準(zhǔn)貝氏體高強(qiáng)耐磨鋼的開(kāi)發(fā)和工藝研究 - 圖文-

1、準(zhǔn)貝氏體高強(qiáng)耐磨鋼的開(kāi)發(fā)和工藝研究葛兵1.2宋波1(1北京科技大學(xué);2舞陽(yáng)鋼鐵有限責(zé)任公司摘要研究在典型貝氏體鋼的成分基礎(chǔ)上加入阻止碳化物析出的元素S i,開(kāi)發(fā)出以貝氏體鐵素體(B F和殘余奧氏體(A R組成的準(zhǔn)貝氏體組織的高強(qiáng)耐磨鋼,在適當(dāng)?shù)墓に囅落摪蹇色@得最佳的綜合性能,具有良好的強(qiáng)韌性、耐磨性和焊接性。關(guān)鍵詞準(zhǔn)貝氏體典型貝氏體貝氏體鐵素體殘余奧氏體耐磨性D e v e l o p m e n t a n dP r o c e s s S t u d y o f Q u a s i-b a i n t i cH i g hS t r e n g t hWe a r-r e s i s t

2、a n t S t e e lG e B i n g1.2a n dS o n gB o1(1B e i j i n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y;2Wu y a n gI r o na n dS t e e l C o.L t dA b s t r a c t T h e s t u d yi s t h a t b a s e do nt h e c o m p o s i t i o no f t y p i c a l b a i n i t i c s t e e l,e l e m e

3、n t S i i s a d d e d,w h i c h i n h i b i t s p r e c i p i t a t i o no f c a r b i d e,h i g hs t r e n g t hw e a r-r e s i s t a n t s t e e l i s d e v e l o p e d,w h i c hc o n t a i n s q u a s i-b a i n i t i c s t r u c t u r e c o n s i s t i n go f b a i n i t i c f e r r i t e(B Fa n

4、d r e s i d u a l a u s t e n i t e.Wi t hp r o p e r p r o c e s s,t h e p l a t e c a np o s s e s s o p-t i m u m c o m b i n e dp r o p e r t i e s,e x c e l l e n t s t r e n g t ha n dt o u g h n e s s,w e a r r e s i s t a n c e,We l d a b i l i t y.K e y w o r d s Q u a s i-b a i n i t e,T y

5、 p i c a l B a i n i t e,B a i n i t i c f e r r i t e,R e s i d u a l a u s t e n i t e,We a r r e s i s t a n c e1概述高強(qiáng)度耐磨鋼作為一類(lèi)重要的鋼鐵材料,廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、車(chē)輛船舶、橋梁、煤機(jī)等行業(yè)。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,對(duì)高強(qiáng)度耐磨板的需求增長(zhǎng)迅猛。限于舞鋼目前的設(shè)備條件和生產(chǎn)能力,不宜生產(chǎn)傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)型的馬氏體耐磨鋼,故開(kāi)發(fā)了一種熱軋+低溫回火狀態(tài)交貨的非調(diào)質(zhì)高強(qiáng)耐磨鋼-準(zhǔn)貝氏體高強(qiáng)耐磨鋼。貝氏體鋼的發(fā)現(xiàn)和研究已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史,自20世紀(jì)30年代B a i n發(fā)現(xiàn)貝

6、氏體,50年代柯俊建立貝氏體切變相變機(jī)制以來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究,普遍認(rèn)為,等溫形成的貝氏體與淬火回火馬氏體相比具有以下特征:典型上貝氏體的綜合力學(xué)性能,特別是韌性非常低劣;高碳鋼的下貝氏體及含硅鋼貝氏體力學(xué)性能優(yōu)良,故可實(shí)際應(yīng)用,但因等溫貝氏體淬透性小,應(yīng)用受到極大的限制;熱處理工藝復(fù)雜,而且等溫淬火工藝受到零件尺寸和熱處理設(shè)備的制約。20世紀(jì)50年代,研究出空冷獲得貝氏體組織的鋼1,稱為貝氏體鋼,組織系典型貝氏體。雖然其淬透性大大提高,但是韌性卻仍然很低,因此阻礙了貝氏體鋼的推廣應(yīng)用。通過(guò)對(duì)貝氏體相變的深入研究,20世紀(jì)80年代,康沫狂教授提出了"準(zhǔn)貝氏體&

