低成本高韧性NM500钢板的研究及开发

关键词：NM500；低成本；高韧性；力学性能；耐磨性

0 引言

磨损、腐蚀和断裂是金属材料服役过程中常见的三大失效形式，相比于断裂，磨损不会直接造成灾难性的事故，但是会引起设备部件故障，需要频繁更换部件，显著降低了设备的使用寿命和工作效率。目前，中国钢铁行业已经形成了比较完善的耐磨钢板生产线，并实现了系列牌号耐磨钢的生产，其中NM450及以下级别的耐磨钢生产技术较为成熟。但是，生产高级别、厚规格和低成本耐磨钢等关键技术仍需突破。近年来关于NM500的研究日渐增多，最初是通过Ti-Mo-B微合金化开发出了NM500钢板。通过V微合金化可以细化晶粒，提高冲击韧性。通过两阶段控冷、卷曲保温结合低温回火可以开发出高成型性的薄规格NM500。对低温回火温度进行研究，发现最佳的回火温度为200℃。此外，冶炼过程中的纯净度对NM500钢板的性能也会产生较大影响，因为NM500钢板的强度较高，高纯净度冶炼可以显著提高产品的合格率。稀土的添加可以净化晶界、改善夹杂物和细化组织，有效提高耐磨钢的低温韧性。

此外，随着最近机械工程行业的不景气，耐磨钢生产厂家之间的竞争愈发激烈，开发低成本的耐磨钢可以提高产品的竞争力。但是高级别耐磨钢由于其强度较高、热处理后的残余应力较大，因此在加工和变形时经常产生裂纹，尤其是切割后的延迟开裂。钢板的强度越高，氢脆敏感性也越大，切割后产生裂纹和延迟裂纹的风险越大。氢元素容易在偏析和缺陷处富集，提高了氢脆裂纹产生的概率，而合金减量化有利于减小偏析，从而降低氢致开裂的风险。通过提高纯净度，降低夹杂物和偏析，控制切割温度和堆冷温度可以有效降低切割后延迟开裂的风险。但是合金减量化会降低淬透性，因此对于低成本高级别耐磨钢的开发主要难题在于保证淬透性的同时降低合金含量。

本文通过低成本合金设计结合高纯净度冶炼以及合理的热处理制度成功生产了低成本NM500钢板，并对比分析了其与常规NM500钢板在组织和性能上的区别。

1 实验材料和方法

所选材料为钢厂生产的20 mm热处理态普通NM500钢板和低成本NM500钢板，其成分如表1所示。2种钢的区别在于低成本NM500钢板取消了Ni元素的添加，降低了Mn含量。Ni元素具有提高低温冲击韧性的作用，但却是低合金高强钢中成本比较高的元素之一，虽然取消Ni元素的添加会对低温冲击韧性有一定的影响，但是仍可以通过高纯净度冶炼以及合适的热处理工艺保证钢板的低温冲击韧性。普通NM500要求w（N）≤0.0060%，w（H）≤0.00025%；低成本NM500冶炼过程中使用低氮碳粉，保证w（N）≤0.0040%；VD炉抽真空目标0.5tor（67Pa）以下，保持真空脱气时间不小于20 min，保证w（H）≤0.00015%；钢中有害残余元素限制范围为：w（Sn）≤0.03%、w（Pb）≤0.02%、w（As）≤0.03%。低成本NM500的淬火温度比普通NM500的淬火温度低10～20℃，以获得细小的晶粒，提高韧性。此外NM500钢板的C含量较高，降低Ni含量可以降低碳当量CEV，普通NM500的碳当量为0.57，而低成本NM500的碳当量降低为0.46，低碳当量有利于提高焊接性能。

从热处理态钢板上沿钢板横截面（垂直于轧制方向）切取全厚度的金相试样，经研磨、机械抛光后，采用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀，随后观察实验钢全厚度方向的显微组织。对试样进行电解抛光，抛光液为体积分数12.5%的高氯酸酒精溶液，通过配备Oxford symmetry电子背散射衍射（EBSD）探头的蔡司crossbeam550型号的聚焦离子束扫描电镜对抛光后的试样进行微观组织表征，EBSD的工作电压为20 kV，步长为0.2 μm，然后使用AZtecCrystal软件对数据进行后处理。在KB3000BVRZ-SA宏观硬度计上检测全厚度试样的宏观硬度值，测量间距为1 mm，加载载荷为30 kg，加载时间为10 s。在Future-TechFM-700硬度计上对不同组织的显微硬度进行测试，加载载荷为500 N，加载时间为10 s。

