准贝氏体高强耐磨钢的开发和工艺研究

1、准贝氏体高强耐磨钢的开发和工艺研究葛兵1.2宋波1(1北京科技大学;2舞阳钢铁有限责任公司摘要研究在典型贝氏体钢的成分基础上加入阻止碳化物析出的元素S i,开发出以贝氏体铁素体(B F和残余奥氏体(A R组成的准贝氏体组织的高强耐磨钢,在适当的工艺下钢板可获得最佳的综合性能,具有良好的强韧性、耐磨性和焊接性。关键词准贝氏体典型贝氏体贝氏体铁素体残余奥氏体耐磨性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概述高强度耐磨钢作为一类重要的钢铁材料,广泛应用于矿山机械、车辆船舶、桥梁、煤机等行业。随着我国国民经济的迅速发展,对高强度耐磨板的需求增长迅猛。限于舞钢目前的设备条件和生产能力,不宜生产传统调质型的马氏体耐磨钢,故开发了一种热轧+低温回火状态交货的非调质高强耐磨钢-准贝氏体高强耐磨钢。贝氏体钢的发现和研究已有半个多世纪的历史,自20世纪30年代B a i n发现贝

6、氏体,50年代柯俊建立贝氏体切变相变机制以来,国内外许多学者对其力学性能进行了大量研究,普遍认为,等温形成的贝氏体与淬火回火马氏体相比具有以下特征:典型上贝氏体的综合力学性能,特别是韧性非常低劣;高碳钢的下贝氏体及含硅钢贝氏体力学性能优良,故可实际应用,但因等温贝氏体淬透性小,应用受到极大的限制;热处理工艺复杂,而且等温淬火工艺受到零件尺寸和热处理设备的制约。20世纪50年代,研究出空冷获得贝氏体组织的钢1,称为贝氏体钢,组织系典型贝氏体。虽然其淬透性大大提高,但是韧性却仍然很低,因此阻碍了贝氏体钢的推广应用。通过对贝氏体相变的深入研究,20世纪80年代,康沫狂教授提出了准贝氏体这一概念2。舞

7、钢公司根据这个理论,结合现有设备能力,成功开发了准贝氏体高强度耐磨钢,它的综合性能超过了当前的典型贝氏体钢、调质钢等,其组织由贝氏体铁素体(B F和残余奥氏体(A R组成,具有良好的强韧性配合,在轧态+低温回火后即可获得强度为1000MP a左右、硬度为340390H B 的耐磨钢板。2设计原则参考目前国内外耐磨钢的实际水平,结合市场需求,设计准贝氏体高强耐磨钢的屈服强度950MP a,抗拉强度1100MP a,延伸率10%,硬度340390MP a。通过合理的成分和工艺的设6 2第12卷第2期2006年4月宽厚板WI D E A N D H E A V Y P L A T E=A p r i

8、 l2006计,使钢最终获得准贝氏体组织,从而达到设定的性能。2.1化学成分成分的设计至关重要。合理的化学成分既是保证准贝氏体组织形成的前提条件,也是保证钢良好性能的必要条件。分析如下:1C :碳作为钢中重要的元素之一,直接影响钢的硬度、韧性、强度、淬硬性和焊接性能。含碳量高,硬度高,但韧性差,热处理开裂倾向大,焊接性差;含碳量过低,硬度低,淬硬性、耐磨性差。为保证钢的硬度、韧性和耐磨性,同时考虑钢的焊接性,碳含量定为0.21%。2S i:硅在钢中的一个重要作用是强烈抑制和延缓过冷奥氏体的碳化物分解,提高奥氏体稳定性,当向钢中加入一定量的S i后,贝氏体-铁素体之间出现连续的富碳奥氏体或条状的

9、马氏体-奥氏体岛状组织3。由于奥氏体的存在和它的这种形态分布,可使裂纹分枝和钝化,或者产生相变,从而有效地改善钢的韧性,但S i含量过高,会影响钢的硬度。3Mn:锰在一定范围内对钢有较大的强化作用,能提高强度、硬度和耐磨性,是强烈稳定奥氏体的合金元素之一,可有效地降低奥氏体的分解速度,使奥氏体转变曲线出现海湾平台,提高钢的淬透性,保证获得细小的贝氏体板条。4Mo:钼在钢中存在于固溶体中,能够强烈抑制过冷奥氏体的分解,进一步提高奥氏体的稳定性,提高钢的淬透性、热强性及回火稳定性。5C r:铬作为耐磨钢的重要合金元素之一,它与钢中的C 和F e 形成合金渗碳体(F e C r 3C 和合金碳化物(

