黄 朋，镇 凡，杜 平，曲锦波

(江苏省(沙钢)钢铁研究院，江苏 张家港 215625)

耐磨钢作为一类重要的钢铁材料，具有高强度、高硬度、易成形、可焊接等良好的综合性能，广泛应用于工程机械、矿山机械、煤炭采运等领域[1-5]。随着我国经济的快速发展，对耐磨钢的需求量逐渐增长。在耐磨钢的生产过程中，淬火工艺尤为关键，如果控制不当，容易导致淬火后钢板硬度不均匀、板形不良等问题，影响后续加工使用[6]。

薄规格(厚度≤20 mm)耐磨钢对淬火工艺更为敏感，淬火后硬度分布不均匀或瓢曲变形的倾向更大。某10 mm厚NM400钢的硬度要求为370～430 HBW，钢板在淬火后出现表面条纹及硬度分布不均匀情况，如图1所示。条纹与钢板轧制方向成约50°角分布，宽度约20 mm，相邻条纹间隔均匀，间距约50 mm，条纹处硬度较低，为318～330 HBW，不满足要求，而非条纹处硬度为396～412 HBW，满足要求。针对此种情况，本文对钢板条纹位置进行切割取样，进行条纹形成机理和硬度不均匀的原因分析，在此基础上对淬火工艺进行优化，以消除条纹和改善硬度均匀性。

图1 10 mm厚NM400钢板的淬火条纹形貌Fig.1 Morphology of quenching stripe of the 10 mm thick NM400 plate

1 试验材料与方法

试验材料为具有条纹缺陷的10 mm厚度NM400钢淬火板，淬火所用设备为德国LOI淬火机，其淬火水冷系统分为高压段和低压段，高压段喷水系统分为第一组缝隙喷嘴、第二组双联喷嘴(共2组)和第三组箱式喷嘴(共5组)，第一组缝隙式喷嘴后相邻喷嘴小组间安装有螺旋辊，共计6根。淬火工艺为：加热温度890 ℃，加热速率2.0 min/mm，淬火机辊速30 m/min、辊缝0 mm，高压段水压0.8 MPa，高压段第一组(缝隙喷嘴)水流量1630 m3/h。

从钢板条纹部位切割取样，分别采用PDA-7000直读光谱仪、CLB3布氏硬度计、TuKon 2500全自动维氏硬度计、蔡司光学显微镜等对条纹处进行成分、硬度检测和显微组织分析。成分检测试样铣磨去除表面0.3 mm后用P180砂纸打磨；表面硬度试样铣磨去除表面0.3 mm后用P1200砂纸打磨；截面硬度试样用P1500砂纸打磨后抛光处理，沿深度方向间隔0.2 mm取点进行测量；金相试样经粗磨、细磨、抛光后用4%硝酸酒精溶液(体积分数)侵蚀。

为解决淬火条纹和硬度不均匀问题，采用同成分同规格热轧态钢板进行不同淬火工艺的优化测试。

2 条纹形成机理分析

2.1 化学成分和显微组织

表1为NM400钢淬火板条纹处和非条纹处的化学成分，可见条纹处和非条纹处的化学成分无明显差别。

表1 NM400钢条纹处和非条纹处的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions of the striped and non-striped area of the quenched NM400 steel (mass fraction，%)

图2为NM400钢淬火板条纹处异常显微组织和沿厚度方向的布氏硬度测量结果，可以看出，条纹处异常组织厚度为1.2～1.3 mm，而硬度不达标的深度约为1.2 mm，距表层约1.2 mm以下的组织和硬度均趋于正常。

图2 NM400钢板淬火条纹处的显微组织和截面硬度分布Fig.2 Microstructure and hardness distribution in cross-section of the striped area of the quenched NM400 plate

图3 NM400钢板淬火板条纹处距表面不同深度位置的显微组织Fig.3 Microstructure at different depth from surface of the striped area of the quenched NM400 plate(a) 0.3 mm； (b) 0.6 mm； (c) 1.2 mm； (d) 1.3 mm

图3为NM400钢淬火板条纹处的截面显微组织。可以看出，钢板由表面至厚度方向1.3 mm处的组织变化为铁素体+贝氏体→贝氏体→贝氏体+马氏体→马氏体。

2.2 淬火条纹形成机理

根据化学成分、截面硬度和显微组织分析可知，NM400钢淬火板的组织异常是出现条纹和硬度不均匀的主要原因。结合淬火过程来看，钢板在淬火时首先进入淬火机高压段缝隙式喷嘴，经缝隙式喷嘴水冷后进入淬火机螺旋辊。钢板经缝隙式喷嘴冷却后，如果温度未降到马氏体相变温度以下，则需经螺旋辊进一步冷却至相变结束。螺旋辊由辊环和辊槽组成，如图4所示。辊环阻碍了冷却水与钢板表面的接触和流动，导致辊环处钢板温降慢、冷速小，形成铁素体和贝氏体组织；而辊槽处冷却水继续以较快的速度流动，可使钢板快速冷却至马氏体区完成相变[7]。因此，这种螺旋辊辊环与辊槽相间排布带来的局部冷却能力的差异是造成钢板淬火条纹的主要原因，受到辊速、辊缝等因素的影响，也与钢板在缝隙式喷嘴水冷后的温度有关。