依据GB/T228—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》中的相关要求，在钢板1/4厚度位置取横向拉伸试样，加工成标

距为25 mm的拉伸试样，平行段的宽度为7 mm，厚度为3 mm，采用AG-XPLUS电子万能试验机检测热处理态钢板的室温拉伸性能，试验过程中拉伸速率为1mm/min。按照GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》中的规定，在钢板1/4厚度位置取纵向（平行于轧制方向）夏比V型缺口冲击试样，试样的具体尺寸为10 mm×

10 mm×55 mm，将试样放入-40℃的冷却箱中保温15 min后，采用ZBC2000-EB摆锤式冲击试验机检测热处理态钢板的冲击韧性。

在实验钢上沿轧制方向取尺寸为70 mm×

26 mm×3.5 mm的三体磨料磨损试样。三体磨料磨损实验在MLG-130B型干砂橡胶轮磨料磨损试验机（图1）上室温条件下进行的。实验参数如下：加载载荷为130 N，转速为200 r/min，橡胶轮直径为228.6 mm，橡胶轮转动为2000 r，滑动距离共1 436 m，石英砂尺寸为125～212 μm，石英砂流量为300 g/min，橡胶轮的邵氏硬度为60 HR。每种实验钢进行3次实验，最终取3次实验的平均值作为实验结果。磨损实验前后用酒精将磨损试样进行超声波清洗15 min去除附着的磨料颗粒和杂质后，使用可精确到1mg的SECURA225D-1CN电子天平测量磨损实验前后样品质量差，根据磨损失重量公式计算出磨损实验失重量。再通过扫描电镜对磨损后试样的磨损形貌进行观察，磨损机制是引起磨损失重和相对耐磨性变化的根本原因，通过对磨损后的形貌进行分析研究其磨损机制的变化。

2 实验结果与讨论

2.1 微观组织分析

20 mm厚普通NM500和低成本NM500钢板的全厚度组织如图2所示，2种钢板的组织均为马氏体，但是在普通NM500厚度1/4和厚度心部观察到大量白亮带的存在。合金减量化可以降低偏析的程度，获得均匀性良好的组织，此外偏析程度降低也会减小钢板的延迟开裂的风险，因为偏析位置容易产生氢脆。

通过显微硬度计对普通NM500组织中白亮偏析带和正常组织的硬度进行分析，测试载荷为500 N加载时间为10 s，微观硬度的测试位置及硬度值如图3所示。基体硬度为497HV和493HV，白亮偏析带的微观硬度为539HV和521HV，偏析带的硬度明显高于正常基体的硬度。

通过扫描电镜对偏析位置的成分进行分析，白亮偏析带存在Mn元素的偏聚（图4），这证明了降低Mn含量可以降低偏析程度。而Mn元素会降低C元素的扩散，导致富Mn元素区的C含量升高。而C和Mn的偏聚会提高淬透性，同时会提高强化的效果，提高强度，因此偏析位置的硬度高于基体硬度。所以低成本NM500降低C和Mn含量，可以降低偏析程度，H元素容易在偏析位置偏聚，降低偏析程度可以使氢致开裂敏感性降低。降低N含量可以减少TiN夹杂物的含量，提高韧性；降低H含量可以一定程度上抵消因节镍造成的氢致敏感性增加。偏析和成分有关系，此外还和连铸时的电磁搅拌工艺和拉速有关。

图5为普通NM500钢板厚度不同位置的组织，根据扫描形貌可知组织均为板条马氏体。说明普通NM500钢板的淬透性能良好，可以获得全厚度的马氏体组织。表面和厚度1/4位置的组织相差不大，都是板条马氏体组织；心部位置虽然也是板条马氏体组织，但是却可以观察到大量析出物的存在，说明在淬火过程中心部的冷却速率较慢，发生了自回火，产生了大量的析出物。

图6为低成本NM500钢板厚度不同位置的组织，根据扫描电镜形貌可知钢板表面和厚度1/4位置均为全部的板条马氏体组织。合金减量化会降低淬透能力，但是现阶段高性能淬火机的使用可以达到实现低成本NM500钢板完全淬透的冷速，因此低成本NM500全厚度的组织均为板条马氏体。此外，由于合金减量化，在钢板心部未观察到大量析出物的存在。

