热处理工艺对厚规格NM450耐磨钢板组织和性能的影响

黄 军 李经涛 吴建鹏 李晨潇

（江阴兴澄特种钢铁有限公司）

0 引言

低合金耐磨钢板作为一种抗耐磨性能较高的钢铁材料，目前已经被广泛应用于矿山、铁路和冶金等环境恶劣的工作场合，其除了耐磨性能较高外，还具有强度高、韧性好、可焊接性强等特点。目前国内生产的低合金耐磨钢板主要集中在NM450及以下级别，其中NM450钢板的使用量占据了相当大的市场份额。在各大钢铁企业中，虽然TMCP技术已经广泛应用于低合金高强度钢的生产中，但是对耐磨钢这种硬度均匀性要求高的关键结构件用钢板来说，离线热处理仍然不可替代[1-2]。因此，研究热处理工艺对耐磨钢板组织和性能的影响具有重要的意义，笔者研究了不同淬火介质以及不同回火工艺对 40mm厚NM450 钢板试样微观组织、硬度、拉伸性能和冲击性能的影响，以期为我国低合金耐磨钢板的生产和应用提供参考。

1 试验材料及过程

试验材料选自国内某钢铁厂生产的40 mm NM450钢板，材料的状态为热轧态，其化学成分满足GB/T 24186—2009《工程机械用高强度耐磨钢板》的规定，且碳当量≤0.59，标准成分要求和钢板的主要成分范围见表1。NM450钢板的力学性能：通常要求抗拉强度≥1 250 MPa，断后伸长率≥7%，-20 ℃纵向V型冲击功≥24 J，表面布式硬度为420～480 HBW。

表1 NM450钢板的化学成分

试验过程：在40 mm热轧钢板上沿着宽度方向取18块试样，每块试样的尺寸为40 mm×400 mm×200 mm，将试样平均分为两组，每组9块，两组试样均按照“加热温度900 ℃，保温时间90 min”的工艺在实验室用箱式电炉进行加热，然后分别利用水槽和油槽对两组试样进行淬火处理，冷却至室温。从两组试样中各取一块淬火试样，对其组织和性能进行检验。剩余试样继续进行回火试验，回火温度均为150 ℃、180 ℃、210 ℃、240 ℃、270 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃，保温时间统一为200 min，出炉后空冷至室温。

试样按照国家标准进行加工、检验，金相试样经研磨抛光以及4%的硝酸酒精腐蚀后，用金相显微镜Axio Observer和JSM-6700扫描电镜（SEM）对其金相组织进行观察；参照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》在SHT-4605电液伺服万能试验机检验其拉伸性能；按照GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，利用ZBC2452-B摆锤式冲击试验机检验试样-20 ℃ V型缺口的冲击性能，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm；利用BH3000布式硬度计和FM-300显微硬度机检测试样的硬度。

2 试验结果及讨论

2.1 淬火试样的性能与组织分析

2.1.1 淬火试样的力学性能分析

NM450钢板试样分别进行水冷和油冷后的力学性能检验结果见表2。

表2 NM450试样淬火后的性能

从表2可以看出，水冷钢板试样的抗拉强度和表面硬度略高于油冷试样，二者的-20 ℃纵向冲击吸收能量和芯部硬度存在较大差异，水冷试样的-20 ℃冲击功的平均值为84 J，而油冷试样的-20℃冲击功的平均值为67 J，经两种介质冷却的淬火试样的芯部布氏硬度差距达到73 HBW。

由于布氏硬度检验点的面积较大且检验点距离较远，为进一步准确了解淬火试样的显微组织硬度，利用FM-300显微硬度机对试样的截面洛氏硬度进行了检验。检验位置从距离表面0.25 mm起至试样厚度1/2处，每个试样检验41个点，每两点之间的距离为0.5 mm，两块淬火试样的检验结果如图1所示。

