分享：热轧超高强钢 M1200HS的显微组织与磨粒磨损性能

摘 要:采用热轧和在线直接淬火工艺制备热轧超高强钢 M1200HS,研究了其显微组织、力学 性能及在石英砂与水的混合物中的磨粒磨损性能,并与传统低合金耐磨钢 NM400和 NM450作对 比。结果表明:M1200HS钢的显微组织为马氏体和极少量铁素体,其马氏体板条尺寸较大,大角 度晶界占比较小;M1200HS 钢的抗拉强度和硬度分别为 1387 MPa和 403 HB,均符合 GB/T 24186-2009标准,且与 NM400钢近乎相当,但低于 NM450钢;3种试验钢的磨损机制均为微观 切削机制,M1200HS钢与 NM400钢的耐磨粒磨损性能相当,但低于 NM450钢。

关键词:在线直接淬火;超高强钢;显微组织;磨粒磨损性能 

中图分类号:TG142.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)01-0068-05

0 引 言 

传统的低合金耐磨钢 NM400和 NM450因具 有高强度、高硬度、高耐磨性等优点,广泛应用于自 卸车厢体、搅拌车罐体、挖掘机料斗等对耐磨性能要 求很高的耐磨结构上[1]。但 NM400、NM450耐磨 钢主流生产工艺为热轧+淬火+回火热处理,存在 生产工艺工序多、能耗高、生产成本高等缺点。近年 来,免热处理热轧耐磨钢成为国内外各大钢企和科研 院校的研究热点[2-3]。然而,目前工业化生产免热处 理耐磨钢能达到的最高抗拉强度仅为1100 MPa。 在线直接淬火工艺是一种利用钢板轧制结束后的轧 制余热实现淬火的新工艺,与传统离线淬火+回火 热处理相比,直接淬火具有工艺流程短、能耗低、强 韧性优等特点[4-5]。在线直接淬火工艺在高强度宽 厚板(厚度规格不低于8 mm)生产线中应用较多, 在热连 轧 板 带 生 产 线 中 应 用 相 对 较 少。 马 钢 在 2250热连轧产线采用两阶段控制轧制和在线直接 淬火工艺生产了一种免离线热处理工序的热轧超高 强钢 M1200HS(抗拉强度不低于1300MPa),该材 料不仅生产工艺流程短、制造成本低,且具有高强 度、高硬度、高耐磨性以及良好的塑性。

目前,对钢材的磨损方式和耐磨机理研究主要 集中在耐磨钢滑动磨损和冲击磨损方面[6-12],对免 热处理热轧高强钢在搅拌工况下的磨粒磨损性能研 究相对较少。因此,作者结合服役环境,研究了免热 处理热轧超高强钢 M1200HS的显微组织与力学性 能,以及在搅拌工况下的磨粒磨损性能和耐磨机理, 并与传统低合金耐磨钢 NM400、NM450进行了对 比,为提高热轧超高强钢的耐磨性能、拓展其应用领 域提供数据支持。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备 试验材料为4mm 厚度规格的免热处理热轧超 高 强 钢 M1200HS 和 热 处 理 态 低 合 金 耐 磨 钢 NM400、NM450。M1200HS钢的加工工艺如下:铸 坯加热温度为 1230~1250 ℃,粗轧开轧温度为 1100~1130 ℃,精轧终轧温度为860~890 ℃,精 轧后采用两相区在线直接淬火工艺,淬火开始温度为840~870 ℃,冷却速率为50~100 ℃·s-1,卷取 温度为250~300 ℃。NM400钢的加工工艺如下: 铸坯加热温度为1230~1250 ℃,粗轧开轧温度为 1100~1130 ℃,精轧终轧温度为890~920 ℃,卷 取温度为640~670 ℃,卷取后空冷至室温,然后进 行离线淬火+回火热处理,淬火温度900~930 ℃, 保温时间30min,回火温度250~300 ℃,保温时间 60min。NM450钢的加工工艺如下:铸坯加热温度 为1230~1250 ℃,粗 轧 开 轧 温 度 为 1100~ 1130 ℃,精轧终轧温度为870~900 ℃,卷取温度 为620~650 ℃,卷取后空冷至室温,然后进行离线 淬火+回火热处理,淬火温度890~920℃,保温时间 30min,回火温度250~300℃,保温时间60min。 3种试验钢的化学成分如表1所示,可以看出, 与传 统 的 低 合 金 耐 磨 钢 NM400、NM450 相 比, M1200HS试验钢中未添加铬等贵金属元素,且无 离线淬火+回火热处理工序,工序少、制造成本低, 材料化学成分实现减量化。

