黄 龙，邓想涛，王昭东

(1.东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2.中国科学院 金属研究所，辽宁 沈阳 110016)

磨损是材料失效的三大形式之一。据不完全统计[1]，1/3～1/2的世界能源消耗于磨损，工业中80%的机械零部件失效报废是由磨损造成的。我国每年因磨损造成的经济损失达到年国民生产总值(GDP)的5%，大量科研工作者长期致力于高品质钢铁耐磨材料的研发，以减少工程机械设备运转过程中由磨损造成的经济损失[2-5]。低合金耐磨钢因其合金含量低、工艺简单、综合性能良好而被广泛应用于工程机械、冶金机械和水泥化工等领域[6-7]。随着我国社会和经济的飞速发展，机械设备逐渐向规模大型化、应用条件苛刻化和运转高效化方向发展。作为工程机械设备制造的重要原材料，无论是耐磨性能还是使用性能均对低合金耐磨钢提出了更高的要求。常规低合金耐磨钢的组织是板条马氏体，主要依靠基体组织的高硬度抵抗外界的磨损，其级别越高硬度越高，但硬度提高后其机加工性能等恶化严重，根本无法满足工程机械设备制造的更高要求。

低合金耐磨钢在各类磨损条件下最普遍的磨损机制是微切削或微犁耕，硬度提高只是使犁沟的深度变浅，宽度变窄，但磨损机制未发生改变。相关研究表明[8-9]，向钢铁基体中引入第二相强化颗粒可以起到抵抗磨料的微切削和微犁耕作用，使磨损机制转变为塑性变形和疲劳脱落，从而显著提高钢铁材料的耐磨性能。此前研究中[10-13]，采用共晶凝固的方式向马氏体基体中引入大量微米和纳米级TiC强化颗粒，显著提高了干湿砂/橡胶轮磨料磨损条件下低合金耐磨钢的磨料磨损性能。颗粒强化型低合金耐磨钢的耐磨性能主要由第二相TiC颗粒决定，但第二相强化颗粒也需要具有良好综合性能的基体组织来支撑，才能充分发挥其抵抗磨损保护基体的作用。因此，本文主要研究回火处理工艺对颗粒强化型低合金耐磨钢组织、力学性能以及磨损性能的影响，获得最佳的回火工艺，为第二相强化颗粒提供良好的支撑，最终获得兼具高耐磨性能和良好综合性能的颗粒强化型低合金耐磨钢。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用颗粒强化型低合金耐磨钢的成分(质量分数，%)为0.30C、0.54Si、1.30Mn、0.30Ti、0.25Mo，余量Fe。Ti元素是强氧化物形成元素，在冶炼过程中Ti可与空气中的氧气反应形成TiO2，从而造成Ti元素的损失。因此，颗粒强化型低合金耐磨钢的冶炼是在150 kg真空感应熔炼炉中进行的。熔炼后先浇注成130 mm×100 mm×500 mm的矩形坯，再切割成130 mm×100 mm×150 mm的矩形坯进行热轧，在实验室φ450 mm两辊可逆式试验轧机上进行两阶段控制热轧，轧制成12 mm厚的钢板，轧制后空冷到室温。

1.2 试验方法

采用热膨胀仪对试验钢的奥氏体转变开始温度(Ac1)和奥氏体转变结束温度(Ac3)进行测定[14]。根据切线法测定平衡条件下试验钢的Ac1和Ac3分别为664 ℃和860 ℃。将热轧钢板切成100 mm×140 mm×12 mm试样，将其加热到880 ℃保温20 min，然后水淬至室温，再将钢板分别加热到180、200、220、240、260、280和300 ℃回火40 min。

