热处理工艺对NM600耐磨钢板组织性能的影响

汪孪祥，宋仁伯，温二丁，张 新

（北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100083）

热处理工艺对NM600耐磨钢板组织性能的影响

汪孪祥，宋仁伯，温二丁，张 新

（北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100083）

为了提高NM600耐磨钢应用于恶劣工况下的耐磨性能，通过正交试验研究各热处理参数，包括淬火温度、淬火保温时间、回火温度、回火保温时间等，对于试验钢组织性能的影响。结果表明，回火温度是抗拉强度、屈服强度、冲击功、布氏硬度最主要的影响因素。随着回火温度升高，伸长率先小幅上升再缓慢下降，抗拉强度、屈服强度、冲击功和布氏硬度均呈下降趋势。试验钢热处理后的微观组织主要是板条马氏体、还有少量的残余奥氏体和碳化物。确定了最佳热处理工艺为：在860℃淬火保温30 min，200℃回火保温60 min。所获得的最优工艺性能为：抗拉强度1 956.2 MPa、屈服强度1 566.7 MPa、伸长率12.7%、-20℃冲击功19.2 J、布氏硬度576.5 HB。

NM600耐磨钢；正交试验；最佳热处理工艺

耐磨钢作为一种抗磨损性能较高的材料，目前已经被广泛应用于矿山、铁路和冶金等工况恶劣的场合。根据相关统计，工件磨损每年给中国造成的经济损失高达400亿元，因此从经济发展的角度来看，耐磨钢的研究具有重要意义［1］。近些年来，国内企业在耐磨钢方面的技术进步得到了很大发展，但是国内生产的耐磨钢强度级别较低，400HB以上强度级别耐磨钢还主要依赖进口［2-3］。在高强度耐磨钢领域的竞争中，我国还是远远逊于欧美等国。早期使用的耐磨钢多为高锰钢，但是高锰钢在应用中存在很大的局限性：当冲击载荷较小时，其耐磨性无法得到有效地提高［4］。近些年来，低合金耐磨钢［5］得到了较为广泛的应用，为机械等行业所认可。低合金耐磨钢通常在合金化后通过淬火与低温回火获得马氏体组织，具有硬度高、焊接性能好等特点，其耐磨性能的提高使得其使用寿命是传统结构钢板的数倍。

针对这种现状，本文通过正交试验，研究热处理参数对于实验室自制NM600耐磨钢组织性能的影响，探索提升耐磨钢板综合性能的方法，为新钢种的开发提供理论依据。

1 试验材料

试验用钢取自实验室自制的NM600耐磨钢板，其化学成分为：w(C)=0.33%，w(Si)=0.55%，w(Mn)=1.10%，w(Cr)=1.10%，w(B)=0.001 7%，w(Mo)=0.46%。该耐磨钢经成分设计后，经电磁感应炉冶炼，在锻造之后，再经热轧3道次后得到厚度为11 mm的钢板，从中切取58 mm×52 mm× 11 mm的方块状试样。

2 试验方法

实验的热处理采用SX-G07102型节能箱式电炉加热及保温。

设计了四因素三水平的正交试验，选定的试验因素分别为淬火温度（用A表示）、淬火保温时间（用B表示）、回火温度（用C表示）以及回火保温时间（用D表示）。根据材料的临界相变点温度（844.7℃）及材料厚度设定淬火温度和淬火保温时间，参考文献资料［6］及以往研究基础，设定回火温度和回火保温时间。正交试验［7］的因素及水平如表1所示，按照正交表L9（34）安排实验。

表1 正交试验方案Tab.1 Orthogonal experiments scheme

根据GB/T 2975-1998标准，对热处理后的试样取样加工成M6拉伸试样，在CMT-4105微控电子万能试验机上进行拉伸试验；根据GB2106-80标准取样加工成尺寸规格为10 mm×10 mm×55 mm的标准冲击试样，采用V型缺口，在ZBC2452-B摆锤式冲击试验机上-20℃温度下进行冲击试验；使用U900多功能硬度计对试样进行硬度测量，试验力为约1.839 kN；切取尺寸规格为10 mm× 10 mm×10 mm的金相试样，经4%硝酸酒精侵蚀后在Zeiss Axio Scope.A1光学显微镜下观察；用Quanta FEG 450热场发射环境扫描电子显微镜对试样断口形貌进行观察及拍照。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