图1 两种冷却介质淬火的NM450试样截面硬度

从图1可以看出，在距离表面0.25 mm的检验点的硬度均显著较低，这是由于受表面脱碳的影响，除第一个检验点外，水冷淬火试样的截面硬度较为均匀，且总体硬度水平高于油冷淬火试样的，而油冷淬火试样靠近厚度1/2处的硬度值波动较大，在距离试样表面14.25～20.25 mm之间的最大硬度差为7.8 HRC。

2.1.2 淬火试样的金相组织

水冷试样和油冷试样的金相组织如图2所示。

图2 NM450试样水冷和油冷后的金相组织（200倍）

从图2可以看出，NM450水冷试样近表面与厚度1/2处的组织均以马氏体为主，其中近表面金相组织存在少量残余奥氏体，厚度1/2处除了存在少量的残余奥氏体外，还有少量的贝氏体；油冷试样近表面组织与水冷试样的基本一致，也是马氏体+少量的残余奥氏体组织，而厚度1/2处的组织与水冷试样相比则差异较大，油冷试样厚度1/2处的组织以贝氏体+马氏体为主，其中贝氏体含量接近50%。

2.2 淬火+回火试样的性能与组织分析

2.2.1 淬火+回火试样的力学性能分析

分别对40mm厚NM450 水冷和油冷试样进行一系列不同回火温度热处理，处理后的性能分别见表 3 和表 4。

表3 NM450水冷试样回火后的性能

表4 NM450油冷试样回火后性能

从表3可以看出，水冷试样在150～400 ℃回火后的抗拉强度均大于1 250 MPa，满足国标要求，其中在150～240 ℃回火时的强度在1 400 MPa以上；断后伸长率无明显的变化规律，但均能够满足国标要求；硬度方面除了400 ℃回火时的表面硬度不能满足要求外，其他回火试样的表面硬度均在国标要求的范围内，其中在150～180 ℃回火时，表面硬度接近标准范围上限，而在350 ℃回火时，表面硬度接近标准范围下限且芯部硬度小于420 HBW；回火试样的-20 ℃纵向冲击吸收能量变化情况如图3所示，总体呈现下降趋势，但是均在24 J以上，在150～240 ℃回火时，冲击吸收能量大于70 J在270 ℃及以上温度回火时，冲击吸收能量逐步下降，小于60 J。

从表4可以看出，油冷试样在不同温度回火后的抗拉强度、-20 ℃ V型纵向冲击吸收能量以及硬度的变化规律与水冷回火试样基本保持一致，总体呈现随着回火温度的升高而下降的趋势。在150～350 ℃回火时，油冷试样的抗拉强度能够满足国标要求，其中在150～210 ℃回火时，试样的抗拉强度保持在1 400 MPa及以上；试样的断后伸长率在150～400 ℃回火时均能够满足国标要求，但无明显的变化规律；所有试样的表面硬度与芯部硬度的差异明显，芯部硬度均不能达到420 HBW，在150～300 ℃回火时，试样的表面硬度能够满足国标要求，而在270 ℃和300 ℃回火时，试样的表面硬度接近国标要求的下限；油冷试样在不同温度回火后的-20 ℃纵向冲击吸收能量变化如图3所示，材料的冲击平均值均低于同等温度回火的水冷试样的检验值，在270 ℃及以上温度回火时，油冷试样的冲击吸收能量均出现明显的下降，当回火温度为400 ℃时，冲击结果不能满足国标要求。

图3 不同温度回火后NM450水冷和油冷试样的冲击吸收能量

2.2.2 淬火+回火试样的金相组织

对水冷和油冷试样回火后的组织进行分析，NM450水冷试样在150 ℃、240 ℃、300 ℃和400 ℃回火后芯部的组织如图4所示，NM450油冷试样不同温度回火后的芯部组织如图5所示。

图4 NM450水冷试样不同温度回火后组织（500倍）

图5 NM450油冷试样不同温度回火后组织（500倍）

从图4可以看出，水冷试样在150 ℃回火后，组织变化不明显；在240 ℃回火后，部分马氏体出现分解，并伴有少量的碳化物析出；在300 ℃回火后，马氏体进一步分解，碳化物颗粒增多并明显长大；在400 ℃回火后，马氏体组织分解得更加完全，基体组织比较均匀，回火马氏体上呈现大量的粗化碳化物。

