两种试验钢的 TEM 照片，图 9 为 B 钢 200 ℃ 回火后的析出物形貌和能谱图。由图 8 可知，A 钢中的马氏体板条接近平行排列，板条宽度大约 200 nm，板条边界逐渐模糊，个别板条的内部位错已经消失。而 B 钢中马氏体板条间界面非常清晰，马氏体内部位错密度大，呈现混乱的团状，充满整个板条。这对基体的强度和韧性提高有很重要的影响。由图 9 可知，B 钢经过 200 ℃回火后，弥散分布着大量的析出物，且此析出物主要为含 Nb 析出物，其大小约 20 nm。Nb 的析出物在回火过程中可以钉扎位错，由此引发的位错强化以及析出强化可以进一步提高 B 钢的强度和硬度。
3 结论
本文研究了再加热淬火 + 回火和在线淬火 + 回火两种热处理工艺对中碳耐磨钢组织和性能的影响，为制定工业化生产 NM500 工程机械用耐磨板提供指导意义。综合试验结果得到以下结论:
1) 再加热淬火 + 回火工艺下，含 Nb 钢在 950 ℃ 淬火 + 200 ℃回火处理下综合性能最佳，高于不含 Nb钢的性能，其强度为 1843 MPa，硬度值为 567 HBW，- 20 ℃下的冲击吸收能量为 31 J，完全符合 NM500 的标准，且随淬火温度的提高，含 Nb 钢的强度和韧性都有所提高，说明加入 Nb 后，含 Nb 钢强度的提高并没有造成韧性的损失。两种钢的微观组织均为回火马氏体，其中弥散分布着细小的碳化物，通过对比两种钢相同工艺下的微观组织可知，加入少量的 Nb 能够抑制碳化物的粗化。
2) 在线淬火 + 回火工艺下，含 Nb 钢在 850 ℃ 在线淬火 + 200 ℃ 回火处理下综合性能最佳，其强度为 1818 MPa，硬度值为 562 HBW，- 20 ℃ 下的冲击吸收能量为 30 J，同样达到了 NM500 的标准。随着回火温度的提高，试验钢的综合性能降低，但含 Nb 钢的性能都高于相同条件下的不含 Nb 钢。通过组织观察和能谱分析可知试验钢组织为回火马氏体，且含 Nb 钢中存在大量 Nb 的析出物。——论文作者：王明娣1 ，刘东权2 ，武会宾2
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