通过拉伸试验、冲击试验和硬度测量，得到NM600耐磨钢的力学性能，具体如表2所示。

表2 热处理后试验钢的力学性能Tab.2 Mechanical properties of test steel after heat treatment

3.2 极差分析

根据试验结果，分别计算4个热处理参数对各力学性能在不同水平下的平均值及极差，分析各热处理参数对NM600耐磨钢力学性能的影响，结果如表3所示。表中K1，K2，K3以及R分别表示各因素在水平1、水平2及水平3时对应的各性能的平均值及其极差。

对正交试验数据进行极差分析，由此得到各因素对抗拉强度的影响程度大小排序为：C＞D＞A＞B；对屈服强度的影响程度大小排序为：C＞A＞B＞D；对冲击功的影响程度大小排序为：C＞B＞A＞D；对布氏硬度的影响程度大小排序为：C＞D＞B＞A；对伸长率的影响程度大小排序为：D＞B＞A＞C。

从以上分析可以看出，对抗拉强度、屈服强度、冲击功、布氏硬度影响最大的因素均为回火温度，影响水平分别为1 54.1 MPa、82.2 MPa、6.7 J、49.7 HB；而对伸长率影响最大的因素是回火保温时间，影响水平为0.6%。

表3 正交试验极差分析Tab.3 Range analysis of orthogonal experiments

依据表2作图1，具体分析在试验水平范围各热处理参数对试验钢性能的影响规律。在淬火温度从860℃上升到940℃过程中，抗拉强度、屈服强度和布氏硬度均一直下降到最低值后有部分回升，伸长率缓慢下降，而冲击功则是呈上升趋势并逐渐趋缓。在淬火温度从860℃上升到940℃过程中，组织中的各碳化物稳定性有一定程度下降，随着温度升高其慢慢分解，碳元素等逐渐溶解在奥氏体基体中，达到固溶强化作用；与此同时，晶粒也由于淬火温度的升高而长大过快，从而引起了热处理后的马氏体组织粗大，导致试验钢强度的下降。在两种机理相互作用下，强度呈现先下降后上升的趋势。同时，锰、硅等合金元素的存在降低了Ms点，提高了淬火后耐磨钢中的残余奥氏体含量，考虑到残余奥氏体的存在可以缓冲应力集中并抑制裂纹扩展［8］，因此冲击功呈上升趋势。

在淬火保温时间从30 min上升到90 min过程中，屈服强度、布氏硬度和伸长率都是一直呈下降趋势，抗拉强度先小幅回升到后剧烈下降，而冲击功则是先上升到一个最大值后再呈一定下降趋势。淬火保温时间对性能的影响与淬火温度类似。

在回火温度从200℃上升到300℃过程中，伸长率先小幅上升再缓慢下降，抗拉强度、屈服强度、冲击功和布氏硬度一直呈下降趋势并逐渐趋缓。回火温度的升高引起原子活动能力的增强，导致部分元素从α固溶体中析出，固溶强化效应下降，从而引起试验钢强度降低［9］；至于试验钢韧塑性的下降，则可能与合金碳化物的聚集长大减弱位错运动的阻碍作用有关。综合作用下，随着回火温度的升高，材料的各项性能都呈一定程度的下降趋势。

图1 热处理参数对力学性能的影响Fig.1 Effects of heat treatment parameters on mechanical properties

在回火保温时间从60 min上升到120 min过程中，抗拉强度、屈服强度和伸长率呈一直下降趋势，布氏硬度剧烈下降后有小幅回升，冲击功上升到一个最大值后再剧烈下降。冲击功在开始阶段的上升，可能与硬度下降、基体组织软化导致的冲击吸收功增大有关。