10、F e C r 7C 3,能部分溶入固溶体中,强化基体,提高钢的淬透性,尤其与Mn 、S i 合理搭配,淬透性更好,且C r具有较好的回火抗力,使厚断面钢板的性能更加均匀4。6V :钒是强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素之一,钢中加入适量的V 有利于改善钢的铸态结晶组织,细化晶粒,去除钢中夹杂。综合考虑,准贝氏体钢的化学成分设计见表1。表1准贝氏体钢的化学成分/%CPSS i 、Mn 、C r、Mo 、V 0.210.0200.010适量2.2工艺设计根据舞钢目前的装备和实际生产能力,强化炼钢和轧钢的关键工艺:1炼钢采用电炉+炉外精炼冶炼该钢种,之后进行V D 真空处理,去除钢中气体,最后连铸拉成板

11、坯;2轧钢工艺的关键是要求控轧控冷,采用A C C 快速冷却及对钢板进行低温回火。最终获得准贝氏体组织。3试验结果及分析3.1准贝氏体高强耐磨钢WZ B -N M 360的力学、工艺性能见表2。表2WZ B -N M 360的力学性能及工艺性能批号厚度/m m屈服强度/MP a 抗拉强度/MP a 延伸率/%冲击/J51584240955122014484854213039341由表2可以看出,用舞钢现行工艺生产的准贝氏体耐磨钢,其硬度、强度和塑韧性均能够达到理想水平,其工艺是切实可行的。3.2不同规格不同状态耐磨钢力学性能见表3。72第2期葛兵等:=准贝氏体高强耐磨钢的开发和工艺研究表3不同

12、规格不同状态耐磨钢的力学性能批号规格/m m状态R e /MP aR m /MP a 50/%冲击功常温-20硬度/H B 11430620热轧13306.5252424252424388热轧+回火1050253040765123515373由表3数据可以看出,耐磨钢在热轧、热轧+正火+回火、热轧+回火不同状态下钢板的强度、硬度变化不大,但钢板经过回火后,其延伸率和冲击韧性有大幅度的提高,其原因是低温回火改善了准贝氏体钢组织中的残余奥氏体的机械稳定性5,同时通过回火进一步稳定残余奥氏体,提高钢的韧性。轧态低温回火与轧态+正火+低温回火相比,其力学性能如钢板的强度和硬度更具优越性。由此说明,准贝

13、氏体钢采用低温回火热处理工艺可获得良好的强韧性,且工艺简化,便于实际生产。3.3不同温度回火力学性能见表4。表4不同温度耐磨钢的回火力学性能批号规格/m m状态R m /MP a 50/%-20冲击功/J 硬度/H B 114306201414125014131022373表4是20m m 厚的准贝氏体钢分别在250600之间回火(保温2m i n /m m 状态下的力学性能。数据表明,准贝氏体耐磨钢在400以下回火,其强度、硬度、塑韧性几乎不发生变化,具有良好的强韧性。说明该钢具有较强的回火抗力,回火时对回火温度的范围要求较宽,便于生产中实际操作,同时,数据表明,准贝氏体耐磨钢的回火脆性区在

14、450500,此时,冲击韧性较低,但其余82宽厚板第12=卷力学性能不受影响,超过550出现二次硬化现象,强度升高,冲击韧性略有下降。3.4准贝氏体耐磨钢的显微组织见图1。光学显微镜500电子显微镜1000电子显微镜5000电子显微镜10000图130m m耐磨钢的显微组织图1是通过光学显微镜和电子显微镜观察的30m m的N M360钢不同倍数的显微组织。从金相照片上,可以明显看出,该钢由贝氏体铁素体(B F和残余奥氏体(A R组成,无碳化物。3.5准贝氏体耐磨钢的晶粒长大试验见图2图2准贝氏体耐磨钢晶粒长大试验图2是用准贝氏体耐磨钢热轧试样在实验室进行奥氏体晶粒长大试验的数据绘制的曲线,该曲

15、线说明准贝氏体晶粒度在950以下均比较细小,参考该曲线,实际生产中选取最佳的终轧温度为900。3.6准贝氏体耐磨钢的耐磨性选用舞钢耐磨钢和国内外企业同类产品试样进行销盘式磨料磨损试验,试验结果见表5。表5试验数据表明,舞钢生产的准贝氏体耐磨钢,其耐磨性相对国内外其它企业生产的耐磨钢是最好的。3.7准贝氏体耐磨钢的焊接性能试验见表6、7。表6、7试验数据表明,准贝氏体耐磨钢手工焊斜Y型坡口冷裂纹敏感性试验,室温不预热冷裂纹形成率较大,150以上预热冷裂纹形成率为零,T型热裂纹敏感性试验,在不预热和预热时裂纹形成率均为零,具有良好的抗热裂纹能力,焊接接头试验表明准贝氏体耐磨钢焊接接头具有良好的强韧

