张 蒙, 吴光亮

(中南大学 资源加工与生物工程学院, 湖南 长沙 410083)

结构材料的失效方式主要有断裂、腐蚀和磨损3种,每年由于磨料磨损造成的损失十分巨大,在冶金矿山、铁路运输、煤炭及农业机械等中,许多钢材都因材料磨损而失效[1-3]。我国在耐磨钢领域的研发较晚,综合性能及稳定性与国外同级别的耐磨钢相比仍有较大差距,目前高级别的耐磨钢板仍主要依赖进口[4]。耐磨材料不仅在硬度上有要求,还需具有较好的可焊性、可塑性和韧性,但高级别的耐磨钢,在提高硬度的同时,韧性会有所降低,影响耐磨钢的性能。

两相区淬火又称临界区淬火、亚温淬火,是指将材料加热到Ac1～Ac3温度范围内并保温一段时间进行淬火的热处理工艺,能够达到提高钢的低温韧性、细化晶粒尺寸等目的[5-6]。目前,较多的研究表明,QLT热处理工艺,即在完全淬火(Q)和回火(T)工序间增加一次两相区淬火(L),通过两相区淬火温度控制马氏体和铁素体体积比例,能够在保证硬度或者强度较小程度降低甚至不变的同时提高韧性[7-8]。本文主要对NM500耐磨钢的QLT工艺进行研究,探讨两相区淬火温度、回火温度对NM500耐磨钢组织演变及力学性能的影响。

1 试验材料与方法

试验材料为国内某钢厂生产的NM500耐磨钢板,厚度为12 mm,其化学成分如表1所示。利用全自动相变仪,采用热膨胀法测定NM500耐磨钢的相变点,Ac3=775 ℃,Ac1=890 ℃,Ms=358 ℃。

表1 NM500耐磨钢的化学成分(质量分数,%)

将试验钢切割成85 mm×70 mm×12 mm的热处理试样,在箱式电阻炉中进行加热,首先加热至940 ℃,保温36 min后水冷;然后在820～880 ℃内进行两相区淬火,保温36 min后水冷,淬火处理后的试样进行显微组织观察及力学性能测试。在两相区淬火温度为870 ℃下进行系列回火温度试验,在200～600 ℃内进行回火处理,保温30 min,空冷。

从不同温度淬火、回火处理后的试验钢上切割金相试样,经过精细打磨、抛光后用体积分数为4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀,用TESCAN MIRA3场发射扫描电镜对试验钢的微观组织进行观察。从不同温度淬火、回火处理后的试验钢上切割10 mm×10 mm×0.3 mm的薄片,分别用400、600、800及1200号砂纸逐级打磨至40 μm左右(期间用游标卡尺不断测量尺寸),在打孔机上将每个试样冲出2～3个φ3 mm的圆薄片,采用双喷电解减薄至100 nm左右后在透射电镜下观察组织的亚结构及析出物。

在热处理之后的试样上沿轧制方向切割标准拉伸试样,标距为20 mm,直径为φ12 mm,在MTS810万能试验机上进行室温拉伸试验,拉伸速度为2 mm/min。在垂直于轧制方向上切割10 mm×10 mm×50 mm的V型冲击试样,并按照GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》,在摆锤冲击试验机进行-40 ℃低温冲击试验。在热处理后的试样上截取尺寸为10 mm×10 mm×12 mm的试样,根据GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验》,在HMV-2T显微硬度试验机上进行硬度测试,试验载荷为980.7 mN,加载保压时间为10 s。

2 试验结果与分析

2.1 两相区淬火温度对显微组织的影响

图1是QL热处理后得到的马氏体-铁素体双相组织。在图1中可知,当淬火温度低于880 ℃时,铁素体含量随淬火温度的升高而逐渐降低,在880 ℃时几乎观察不到铁素体(见图1(d))。试验钢在820 ℃淬火时,马氏体在铁素体上呈不规则的长条状或岛状分布(见图1(a)),马氏体的形态与原奥氏体的形态相关,奥氏体转变程度与两相区加热保温参数有关。当加热温度较低时,奥氏体扩散速度较慢且以晶界扩散为主,所以奥氏体沿铁素体晶界处长大较快,铁素体内部较慢,因此形成了不规则的长条状或岛状奥氏体,进而也使后续转变成的马氏体也呈这种形态分布[9]。当淬火温度升到840 ℃时,铁素体含量降低最为明显,其呈不规则块状或条状与马氏体相间分布(见图1(b)),此时马氏体也为块状。当加热温度升高至860 ℃时,最显著的变化是形成了板条状的马氏体组织,板条束形状不规则,铁素体含量及尺寸也明显减小,在接近全奥氏体化的温度下,可以明显观察到扁平状原奥氏体晶粒内的板条状马氏体(见图1(c))。