3.3 显微组织和断口形貌

图2所示的是试验钢热处理后经4%硝酸酒精处理后的微观组织金相照片。可以看出试验钢的微观组织主要是板条马氏体、还有少量的残余奥氏体和碳化物。照片中均匀细小的黑色条状组织即为马氏体，马氏体板条之间的少量白色部分为残余奥氏体，而一些光滑的黑色的区域则是聚集的碳化物。

由图3观察可知，试验钢在-20℃的冲击断口微观形貌为准解理断裂形貌，即介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种断裂形貌。断口形貌包括很多平坦的“类解理”小平面、微孔及条状撕裂棱，同时断口中还有比较典型的河流花样以及一些浅而小的韧窝。准解理断口是一种基本上属于脆性断裂范围的微观断口，因此可知试验钢的韧塑性不是很好。同时发现断口中还有很多粒状的夹杂物（第二相粒子），可能导致位错塞积，降低材料的韧塑性。

3.4 最佳热处理工艺确定

根据前面分析可知，在淬火温度（A）、淬火保温时间（B）和回火保温时间（D）变化时，抗拉强度、屈服强度、布氏硬度和伸长率这四种性能的变化趋势与冲击功的变化趋势相反：前四者总体都呈下降趋势，且在最开始时得到最大值；而冲击功呈先上升再下降趋势，且在中间时获得最大值。考虑到对于耐磨钢而言，优良的强度和硬度性能更为重要，且冲击功大小变化不超过2 J，所以最佳的淬火温度、淬火保温时间和回火保温时间选择860℃、30 min、60 min。而随着回火保温时间（C）的增加，除了伸长率呈小幅的上升然后下降趋势外，其他的力学性能都总体呈下降趋势，且在最开始时获得最大值，所以最佳温度选择200℃。因此，由正交试验得到的最佳热处理工艺为：在860℃淬火保温30 min，然后在200℃回火保温60 min。

图2 试验钢显微组织Fig.2 Microstructure of test steel

图3 试验钢-20℃冲击断口微观形貌Fig.3 Micro-morphology of impact fracture at-20℃

但是，由此分析得到的最佳热处理工艺所对应的工艺参数正是试验表中的第一组试验的参数，并且其中的860℃、30 min、200℃、60 min等都是各自三水平中的最低水平。当在这个组合下得到了本试验的最佳性能时，需要考虑的是如果其中各水平的一个或者若干个水平继续下降，试验钢的力学性能是否会有所提高。当然，考虑到对于整体性能影响最大的是回火温度，并且淬火时间对于性能也有不小的影响；因此，仅选取回火温度和淬火温度作为变量（淬火保温时间和回火保温时间保持恒定），补充一个后续实验继续进行探讨，具体方案如表4所示。

表4 补充试验方案Tab.4 Supplementary experimental

实验方案制定后，根据前面进行的实验步骤，对试验钢进行热处理，并通过拉伸实验、冲击试验和硬度测量得到其力学性能如表5所示。

通过与前面正交试验得到的最佳热处理工艺对比可知：仅当淬火温度降低到820℃时，试验钢除冲击功略微上升外其他各力学性能均有小幅下降；仅当回火温度下降到150℃时，抗拉强度和屈服强度上下轻微浮动，硬度上升明显，伸长率有一定程度下降，冲击功剧烈下降，冲击性能急剧恶化；当保持其他参数水平不变、淬火温度降低到820℃并且回火温度下降到150℃时，抗拉强度、屈服强度、硬度变化不大，伸长率和冲击韧性都下降明显，塑韧性能恶化。

综上可知，以上三组试验钢的综合力学性能在原来试验基础上没有提高。因此，对本研究而言，在考虑补充的后续实验的基础上，能够得到最佳热处理工艺仍然是：在860℃淬火保温30 min，然后在200℃回火保温60 min。在最佳热处理工艺下，所获得的最优工艺性能为：抗拉强度1 956.2 MPa、屈服强度1 566.7 MPa、伸长率12.7%、-20℃冲击功19.2 J、布氏硬度576.5 HB。