7、quot;這一概念2。舞鋼公司根據(jù)這個(gè)理論,結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備能力,成功開(kāi)發(fā)了準(zhǔn)貝氏體高強(qiáng)度耐磨鋼,它的綜合性能超過(guò)了當(dāng)前的典型貝氏體鋼、調(diào)質(zhì)鋼等,其組織由貝氏體鐵素體(B F和殘余奧氏體(A R組成,具有良好的強(qiáng)韌性配合,在軋態(tài)+低溫回火后即可獲得強(qiáng)度為1000MP a左右、硬度為340390H B 的耐磨鋼板。2設(shè)計(jì)原則參考目前國(guó)內(nèi)外耐磨鋼的實(shí)際水平,結(jié)合市場(chǎng)需求,設(shè)計(jì)準(zhǔn)貝氏體高強(qiáng)耐磨鋼的屈服強(qiáng)度950MP a,抗拉強(qiáng)度1100MP a,延伸率10%,硬度340390MP a。通過(guò)合理的成分和工藝的設(shè)·6 2·第12卷第2期2006年4月寬厚板WI D E A N D H E

8、 A V Y P L A T E=A p r i l2006計(jì),使鋼最終獲得準(zhǔn)貝氏體組織,從而達(dá)到設(shè)定的性能。2.1化學(xué)成分成分的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。合理的化學(xué)成分既是保證準(zhǔn)貝氏體組織形成的前提條件,也是保證鋼良好性能的必要條件。分析如下:1C :碳作為鋼中重要的元素之一,直接影響鋼的硬度、韌性、強(qiáng)度、淬硬性和焊接性能。含碳量高,硬度高,但韌性差,熱處理開(kāi)裂傾向大,焊接性差;含碳量過(guò)低,硬度低,淬硬性、耐磨性差。為保證鋼的硬度、韌性和耐磨性,同時(shí)考慮鋼的焊接性,碳含量定為0.21%。2S i:硅在鋼中的一個(gè)重要作用是強(qiáng)烈抑制和延緩過(guò)冷奧氏體的碳化物分解,提高奧氏體穩(wěn)定性,當(dāng)向鋼中加入一定量的S i后

9、,貝氏體-鐵素體之間出現(xiàn)連續(xù)的富碳奧氏體或條狀的馬氏體-奧氏體島狀組織3。由于奧氏體的存在和它的這種形態(tài)分布,可使裂紋分枝和鈍化,或者產(chǎn)生相變,從而有效地改善鋼的韌性,但S i含量過(guò)高,會(huì)影響鋼的硬度。3Mn:錳在一定范圍內(nèi)對(duì)鋼有較大的強(qiáng)化作用,能提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性,是強(qiáng)烈穩(wěn)定奧氏體的合金元素之一,可有效地降低奧氏體的分解速度,使奧氏體轉(zhuǎn)變曲線出現(xiàn)海灣平臺(tái),提高鋼的淬透性,保證獲得細(xì)小的貝氏體板條。4Mo:鉬在鋼中存在于固溶體中,能夠強(qiáng)烈抑制過(guò)冷奧氏體的分解,進(jìn)一步提高奧氏體的穩(wěn)定性,提高鋼的淬透性、熱強(qiáng)性及回火穩(wěn)定性。5C r:鉻作為耐磨鋼的重要合金元素之一,它與鋼中的C 和F e 形成

10、合金滲碳體(F e C r 3C 和合金碳化物(F e C r 7C 3,能部分溶入固溶體中,強(qiáng)化基體,提高鋼的淬透性,尤其與Mn 、S i 合理搭配,淬透性更好,且C r具有較好的回火抗力,使厚斷面鋼板的性能更加均勻4。6V :釩是強(qiáng)烈阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元素之一,鋼中加入適量的V 有利于改善鋼的鑄態(tài)結(jié)晶組織,細(xì)化晶粒,去除鋼中夾雜。綜合考慮,準(zhǔn)貝氏體鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。表1準(zhǔn)貝氏體鋼的化學(xué)成分/%CPSS i 、Mn 、C r、Mo 、V 0.210.0200.010適量2.2工藝設(shè)計(jì)根據(jù)舞鋼目前的裝備和實(shí)際生產(chǎn)能力,強(qiáng)化煉鋼和軋鋼的關(guān)鍵工藝:1煉鋼采用電爐+爐外精煉冶煉該鋼種,之后進(jìn)