对试样厚度1/4位置进行EBSD分析，通过EBSD数据处理得出晶界分布图和反极图，如图7所示。在一个原始奥氏体晶粒内存在多个板条束，板条束界为大角度晶界；板条束是由多个不同取向的板条块组成，板条块界也为大角度晶界；板条块内是多个平行的板条，板条界为小角度晶界。NM500的大角度晶界（HAGBs）占比为71.2%，小角度晶界（LAGBs）占比为28.8%；低成本NM500的大角度晶界占比为71.6%，小角度晶界占比为28.4%。2种实验钢的大角度晶界占比相近，大角度晶界占比对低温冲击韧性影响较大。通过反极图可知2种实验钢的晶粒取向为随机分布，不存在明显的织构现象，且板条特征明显，结合晶界分布图可以比较清楚地分辨出板条块。

根据图7中大角度晶界围成的面积获得板条块的等效圆直径，因为马氏体钢强度的控制单元为板条块，因此以板条块的大小作为有效晶粒尺寸，获得的晶粒尺寸分布如图8所示。NM500的平均晶粒尺寸为1.92 μm，低成本NM500的平均晶粒尺寸为1.94 μm。根据组织和EBSD的分析结果表明，在完全淬透的情况下，合金减量化对大角度晶界占比和晶粒尺寸影响较小。

2.2 力学性能分析

普通NM500钢板全厚度的宏观硬度在500HV～530HV之间波动（图9），心部硬度降低较小，全厚度硬度均匀性良好，但是在一侧厚度1/4位置出现一个硬度的峰值，结合全厚度的组织可知在厚度1/4位置存在白亮偏析带，偏析带处的硬度偏高，导致在1/4位置出现了异常的硬度峰值。而低成本NM500钢板全厚度的硬度也在500HV～530HV之间波动，全厚度硬度均匀性良好。

普通NM500的屈服强度为1 259 MPa，抗拉强度为1 591 MPa，伸长率为11.8%，而低成本NM500的屈服强度为1 222 MPa，抗拉强度为

1 583 MPa，伸长率为9.6%（图10）。两者的强度相差较小，屈服强度相差37 MPa，与合金减量化造成的固溶或者置换强化降低有关。由于去除了Ni元素的添加，因此造成伸长率略有降低。EBSD分析结果表明2种实验钢的有效晶粒尺寸相近，且低成本NM500钢板的有效晶粒尺寸略大，该分析结果也证明了低成本NM500钢板的屈服强度会略低于NM500钢板的屈服强度。

2种钢板在-40℃均可以获得良好的低温冲击韧性，普通NM500钢板的冲击功为64.5J，低成本NM500钢板的冲击功为58.8J，2种钢板的冲击韧性相差不大（表2）。EBSD分析结果表明2块钢板大角度晶界占比相近，低成本NM500钢板的大角度晶界占比略高，有利于冲击韧性的提高，而合金减量化会导致韧性降低，在2种因素的作用下导致低成本NM500钢板的冲击功略低于NM500钢板的冲击功，但是低成本NM500钢板仍可以具有良好的低温韧性。

2.3 耐磨性对比分析

干砂橡胶轮磨料磨损属于三体磨料磨损，其磨损失重量主要与硬度有关，通常来说随着硬度的提高磨损失重量降低，耐磨性增加。图11为2种实验钢的磨损失重量，低成本NM500钢板的硬度与普通NM500钢板的硬度相近，因此两者的磨损失重量相差不大，都在1.95 g左右，说明低成本NM500钢板可以获得良好的耐磨性能。

2种钢板的磨损形貌相近，均由犁沟、犁皱和剥落坑形貌组成，犁沟和犁皱是磨料磨损的典型形貌（图12）。2种实验钢犁沟的深度和宽度相近，说明两者的耐磨性相近，与磨损失重量的结果一致。同时还观察到嵌入基体的磨料，因为2种实验钢的硬度较高，因此在磨损过程中对磨料刺入基体以及在基体上滑动有较大的阻碍作用，导致磨料尖端发生断裂，嵌入在基体上，说明高硬度有利于耐磨性的提高。

3 结论

（1）低成本NM500钢板的碳当量为0.46，普通NM500钢板的碳当量为0.57，合金减量化有利于焊接性能的提高。

（2）低成本NM500钢板全厚度组织为板条马氏体，大角度晶界占比为71.6%，有效晶粒尺寸为1.94 μm，合金减量化对完全淬透的组织影响较小。

（3）低成本NM500钢板全厚度硬度均匀，波动较小，在500 HV～520 HV之间，屈服强度为1 222 MPa，抗拉强度为1 583 MPa，伸长率为9.6%，-40℃冲击功为58.8 J。高的大角度晶界占比和细小的等效晶粒尺寸使低成本NM500钢板获得良好的低温韧性。

（4）低成本NM500钢板的耐磨性和普通NM500钢板的耐磨性相同，且形貌均由犁沟、犁皱和少量剥落坑组成。