图4 淬火机螺旋辊Fig.4 Spiral rollers of the quenching machine

3 工艺优化及应用

3.1 工艺优化措施

根据钢板淬火条纹形成机理分析可知，钢板淬火条纹的产生是在淬火时经缝隙式喷嘴水冷后进入螺旋辊时因辊环与辊槽的冷却能力不同而产生组织异常造成的，结合生产设备和现行淬火工艺，可从以下几点进行优化改进：

1) 增大淬火机缝隙式喷嘴水流量。薄规格耐磨钢的淬火组织转变主要发生在缝隙式喷嘴水冷过程中，如果缝隙式喷嘴的水流量不足、冷速小，钢板在此阶段冷却过程中未完成马氏体转变，则需进入螺旋辊进一步冷却并发生相变。因此，可通过增大缝隙式喷嘴的水流量，提高钢板在此阶段冷却过程中的冷速，使其完成马氏体转变，避免钢板在进入螺旋辊后的冷却时发生相变进而产生组织异常。据此，结合生产实际验证，将淬火机缝隙式喷嘴水流量由1630 m3/h增加为1750 m3/h。

2) 降低淬火机辊速。淬火机辊速是影响淬火冷速和板形控制的重要因素。淬火辊速大，钢板在缝隙式喷嘴阶段的停留时间短，温降小；淬火机辊速小，钢板在缝隙式喷嘴的停留时间增加，温降大，但同时也延迟了钢板淬火入水时间，降低了入水温度。若淬火机辊速过小，可能造成钢板淬火的入水温度低于Ar3温度，且板形不易控制。结合生产实际验证，将淬火机辊速由30 m/min减小到10 m/min时，既能确保钢板淬火的入水温度高于Ar3温度，又延长了钢板在缝隙式喷嘴阶段的冷却时间，进而增大温降程度，完成马氏体转变。

3) 调整淬火机辊缝。淬火机辊缝可对钢板淬火畸变起到抑制作用。淬火机辊缝小会阻碍螺旋辊辊环处冷却水水流，淬火钢板局部变形倾向增大；淬火机辊缝大，淬火机抑制钢板变形作用减弱，钢板整体变形倾向增大。结合生产实际验证，将淬火机辊缝由0 mm调整为3 mm，既能保证螺旋辊辊环处冷却水的正常流动，又能对淬火钢板变形起到抑制作用。

4) 优化淬火温度。由于淬火机辊速的降低会使钢板淬火时的入水温度降低，因此提高淬火温度有利于控制入水温度高于Ar3温度。结合生产实际验证，将淬火温度由890 ℃调整为910 ℃。

3.2 优化效果

图5为采用优化的淬火工艺对10 mm厚NM400钢板进行淬火后的宏观形貌和截面显微组织，可见钢板表面条纹消除，板形良好，钢板不平度≤1 mm/m，显微组织和硬度分布正常，均满足标准要求。在此淬火工艺优化的基础上，对其它薄规格(6～20 mm厚)耐磨钢的淬火工艺进行微调，效果良好。应用淬火工艺优化生产一批次共计2445块钢板，未发现钢板表面条纹缺陷，板形平整，性能优良。

图5 采用淬火工艺优化后的NM400钢板表面质量和显微组织(a)表面形貌；(b)不平度检测；(c)截面显微组织和硬度分布Fig.5 Surface quality and microstructure of the NM400 plate after the optimized quenching process(a) surface morphology; (b) unevenness detection; (c) microstructure and hardness distribution in cross-section

4 结论

1) NM400钢淬火板表面条纹和硬度不均匀是由于淬火冷却不均匀引起的，即钢板经过缝隙式喷嘴冷却后温度仍高于马氏体转变温度，进入淬火机第一组螺旋辊后，由于辊槽、辊环处水流不均产生较大的冷速差异，进而造成不同位置的组织和性能差异。

2) 通过调整淬火温度和淬火机水流量、辊速、辊缝等参数，解决了淬火板表面条纹和硬度不均匀问题，应用优化的淬火工艺生产的一批次钢板均获得了良好的板形和硬度均匀性。