16、性。92第2期葛兵等:= = 准贝氏体高强耐磨钢的开发和工艺研究表5准贝氏体耐磨钢销盘式磨料磨损试验序号牌号规格/m m磨损量/k g0.7k g 载荷2.0k g 载荷相对耐磨性N K -E H 360A300.011730.022671.30相对耐磨性的计算以I E 921为基数,耐磨性定为1,其余计算公式为I E921磨损量/其余钢种磨损量。相对值越大,耐磨性越好。表6焊接冷裂纹及热裂纹试验结果焊接类型接头类型焊接工艺预热温度/焊后状态裂纹率/%表面端面手工电弧焊埋弧自动焊斜Y 型坡口T 型接头T 型接头C H E606焊条,焊条直径3.2m m ,焊接电流120140A ,电压2224

17、V ,速度10c m /m i n ,线能量15.821.0k J /m i nH 10Mn 2A 焊丝,焊剂H J 431,焊丝直径5m m ,焊接电流760800A ,电压3638V ,速度34c m /m i n ,线能量48.353.6k J /m i n不预热100150200不预热100不预热00表7焊接接头力学性能焊接类型接头类型R m /MP a A /%/%手工电弧焊T 型接头埋弧自动焊T 型接头12.554.74讨论4.1通过研究表明,准贝氏体钢的组织由贝氏体铁素体(B F 和残余奥氏体(A R 组成,钢中的B F是碳的过饱和固溶体6,具有较高的强度和韧性,一般的典型上贝氏

18、体是B F 及在其间分布着平行于其长轴的贝氏体碳化物(B C 的混合体,典型的下贝氏体是B F 及在其上分布着与长轴约5566角的B C 的混合体7。由于碳化物的存在,严重影响了钢的组织和性能,为避免B C 的出现,在准贝氏体钢中加入S i 、A l等阻碍碳化物析出的合金元素,使贝氏体转变明显分为两个阶段8,在贝氏体孕育期内,过冷奥氏体形成贫碳区和富碳区,B F 在过冷奥氏体的贫碳区切变形成,其间分布着富碳的残余奥氏体薄膜(A R ,此时处于贝氏体转变的初期阶段,此类贝氏体即为准贝氏体。为获得准贝氏体组织,使钢板达到良好的力学性能,同时兼顾舞钢目前的生产现状及特点,在实际生产中,采用了相应的措

19、施:1加入一定量的S i,抑制碳化物的析出;2通过合理的合金化,使准贝氏体钢的C C T 曲线如图3所示,从而保证在很大的冷速范围内可获得准上贝氏体、准下贝氏体或它们的混合组织;3由于准贝氏体组织在光学显微镜下呈粒状或针状形貌,冷速慢,粒状较多,冷速快,针状较明显,故在生产中,采用A C C03宽厚板第12=卷第 2期 葛 兵等 : 准贝氏体高强耐磨钢的开发和工艺研究 3 1 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =

20、= = = = = = = = 加速冷却工艺 , 使该钢的准贝氏体组织呈针状 , 从 而获得良好的力学性能 。 体是碳的 过 饱 和 固 溶 体 , 损 时 在 外 力 作 用 下 部 磨 分残余奥 氏 体 发 生 诱 发 马 氏 体 相 变 , 成 高 碳 马 形 氏 体 , 成 硬 质 点 , F类 似 于 低 碳 马 氏 体 具 有 良 形 B 好的强韧性和较高的破断抗力 , 硬质点耐磨 , 基体 破 断 抗 力 高, 粒 不 易 断 裂 和 脱 落, 耐 磨 性 提 磨 使 高。 5 结论 可以得到准 5 1 采用合理的成分及合适的工艺 , . 贝氏体组织的高强耐磨钢 。 5 2 准贝

21、氏体 高 强 耐 磨 钢 具 有 与 众 多 钢 种 不 同 . 的热处理 特 性 , 低 温 回 火 可 获 得 理 想 的 综 合 性 即 能。 5 3 准贝氏体 高 强 耐 磨 钢 具 有 良 好 的 耐 磨 性 和 . 焊接性能 。 参考文献 一种新型含硅低碳贝 氏 体 钢 的 成 分 组 织 和 性 能 . 西 江 1 周贤良 . 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 耐磨铸钢及熔炼 . 机械工业出版社 , 0 3 6 1 3 3 谢敬佩等 . 20.:9 图 3 准贝氏体耐磨钢 C T 曲线 C 钢的强韧化理论与设计 . 上海交通大学出版社 , 9 0 4 俞德钢 . 19 高 王 无 5 程巨强, 兴明, 先武. 碳化物贝氏体耐磨钢回 火 组 织 与 性能的研究 . 矿山机械 , 0 3 3 ( 4 20,