从钢板上切取12 mm×10 mm×8 mm金相试样，进行机械研磨和抛光后，对未侵蚀试样进行TiC颗粒形貌及分布观察，对硝酸酒精侵蚀的试样进行微观组织形貌观察。TiC颗粒形貌和微观组织形貌采用Zeiss Ultra 55场发射扫描电镜进行观察，拉伸和冲击试样的断口形貌采用FEI Quanta 600扫描电镜观察。在FEI Tecnai G2F20透射电镜上观察马氏体板条的显微结构。

拉伸试验在室温下进行，采用AG-XPLUS电子万能试验机，拉伸速率为1 mm/min。拉伸试样采用GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》规定的A25标准圆棒拉伸试样，拉伸试样垂直于轧制方向，直径φ5 mm，标距长度25 mm，平行段长度35 mm。冲击试验采用10 mm×10 mm×55 mm 的V型缺口试样，平行于钢板的轧制方向。采用ZBC 2000-EB 摆锤式冲击试验机对钢板的-20 ℃低温冲击吸收能量进行测定。采用KB3000BVRZ-SA万能宏观硬度计对试验钢的宏观维氏硬度进行测定，载荷砝码为10 kg，取10次测定的平均值作为最终结果。依据ASTM-G65制备75 mm×25.5 mm×7 mm磨损试样，磨损试样平行于轧制方向。室温下，在MLG-130B干砂/橡胶轮磨料磨损试验机上进行磨料磨损试验，测定不同回火温度试验钢的磨损量。

2 试验结果及讨论

2.1 回火温度对微观组织的影响

低温回火是低合金耐磨钢热处理的重要工序，低温回火可以降低淬火过程中产生的应力，以改善强韧性匹配。轧制前后试验钢基体中的微米级粒子形貌如图1所示，轧制前微米级粒子呈仿晶界分布，经过轧制后微米级粒子向均匀弥散化分布转变。铸态微米级粒子的元素分布如图2所示，微米级粒子主要含有C、Ti和Mo元素，不含有Cr和Mn元素。低温回火后试验钢的组织为回火马氏体，如图3所示，其板条结构仍然清晰可见，由于回火温度较低，回复不完全。基体中存在大量白色细长条状或针状碳化物，经过能谱分析其成分为Fe和C，即ε-碳化物[15]。在低温回火过程中，马氏体中过饱和碳原子具有一定的扩散能力，而且“位错管道”可以作为碳原子的快速扩散通道，易于形成富碳的核心，促进位错线附近的碳原子聚集形成碳化物[16]。ε-碳化物分布在马氏体板条内部，在发生塑性变形时，可以钉扎位错，起到与MC型碳化物相同的作用，使试验钢的屈服强度有所提高。随着回火温度的升高，基体中的ε-碳化物有增多和长大的趋势。此外，基体中还分布着较多球状碳化物，能谱分析结果表明其含有Ti和C元素，原子比接近1∶1，推测其为TiC析出，尺寸为亚微米级别，是热轧过程中回溶的Ti元素在后续热处理过程中产生的析出物。

图1 轧制前(a)、后(b)试验钢中微米级粒子形貌

图2 铸态试验钢中微米级粒子元素分布

图3 不同温度回火后试验钢的显微组织

采用透射电镜对880 ℃淬火+200 ℃回火后的试验钢进行观察，结果如图4所示。经过低温回火后，马氏体板条中存在大量尺寸约100 nm的条状碳化物，其尺寸基本与扫描电镜下观察的白色碳化物尺寸一致。此外在板条马氏体个别部位发现链状分布棒状碳化物，在碳化物附近有一定的位错存在。这是碳原子沿着位错线偏聚形成的析出物，其尺寸相对较大。基体中还分布着较多球状纳米析出物，其为纳米级TiC析出。