据新余钢铁集团提供的资料显示：新余NM500耐磨钢的力学性能为抗拉强度1 741.7 MPa、屈服强度1 292.8 MPa、延伸率9.1%、冲击功19.1 J、布氏硬度513.7 MPa。通过对比可知：本试验钢经热处理后的最优力学性能比新余NM500的力学性能在强度和硬度方面有着较大的提高。

4 结论

（1）对抗拉强度、屈服强度、冲击功、布氏硬度影响最大的因素均为回火温度，影响水平分别为154.1 MPa、82.2 MPa、6.7 J、49.7 HB；而对伸长率影响最大的因素是回火保温时间，影响水平为0.6%。

（2）随着淬火温度升高，抗拉强度、屈服强度和布氏硬度均先下降再小幅回升，伸长率逐渐下降，冲击功逐渐增大；随着淬火保温时间延长，屈服强度、布氏硬度和伸长率均呈下降趋势，抗拉强度先小幅上升再明显下降，冲击功先上升再下降；随着回火温度升高，伸长率先小幅上升再缓慢下降，抗拉强度、屈服强度、冲击功和布氏硬度均呈下降趋势；随着回火保温延长，抗拉强度、屈服强度和伸长率均呈下降趋势，布氏硬度先明显下降再小幅回升，冲击功先上升再明显下降。

表5 补充实验试验钢力学性能Tab.5 Mechanical properties of supplementary experimental

（3）试验钢热处理后的微观组织主要是板条马氏体、还有少量的残余奥氏体和碳化物。试验钢在-20℃的冲击断口微观形貌为准解理断裂形貌。

（4）最佳热处理工艺为：在860℃淬火保温30 min，然后在200℃回火保温60 min。在最佳热处理工艺下，所获得的最优工艺性能为：抗拉强度1 956.2 MPa、屈服强度1 566.7 MPa、伸长率12.7%、-20℃冲击功19.2 J、布氏硬度576.5 HB。

［1］刘伟建，李晶，霍向东高强度低合金耐磨钢NM400的强韧化机制［J］.钢铁研究学报，2014，26（7）：77-82.

［2］张宇斌，秦洁高强度耐磨钢板的生产现状及发展［J］.世界钢铁，2009（6）：23-26.

［3］曹艺.一种高强低合金NM400耐磨钢板的成分设计及工艺研究［D］.沈阳：东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，2009.

［4］王彦凤，邱常明，张贵杰.耐磨钢的发展及技术进步［J］.河北冶金，2007，18（5）：1-4.

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［6］吕超.中碳低合金耐磨钢成分及热处理工艺的研究［D］.内蒙古：内蒙古科技大学材料与冶金学院，2014.

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Effects of heat treatment process on microstructure and mechanical properties of NM600 wear resistant steel plate

WANG Luanxiang，SONG Renbo，WEN Erding，ZHANG Xin

（School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

Wear resistant steel is a kind of wear resistant material used in harsh condition.In this study，the effect of each heat treatment parameter including quenching temperature，quenching time，tempering temperature，tempering time on microstructure and mechanical properties were investigated by orthogonal experiment.The results show that tempering temperature is the most significant factor to affect the tensile strength，yield strength，impact energy and hardness of the steel.With the tempering temperature increasing，the elongation has a slight increase before decreasing slowly，and the tensile strength，yield strength，impact energy and hardness show a downward trend.The microstructure of the test steel is mainly the martensite，and a small amount of retained austenite and carbide.The best heat treatment process is:quenching at 860℃and preserve for 30 min，then tempering at 200℃and preserve for 60 min.With this optimized process，the best properties were obtained:the tensile strength of 1 956.2 MPa，the yield strength of 1 566.7 MPa，the elongation of 12.7%，the impact energy(-20℃)of 19.2 J，the hardness of 576.5HB.

NM600 wear resistant steel；orthogonal test；best heat treatment process

October 17，2016）

TG143.2

A

1674-1048（2017）01-0053-07

10.13988/j.ustl.2017.01.011

2016-10-17。

汪孪祥（1993—），男，安徽安庆人。

宋仁伯（1970—），男，辽宁鞍山人，教授。