图1 不同两相区淬火温度下试验钢的扫描电镜图Fig.1 SEM images of the tested steel quenched at different intercritical quenching temperatures(a) 820 ℃; (b) 840 ℃; (c) 860 ℃; (d) 880 ℃

图2为试验钢在840 ℃两相区淬火后的TEM图像。图2(a, b)显示了QL热处理后得到的马氏体-铁素体双相组织中两种组织的不同结合方式,铁素体和马氏体结合方式的不同必然也会影响试验钢的力学性能。

图2 试验钢在840 ℃两相区淬火后的TEM图Fig.2 TEM images of the tested steel after intercritical quenching at 840 ℃

2.2 两相区淬火温度对力学性能的影响

试验钢在不同两相区淬火温度下得到的力学性能如图3所示。从图3可以看出,当淬火温度在820～880 ℃之间时,随着淬火温度的升高,抗拉强度从1283 MPa升至1673 MPa,屈服强度从995 MPa升至1266 MPa,硬度从350.9 HV0.1升高至510.3 HV0.1,-40 ℃冲击吸收能量从67 J降低至33 J,断后伸长率在11%～16%之间。在变化趋势上,在820～860 ℃之间强度和硬度增加最快,当淬火温度超过860 ℃后,其增加趋势变得平缓,在韧塑性上的变化与强度和硬度相反。

图3 两相区淬火温度对试验钢力学性能的影响(a)抗拉强度和屈服强度;(b)硬度;(c)伸长率;(d)冲击吸收能量(-40 ℃)Fig.3 Effect of intercritical quenching temperature on mechanical properties of the tested steel(a) tensile strength and yield strength; (b) hardness; (c) elongation; (d) impact absorbed energy (-40 ℃)

当试验钢的成分一定时,钢的力学性能主要由其组织决定,包括组织的形态、分布状态和体积分数等。在两相区淬火过程中,试验钢的力学性能受加热温度的影响较大:随着加热温度的升高,新生奥氏体的含量逐渐增加,铁素体的含量相对减少,在后续的冷却过程中奥氏体逐渐转变成马氏体,未转变铁素体则被保留下来,从而形成了马氏体-铁素体双相钢。马氏体-铁素体双相钢的屈服强度主要由软相铁素体决定,而抗拉强度主要取决于两相的强度和体积分数占比。双相钢的抗拉强度可由下式表示[10]:

(1)

式中:Rm0为混合组织的强度;Rmf、Rm为分别指铁素体和马氏体的强度;Vf为保留的铁素体的体积分数。

当试验钢成分一定时,钢中马氏体和铁素体的强度也是确定的。因此,由式(1)可以看出,马氏体-铁素体双相钢最终的抗拉强度与其组织中被保留的铁素体体积分数紧密相关,这与上述两相区淬火加热过程中强度变化趋势一致。

2.3 回火温度对显微组织的影响

图4为试验钢在两相区淬火温度为870 ℃下,经过不同温度回火处理后得到的显微组织。当回火温度为200 ℃时,板条结构清晰明锐,马氏体与铁素体界面清晰(见图4(a))。当回火温度增加至300 ℃时,此时板条结构已经模糊,扫描电镜照片上可以观察到铁素体边界处白色且明亮的区域(见图4(b)),说明富碳马氏体中的碳原子开始向铁素体边界扩散,马氏体已经开始分解。图4(c)为回火温度为400 ℃的微观形貌,扫描照片中依然可以看到板条结构,与300 ℃相比,明亮区域增加,在原奥氏体晶界内有碳化物的析出。当回火温度继续升高到500 ℃时,在图4(d)中可以看出,板条结构已经很模糊,马氏体发生分解,生成许多碳化物颗粒,并且尺寸较大,弥散分布在原始奥氏体晶界内及铁素体边界处。600 ℃高温回火时,马氏体基本已经分解完成,几乎观察不到板条结构,析出物颗粒已经扩散到原始奥氏体晶界及铁素体边界处(见图4(e)),基体内碳化物变少。