1.2 试验方法 

分别在 3 种 试 验 钢 上 截 取 尺 寸 为 10 mm× 12mm×4 mm 的金相试样,经打磨、抛光后,用体 积分 数 4% 硝 酸 酒 精 溶 液 进 行 腐 蚀,采 用 Axio ImagerM2m 型光学显微镜(OM)观察显微组织。 采用安装在Sigma500型热场发射扫描电镜(SEM) 上的电子背散射衍射(EBSD)测试系统分析马氏体 板条的尺寸和大角度晶界的分布比例,并通过 HKL CHANNEL5软件进行数据处理。采用 TecnaiG2 F20型场发射透射电镜(TEM)观察马氏体板条形貌。 根据 GB/T228.1-2010加工出标距为100mm 的带 肩拉伸试样,采用 Z600型电子万能试验机进行拉 伸试验,应变速率为0.00025s-1。采用BH3000型 布氏硬度计测试表面布氏硬度,载荷为29.42kN, 保载时间为20s。

按照 ASTM G105-2016,采用 MLS-225型湿 式橡胶轮试验机进行磨粒磨损试验。试样尺寸为 57mm×25.5mm×3.5mm,其中57mm×25.5mm 面为磨损面,试验前对磨损表面进行磨光处理。磨 粒磨损试验选用的橡胶轮硬度为60 HS,橡胶轮转 速为245r·min-1,磨料为石英砂和水按1∶1体积比 混合成的混合物,石英砂颗粒大小为830~380μm, 载荷为222N。首先进行250s预磨,再分别进行 10,20,40min精磨。预磨后和精磨后的试样均进 行超声波清洗,采用电子天平(精度为0.1 mg)测 取试样质 量。将 精 磨 前 后 质 量 差 记 为 磨 损 质 量, 用于评价材料耐磨粒磨损性能,磨损质量越小,材 料的耐 磨 粒 磨 损 性 能 越 好。 在 相 同 的 试 验 条 件 下,各取3块试样进行磨粒磨损试验,计算磨损质 量平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织 

由图1 可以看出:M1200HS 钢的显微组织由 板条状马氏体(M)和极少量铁素体(F)组成,铁素 体 弥散分布在马氏体之间,析出的碳化物数量相对较少;NM400、NM450钢的显微组织均为板条状马 氏体,M1200HS 钢 的 马 氏 体M1200HS 钢 的 马 氏 体 板 条 略 粗 于 NM400 钢,明显比 NM450钢粗大。 

由图2 可知,M1200HS 钢的晶粒尺寸略大于 NM400钢,明显大于 NM450钢。测得 M1200HS、 NM400、NM450钢马氏体板条束的平均宽度分别 为3.64,3.53,3.13μm。

由图3可知,M1200HS钢 的大角度晶界(取向差角大于15°)占比为29.67%, 略低于 NM400 钢(31.34%),明显低于 NM450 钢 (34.78%)。

由图4可知,3种试验钢的马氏体板条内部存 在高密度位错等亚结构,M1200HS钢的位错密度 与 NM400钢的位错密度基本相当,但低于 NM450 钢的位错密度。位错密度越高,碳原子钉扎位错效 果越 好,强 化 效 果 越 显 著。 M1200HS、NM400、 NM450钢 的 马 氏 体 板 条 平 均 宽 度 分 别 为 0.34, 0.29,0.21μm,马氏体板条宽度依次减小。