图4 经880 ℃淬火和200 ℃回火后试验钢的TEM图

2.2 回火温度对力学性能的影响

不同回火温度下试验钢的力学性能如图5所示。随着回火温度从180 ℃升高至300 ℃，试验钢的抗拉强度逐渐降低，而屈服强度整体上呈现先升高后降低的趋势，断后伸长率呈现逐渐升高的趋势。低温回火过程中，消除了基体中由于淬火而产生的相变应力，降低了钢板的脆性；同时，在低温回火过程中，马氏体中过饱和的碳原子发生偏聚而形成碳化物，而低温回火的温度较低，碳原子运动范围有限，即使位错线可以作为C原子扩散的快速通道，其在低温时形成的碳化物仍然以ε-碳化物为主。低温回火形成的细小ε-碳化物可以钉扎位错，所以，在一定温度范围回火，试验钢的屈服强度随着回火温度升高而升高，而当回火温度达到一定值后，细小的ε-碳化物发生粗化，钉扎位错的作用逐渐减弱或消失，屈服强度逐渐降低。试验钢的硬度随着回火温度的升高而降低，一方面，低温回火过程中内应力降低使硬度降低；另一方面，碳化物析出使碳的固溶强化减少，析出强化增多，这也使硬度降低。-20 ℃低温冲击吸收能量随着回火温度升高逐渐降低，回火温度升高使试验钢中析出的碳化物逐渐增多，其对低温韧性不利。

图5 880 ℃淬火、不同回火温度后试验钢的力学性能

不同温度回火后试验钢的拉伸断口形貌如图6所示。拉伸断口呈现出塑性断裂的特征，断口上分布着大量韧窝，微米级TiC粒子处产生了损伤坑，损伤坑连接在一起形成层状结构。回火温度较低时，韧窝尺寸较小，损伤坑较大，层状结构较宽，随着回火温度逐渐升高，韧窝尺寸逐渐变大，损伤坑逐渐减小，层状结构逐渐变细。回火温度逐渐升高，马氏体发生一定回复，淬火应力被消除，基体组织的塑性逐渐升高，由微米级粒子造成的损伤坑尺寸逐渐减小。

图6 不同温度回火后试验钢的拉伸断口形貌

不同回火温度下试验钢的冲击断口形貌如图7所示。冲击断口形貌呈现出脆性断裂的河流花样特征，260 ℃以下回火，试样的断口上存在较多的撕裂棱，撕裂棱是许多单独形成的裂纹相互连接时撕裂产生的，需要消耗相对较多的能量。回火温度升高后，撕裂棱宽度明显变窄、数量减少。随着回火温度的升高，基体中析出大量的碳化物，碳化物在变形过程中可以钉扎位错，位错聚集缠结后形成裂纹源，导致冲击性能变差。

图7 不同温度回火后试验钢的冲击断口形貌

为了研究低温回火对三体磨料磨损性能的影响，采用干砂/橡胶轮磨料磨损试验机对不同回火温度下试验钢的磨损性能进行了研究，结果如图8所示。试验钢的三体磨料磨损性能随着低温回火温度升高整体呈现先升高后降低的趋势。在200 ℃低温回火时，其塑性、强度和韧性达到了最佳的匹配，所以耐磨性能在200 ℃回火时达到最高。

图8 不同温度回火后试验钢的磨损量

3 结论

1)颗粒强化型低合金耐磨钢基体中分布着大量微米级(Ti,Mo)C颗粒，铸态的微米级粒子呈现出仿晶界分布的特征，而经过轧制后微米级粒子向弥散化分布转变。

2)经过低温回火后，试验钢的组织为回火板条马氏体，马氏体板条内部分布着大量棒状ε-碳化物，随着回火温度的升高，ε-碳化物数量增多。此外，回火板条马氏体基体中还存在亚微米和纳米级球状TiC析出。

3)随着回火温度的升高，试验钢的抗拉强度、硬度和冲击性能逐渐降低，屈服强度整体上先升高后降低，而伸长率逐渐升高。

4)试验钢经过不同温度回火后，其三体磨料磨损性能整体呈现先升高后降低的趋势，在200 ℃回火时，试验钢表现出最佳的综合力学性能和耐磨性能。