11、行V D 真空處理,去除鋼中氣體,最后連鑄拉成板坯;2軋鋼工藝的關(guān)鍵是要求控軋控冷,采用A C C 快速冷卻及對(duì)鋼板進(jìn)行低溫回火。最終獲得準(zhǔn)貝氏體組織。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1準(zhǔn)貝氏體高強(qiáng)耐磨鋼WZ B -N M 360的力學(xué)、工藝性能見(jiàn)表2。表2WZ B -N M 360的力學(xué)性能及工藝性能批號(hào)厚度/m m屈服強(qiáng)度/MP a 抗拉強(qiáng)度/MP a 延伸率/%沖擊/J51584240955122014484854213039341由表2可以看出,用舞鋼現(xiàn)行工藝生產(chǎn)的準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼,其硬度、強(qiáng)度和塑韌性均能夠達(dá)到理想水平,其工藝是切實(shí)可行的。3.2不同規(guī)格不同狀態(tài)耐磨鋼力學(xué)性能見(jiàn)表3。·7

12、2·第2期葛兵等:=準(zhǔn)貝氏體高強(qiáng)耐磨鋼的開(kāi)發(fā)和工藝研究表3不同規(guī)格不同狀態(tài)耐磨鋼的力學(xué)性能批號(hào)規(guī)格/m m狀態(tài)R e /MP aR m /MP a 50/%沖擊功常溫-20硬度/H B 11430620熱軋13306.5252424252424388熱軋+回火1050253040765123515373由表3數(shù)據(jù)可以看出,耐磨鋼在熱軋、熱軋+正火+回火、熱軋+回火不同狀態(tài)下鋼板的強(qiáng)度、硬度變化不大,但鋼板經(jīng)過(guò)回火后,其延伸率和沖擊韌性有大幅度的提高,其原因是低溫回火改善了準(zhǔn)貝氏體鋼組織中的殘余奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定性5,同時(shí)通過(guò)回火進(jìn)一步穩(wěn)定殘余奧氏體,提高鋼的韌性。軋態(tài)低溫回火與軋態(tài)+正

13、火+低溫回火相比,其力學(xué)性能如鋼板的強(qiáng)度和硬度更具優(yōu)越性。由此說(shuō)明,準(zhǔn)貝氏體鋼采用低溫回火熱處理工藝可獲得良好的強(qiáng)韌性,且工藝簡(jiǎn)化,便于實(shí)際生產(chǎn)。3.3不同溫度回火力學(xué)性能見(jiàn)表4。表4不同溫度耐磨鋼的回火力學(xué)性能批號(hào)規(guī)格/m m狀態(tài)R m /MP a 50/%-20沖擊功/J 硬度/H B 114306201414125014131022373表4是20m m 厚的準(zhǔn)貝氏體鋼分別在250600之間回火(保溫2m i n /m m 狀態(tài)下的力學(xué)性能。數(shù)據(jù)表明,準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼在400以下回火,其強(qiáng)度、硬度、塑韌性幾乎不發(fā)生變化,具有良好的強(qiáng)韌性。說(shuō)明該鋼具有較強(qiáng)的回火抗力,回火時(shí)對(duì)回火溫度的范圍要

14、求較寬,便于生產(chǎn)中實(shí)際操作,同時(shí),數(shù)據(jù)表明,準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼的回火脆性區(qū)在450500,此時(shí),沖擊韌性較低,但其余·82·寬厚板第12=卷力學(xué)性能不受影響,超過(guò)550出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象,強(qiáng)度升高,沖擊韌性略有下降。3.4準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼的顯微組織見(jiàn)圖1。光學(xué)顯微鏡500×電子顯微鏡1000×電子顯微鏡5000×電子顯微鏡10000×圖130m m耐磨鋼的顯微組織圖1是通過(guò)光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡觀察的30m m的N M360鋼不同倍數(shù)的顯微組織。從金相照片上,可以明顯看出,該鋼由貝氏體鐵素體(B F和殘余奧氏體(A R組成,無(wú)碳化物。3.5準(zhǔn)