图4 870 ℃两相区淬火不同回火温度下试验钢的扫描电镜图Fig.4 SEM images of the tested steel intercritical quenched at 870 ℃ and tempered at different temperatures(a) 200 ℃; (b) 300 ℃; (c) 400 ℃; (d) 500 ℃; (e) 600 ℃

图5为试验钢在200、500 ℃回火后的TEM图像。从图5中可以看出,在200 ℃回火温度下,马氏体板条结构一般不发生明显变化,图5(a)中可以看到清晰的板条结构,板条内部存在大量位错。此外,在板条间存在许多残留奥氏体薄膜,残留奥氏体的分布位置如图5(a)中箭头所示。板条马氏体中存在稳定的残留奥氏体能改善试验钢的力学性能,主要是因为残留奥氏体能阻止板条马氏体间裂纹的扩散,并且可以减缓由板条紧密排列而引起的位错端应力集中。图5(b)显示,在500 ℃回火温度下,残留奥氏体分解,马氏体分解程度加重,板条结构模糊,但仍可以观察到板条界。

2.4 回火温度对力学性能的影响

试验钢在不同回火温度下得到的力学性能如图6所示。从图6中可以看出,在回火过程中硬度逐渐降低,而韧性先降低后升高。当回火温度从200 ℃升至600 ℃,硬度从503 HV0.1降低至330 HV0.1。回火温度从200 ℃升至400 ℃时,低温冲击吸收能量从49 J缓慢下降至34.3 J,抗拉强度从1617.9 MPa降至1499.3 MPa;回火温度继续升高至500 ℃,低温冲击吸收能量增加至110.6 J,抗拉强度下降至1254.5 MPa。试验钢的抗拉强度主要与组织中硬相马氏体有关。在回火过程中,马氏体会首先发生回复及多边形化,当回火温度继续升高时,马氏体中的碳原子扩散、偏聚、重新分布,位错密度会降低,板条结构逐渐消失,最终会发生马氏体的脱溶分解,因此随着回火温度的升高抗拉强度逐渐下降。

在回火温度低于400 ℃时,屈服强度从1289.9 MPa缓慢升高至1330.9 MPa;当回火温度高于400 ℃时,屈服强度开始下降,在回火温度为600 ℃时,屈服强度降至1063 MPa。屈服强度发生这种变化规律的原因为:含有过饱和碳的硬相淬火态马氏体会发生晶格畸变,同时马氏体切变也会产生体积和形态的变化,其与软相铁素体相互作用时会产生大量位错。在低应力下,这些位错就可以发生移动,当回火温度升高时,许多位错会消失或者重新排列,位错密度会减小[11],此时屈服强度会先升高,但随着回火温度继续升高,淬火内应力逐渐消除,马氏体发生回复再结晶等,会消除组织内的晶体缺陷等,会使屈服强度大幅下降。经上述分析,试验钢达到良好强韧性匹配的回火温度区间为200～250 ℃。

3 结论

1) 当两相区淬火温度在820～880 ℃区间内时,NM500耐磨钢为马氏体-铁素体双相组织,随淬火温度的升高,铁素体含量逐渐降低,马氏体含量逐渐增加。

2) 当两相区淬火温度由820 ℃上升到880 ℃,硬相马氏体的逐渐增多,也使试验钢的强度和硬度随淬火温度的升高而提高。韧性的变化与强度和硬度相反,当淬火温度从820 ℃升至880 ℃时,因软相铁素体逐渐减少,-40 ℃冲击吸收能量从67 J降低至33 J。

3) NM500耐磨钢QLT工艺的回火过程中,随着回火温度的升高马氏体及残留奥氏体逐渐分解,碳化物析出增加并且粗化,当回火温度升高到600 ℃时,马氏体分解基本完成。

4) NM500耐磨钢在870 ℃两相区淬火下,在200～600 ℃内回火,随回火温度的升高,NM500耐磨钢的硬度、抗拉强度逐渐降低,而韧性先降低后提高。在200～250 ℃范围内回火,有利于试验钢得到较好的强韧性匹配。在200 ℃回火温度下,试验钢的抗拉强度为1617.9 MPa,屈服强度为1289.9 MPa,硬度为503.3 HV0.1,-40 ℃冲击吸收能量为49 J。