从图5可以看出，油冷试样在150 ℃回火后，组织与淬火态基本一致；随着回火温度的升高，马氏体组织与水冷试样相同温度回火时的变化基本一致，马氏体板条逐渐分解，边界变得模糊，点状碳化物的析出量逐渐增多；贝氏体组织随着回火温度的升高，基体上的黑色碳化物逐渐聚集，铁素体基体组织愈发清晰。

随着回火温度的升高，淬火组织中原子扩散速度加快，碳化物从马氏体中析出并长大，贝氏体中的碳化物逐渐聚集，使得试样的抗拉强度、硬度和-20 ℃冲击韧性逐渐下降，特别是在270 ℃及以上温度回火时，冲击韧性出现了明显下降。不同温度回火后NM450水冷试样近表面的微结构如图6所示。

图6 不同温度回火后NM450水冷试样近表面的微结构（2 000倍）

从图6可以看出，水冷试样在150 ℃回火时，碳化物的析出量较少，性能变化不明显；随着回火温度逐渐升高至400 ℃时，碳化物的析出量增多，导致材料的固溶强化效果降低，碳化物聚集长大则削弱了沉淀强化的作用，抗拉强度等性能呈现明显的下降趋势。

回火导致材料淬火组织转变是导致抗拉强度、硬度以及-20 ℃冲击韧性降低的主要因素，马氏体回火的实质是其组织的分解以及亚结构恢复的过程，回火温度较低时，材料淬火时产生的淬火应力逐渐释放，同时马氏体分解并析出少量的Ɛ碳化物，马氏体中的碳浓度略微下降，导致材料的抗拉强度和硬度稍有下降，由于低温回火组织中的残余奥氏体未大量发生分解，所以-20 ℃冲击韧性变化不大；随着回火温度的升高，残余奥氏体分解，Ɛ碳化物的析出速率加快，逐渐转变形成小的碳化物颗粒，小尺寸碳化物颗粒依附在大尺寸碳化物上，导致材料的冲击韧性降低，回火脆性逐渐增强，碳化物的析出除了能降低马氏体中的C含量，还使得Cr、Mo等固溶强化合金元素的含量下降，从而导致材料的硬度和抗拉强度下降[3]。

3 结论

（1） NM450钢板试样在加热至900 ℃并保温一定的时间后，分别经水冷和油冷冷却至室温，试样的表面硬度、抗拉强度以及断后伸长率均能够满足国标要求。水冷试样的组织较均匀，表面主要为马氏体组织，芯部主要为马氏体组织并含有少量贝氏体组织；油冷试样组织的差异较大，表面主要为马氏体组织，芯部为贝氏体+马氏体组织。

（2）油冷淬火试样的表面与芯部的组织差异明显，导致其表面与芯部的布式硬度值的差距也较大，达到近60 HBW，显微硬度显示试样距离表面14 mm左右时，硬度波动较大。

（3）油冷淬火试样在不同温度回火后的抗拉强度、-20 ℃ V型纵向冲击吸收能量值以及硬度均较同工艺回火的水冷试样低，但是二者的变化规律基本保持一致，总体呈现随着回火温度的升高而下降的趋势，断后伸长率无明显的变化规律。

（4）回火温度在150～240 ℃时，水冷和油冷淬火试样的性能均保持在较好水平，当在270 ℃及以上温度回火时，-20 ℃ V型纵向冲击吸收能量值出现明显的转折下降。水冷试样在150～240 ℃回火时，抗拉强度保持在1 400 MPa及 以 上，表 面 硬 度460～474 HBW，-20 ℃V型纵向冲击吸收能量值≥76 J；油冷试样在150～240 ℃回火时，抗拉强度保持在1 380 MPa及以上，表面硬度448～462 HBW，-20 ℃ V型纵向冲击吸收能量值≥55 J。