15、貝氏體耐磨鋼的晶粒長(zhǎng)大試驗(yàn)見(jiàn)圖2圖2準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼晶粒長(zhǎng)大試驗(yàn)圖2是用準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼熱軋?jiān)嚇釉趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行奧氏體晶粒長(zhǎng)大試驗(yàn)的數(shù)據(jù)繪制的曲線,該曲線說(shuō)明準(zhǔn)貝氏體晶粒度在950以下均比較細(xì)小,參考該曲線,實(shí)際生產(chǎn)中選取最佳的終軋溫度為900。3.6準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼的耐磨性選用舞鋼耐磨鋼和國(guó)內(nèi)外企業(yè)同類(lèi)產(chǎn)品試樣進(jìn)行銷(xiāo)盤(pán)式磨料磨損試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,舞鋼生產(chǎn)的準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼,其耐磨性相對(duì)國(guó)內(nèi)外其它企業(yè)生產(chǎn)的耐磨鋼是最好的。3.7準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼的焊接性能試驗(yàn)見(jiàn)表6、7。表6、7試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼手工焊斜Y型坡口冷裂紋敏感性試驗(yàn),室溫不預(yù)熱冷裂紋形成率較大,150以上預(yù)熱冷裂紋

16、形成率為零,T型熱裂紋敏感性試驗(yàn),在不預(yù)熱和預(yù)熱時(shí)裂紋形成率均為零,具有良好的抗熱裂紋能力,焊接接頭試驗(yàn)表明準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼焊接接頭具有良好的強(qiáng)韌性。·92·第2期葛兵等:= = 準(zhǔn)貝氏體高強(qiáng)耐磨鋼的開(kāi)發(fā)和工藝研究表5準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼銷(xiāo)盤(pán)式磨料磨損試驗(yàn)序號(hào)牌號(hào)規(guī)格/m m磨損量/k g0.7k g 載荷2.0k g 載荷相對(duì)耐磨性N K -E H 360A300.011730.022671.30相對(duì)耐磨性的計(jì)算以I E 921為基數(shù),耐磨性定為1,其余計(jì)算公式為I E921磨損量/其余鋼種磨損量。相對(duì)值越大,耐磨性越好。表6焊接冷裂紋及熱裂紋試驗(yàn)結(jié)果焊接類(lèi)型接頭類(lèi)型焊接工藝預(yù)熱

17、溫度/焊后狀態(tài)裂紋率/%表面端面手工電弧焊埋弧自動(dòng)焊斜Y 型坡口T 型接頭T 型接頭C H E606焊條,焊條直徑3.2m m ,焊接電流120140A ,電壓2224V ,速度10c m /m i n ,線能量15.821.0k J /m i nH 10Mn 2A 焊絲,焊劑H J 431,焊絲直徑5m m ,焊接電流760800A ,電壓3638V ,速度34c m /m i n ,線能量48.353.6k J /m i n不預(yù)熱100150200不預(yù)熱100不預(yù)熱00表7焊接接頭力學(xué)性能焊接類(lèi)型接頭類(lèi)型R m /MP a A /%/%手工電弧焊T 型接頭埋弧自動(dòng)焊T 型接頭12.554.