2.2 力学性能 

由表2 可知,M1200HS 钢的强度和硬度均达 到 GB/T 24186-2009 标 准 要 求,且 仅 略 低 于 NM400,但明 显 低 于 NM450 钢。马 氏 体 板 条 宽 度 与材料的强度符合Hall-Petch关系[13-15]。M1200HS 的马 氏 体 板 条 宽 度 略 大 于 NM400 钢,明 显 大 于 NM450钢,因此其强度和硬度可近乎达到 NM400 钢的强 度 和 硬 度,但 明 显 低 于 NM450 钢。另 外, M1200HS钢中析出的碳化物数量较少,而析出强 化对于材料强度的贡献较大,因此 M1200HS钢的 强度、硬度较低。M1200HS 钢的断后伸长率高于 NM400钢和 NM450钢,这是因为 M1200HS钢中存 在少 量 弥 散 分 布 在 马 氏 体 间 的 软 相 铁 素 体,而 NM400钢和 NM450钢的显微组织均为硬相马氏体。

2.3 磨粒磨损性能

由图 5 可 知:在 相 同 精 磨 时 间 的 情 况 下, M1200HS和 NM400 钢 的 磨 损 质 量 基 本 相 当,而 NM450钢 的 磨 损 质 量 较 少,这 说 明 M1200HS 和 NM400 钢 的 耐 磨 粒 磨 损 性 能 基 本 相 当,且 较 NM450钢的耐磨粒磨损性能差。小角度晶界(取向 差角小于15°)对于裂纹扩展的阻碍作用相对较小, 而大角度晶界可以改变裂纹扩展的方向,阻碍裂纹 的快速扩展,提高材料的韧性[16]。M1200HS钢的 大角度晶界占比较小,在磨粒磨损试验过程中抗裂 纹扩展能力较差,材料的耐磨粒磨损性能也较差。

由图6可知,3种试验钢的磨损形式均为微观 切削机制,M1200HS和 NM400钢的磨损表面形貌 相似,表面犁沟数量较多、宽度较大、深度较深,而 NM450钢的磨损表面相对光滑,仅存在少量犁沟且 犁沟宽度较窄、深度较浅。在磨损过程中,试样表面受到横向压应力和竖向切应力的综合作用,橡胶轮 高速旋转时会带动磨料与磨损表面产生摩擦,磨料 颗粒的尖端在旋转橡胶轮的切应力作用下不断地凿 磨磨损表面,使得该区域向周围挤压发生塑性变形。 随着橡胶轮持续旋转,塑性变形区域不断向前滑移, 部分材料脱落而产生犁沟。M1200HS钢与 NM400 钢相 比,晶 粒 尺 寸 较 大,强 度 和 硬 度 较 低,但 M1200HS钢中存在的极少量弥散分布在马氏体间 的软相铁素体组织有利于缓解磨损表面产生的应力 集中,并吸收部分能量,改善了材料的耐磨粒磨损性 能,因此,两者在磨料嵌入材料基体内部和材料基体 发生塑性变形方面的难易程度相当,磨损表面形貌 相似

3 结 论 

(1)免热处理热轧超高强钢 M1200HS的显微 组织为板条马氏体和极少量铁素体,低合金耐磨钢 NM400、NM450 的 显 微 组 织 均 为 板 条 马 氏 体; M1200HS钢的马氏体板条宽度略大于 NM400钢, 明显 大 于 NM450 钢;M1200HS、NM400、NM450 钢的大角度晶界占比依次增加;M1200HS钢马氏 体板条内部位错密度与 NM400钢基本相当,但低 于 NM450钢。

(2)免热处理热轧超高强钢 M1200HS的抗拉 强度为1387MPa,表面布氏硬度为403 HB,均达 到了 GB/T24186-2009 标准的技术要求,与低合 金耐磨钢 NM400的强度和硬度近乎相当,但明显 低于 NM450钢。

(3)M1200HS、NM400 钢的耐磨 粒 磨 损 性 能 基本 相 当,NM450 钢 的 耐 磨 粒 磨 损 性 能 较 好; M1200HS、NM400、NM450钢的磨粒磨损机制均为 微观切削机制,M1200HS钢的磨损表面犁沟数量 较多、深度较深、宽度较大。

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