18、74討論4.1通過(guò)研究表明,準(zhǔn)貝氏體鋼的組織由貝氏體鐵素體(B F 和殘余奧氏體(A R 組成,鋼中的B F是碳的過(guò)飽和固溶體6,具有較高的強(qiáng)度和韌性,一般的典型上貝氏體是B F 及在其間分布著平行于其長(zhǎng)軸的貝氏體碳化物(B C 的混合體,典型的下貝氏體是B F 及在其上分布著與長(zhǎng)軸約55º66º角的B C 的混合體7。由于碳化物的存在,嚴(yán)重影響了鋼的組織和性能,為避免B C 的出現(xiàn),在準(zhǔn)貝氏體鋼中加入S i 、A l等阻礙碳化物析出的合金元素,使貝氏體轉(zhuǎn)變明顯分為兩個(gè)階段8,在貝氏體孕育期內(nèi),過(guò)冷奧氏體形成貧碳區(qū)和富碳區(qū),B F 在過(guò)冷奧氏體的貧碳區(qū)切變形成,其間分布著富

19、碳的殘余奧氏體薄膜(A R ,此時(shí)處于貝氏體轉(zhuǎn)變的初期階段,此類(lèi)貝氏體即為準(zhǔn)貝氏體。為獲得準(zhǔn)貝氏體組織,使鋼板達(dá)到良好的力學(xué)性能,同時(shí)兼顧舞鋼目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀及特點(diǎn),在實(shí)際生產(chǎn)中,采用了相應(yīng)的措施:1加入一定量的S i,抑制碳化物的析出;2通過(guò)合理的合金化,使準(zhǔn)貝氏體鋼的C C T 曲線如圖3所示,從而保證在很大的冷速范圍內(nèi)可獲得準(zhǔn)上貝氏體、準(zhǔn)下貝氏體或它們的混合組織;3由于準(zhǔn)貝氏體組織在光學(xué)顯微鏡下呈粒狀或針狀形貌,冷速慢,粒狀較多,冷速快,針狀較明顯,故在生產(chǎn)中,采用A C C·03·寬厚板第12=卷第 2期 葛 兵等 : 準(zhǔn)貝氏體高強(qiáng)耐磨鋼的開(kāi)發(fā)和工藝研究 ·

20、3· 1 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 加速冷卻工藝 , 使該鋼的準(zhǔn)貝氏體組織呈針狀 , 從 而獲得良好的力學(xué)性能 。 體是碳的 過(guò) 飽 和 固 溶 體 , 損 時(shí) 在 外 力 作 用 下 部 磨 分殘余奧 氏 體 發(fā) 生 誘 發(fā) 馬 氏 體 相 變 , 成 高 碳 馬 形 氏 體 , 成 硬 質(zhì) 點(diǎn) , F類(lèi) 似 于 低 碳 馬 氏 體 具 有 良 形 B 好的強(qiáng)

21、韌性和較高的破斷抗力 , 硬質(zhì)點(diǎn)耐磨 , 基體 破 斷 抗 力 高, 粒 不 易 斷 裂 和 脫 落, 耐 磨 性 提 磨 使 高。 5 結(jié)論 可以得到準(zhǔn) 5 1 采用合理的成分及合適的工藝 , . 貝氏體組織的高強(qiáng)耐磨鋼 。 5 2 準(zhǔn)貝氏體 高 強(qiáng) 耐 磨 鋼 具 有 與 眾 多 鋼 種 不 同 . 的熱處理 特 性 , 低 溫 回 火 可 獲 得 理 想 的 綜 合 性 即 能。 5 3 準(zhǔn)貝氏體 高 強(qiáng) 耐 磨 鋼 具 有 良 好 的 耐 磨 性 和 . 焊接性能 。 參考文獻(xiàn) 一種新型含硅低碳貝 氏 體 鋼 的 成 分 組 織 和 性 能 . 西 江 1 周賢良 . 冶金 , 9 3 ( 1 19,5:1 2 Ka gM K,tl .T a s1 9 . 1 8 3 n ea.Meal rn . 9 0 2 A: 5 tl 耐磨鑄鋼及熔煉 . 機(jī)械工業(yè)出版社 , 0 3 6 1 3 3 謝敬佩等 . 20.:9 圖 3 準(zhǔn)貝氏體耐磨鋼 C T 曲線 C 鋼的強(qiáng)韌化理論與設(shè)計(jì) . 上海交通大學(xué)出版社 , 9 0 4 俞德鋼 . 19 高 王 無(wú) 5 程巨強(qiáng), 興明, 先武. 碳化物貝氏體耐磨鋼回 火 組 織 與 性能的研究 . 礦山機(jī)械 , 0