NM400级低合金高强度耐磨钢的开发及其组织性能研究

摘要

低合金高强度耐磨钢由于具有高硬度、良好韧性和可焊接性，广泛应用于工作条件恶劣的工程、采矿等机械设备上，能在较大程度上抵抗磨损和冲击给设备带来的损失，延长机械设备使用寿命。随着工程机械行业的不断发展，低合金高强度耐磨钢的需求量显著增多。目前，国内生产中还存在着如合金添加量较多，力学性能不稳定，低温冲击韧性差等问题，给稳定的工业化生产带来一定困难。
　　基于此，本文针对用户需求量较大的NM400级高强度耐磨钢，对其轧制工艺及热处理过程中的组织演变及力学性能变化规律进行了系统研究。在普通C-Mn钢基础上，采用少量Ti、Cr、B等元素合金化处理，通过组织性能调控，开发出具有高强度、高硬度和良好低温冲击韧性的低成本NM400级低合金高强度耐磨钢板。主要研究内容如下:
　　(1)研究了连续冷却过程奥氏体相变规律，并对离线淬火处理(RQ-ReheatQuenching)及在线超快冷(UFC-Ultra Fast Cooling)两种生产方式进行了可行性分析。
　　随冷却速率的提高，冷却组织由粒状结构逐渐向愈加细化的板条状结构过渡。Mo、Ni元素均能降低铁素体相变温度、使CCT(Continuous Cooling Transformation)曲线右移。冷却速率在10℃/s以上时，各实验钢维氏硬度均高于400HV，采用RQ和UFC两种生产方式均具有可行性。
　　(2)分析了热变形奥氏体的动态再结晶规律、轧制及冷却工艺参数对轧后组织以及后续RQ组织转变的影响规律、轧制工艺及冷却路径对UFC组织转变的影响规律。
　　回归计算得出实验钢动态再结晶激活能为450.78kJ/mol，并得到其本构方程。低冷速下低温变形时容易形成粒状贝氏体，高温变形易形成宽板条贝氏体。提高冷速使板条变细。应变量增加，奥氏体晶粒内界面增多，抑制贝氏体板条长大。RQ工艺下，奥氏体晶粒尺寸随加热前的贝氏体相界面增多、板条细化、碳化物分散度提高以及原奥氏体晶粒尺寸减小而产生细化。UFC工艺下，直接淬火(DQ-Direct Quenching)可获板条马氏体，以10℃/s冷速冷至Ms点以下获贝氏体+马氏体，冷至Ms点以上获板条贝氏体。
　　(3)针对传统RQ工艺，研究了淬火温度和时间对组织、力学性能及淬透性的影响规律，分析了不同奥氏体化条件下淬火马氏体形态与微观亚结构的变化规律。
　　淬火温度在830～910℃，淬透性随温度升高逐渐提高，超过910℃淬透性降低。淬火温度低于850℃时，830℃淬火强韧性匹配较好;高于850℃时，910℃淬火时综合性能最佳;加热至930℃以上或时间延长，强韧性下降。随原始奥氏体晶粒尺寸增大，板条(Lath)宽度无明显变化，原奥氏体晶界、板条束(Packet)边界和板条块(Block)边界等大角度晶界比例减小，有效晶粒尺寸增加。
　　(4)提出了亚温淬火(IQ-Intercritical Quenching)热处理工艺，通过IQ或RQ+IQ处理对马氏体和铁素体的复相组织进行调控，在保证钢板硬度的同时提高钢板韧性。马氏体基体上铁素体的内部高密度位错及大量析出使其得到复合强化。大块的铁素体对韧性不利，细而分散的铁素体对韧性有利。保温时间延长，铁素体尺寸减小并愈加分散，强度和韧性均得到提高。RQ+IQ比IQ更易获得细而窄的铁素体和更好的韧性。
　　(5)针对UFC工艺，通过DQ方式获得多种强化机制强化的马氏体，提高钢板强度和硬度，且有利于缩短生产流程，节约资源和能源。
　　DQ的轧制过程会对原始奥氏体晶粒状态产生影响，奥氏体区反复变形使板条束尺寸变小，部分板条发生碎化和细化，获得高密度位错，增强了位错强化及细晶强化作用。
　　(6)分析了回火过程中的强韧性变化规律以及碳原子脱溶、碳化物析出、碳化物类型转变、残余奥氏体分解以及基体状态等微观结构变化。
　　在200℃和250℃回火时，马氏体板条上高密度位错、过饱和碳原子固溶、ε-碳化物细小弥散分布及板条间残余奥氏体薄膜使实验钢获得了硬度和低温冲击韧性的良好配合。300℃回火时，渗碳体代替过渡碳化物，残余奥氏体分解成碳化物，强度、硬度和韧性均下降。350℃以上，渗碳体开始粗化。500～600℃，板条界和原奥氏体晶界处渗碳体优先长大和球化，基体碳含量和位错密度显著降低，硬度大幅下降，韧性显著提高。Mo、Ni元素提高了抗回火软化能力。回火处理时应避开的脆性区间为300～400℃。
　　基于以上理论研究成果，并依托国产中厚板辊式淬火生产线，以较低的合金添加量，优化的生产工艺，在国内某钢厂成功生产出6～50mm的NM400级低合金高强度耐磨钢，合格率在99％以上，钢板力学性能均匀、稳定，薄规格板形及焊接性能良好。
　　此外，本文对典型工艺的实验钢、NM400成品钢及其它成品钢进行了冲击磨料磨损耐磨对比试验。结果显示，提高钢板硬度及韧性可提高耐磨性，NM400成品钢的相对耐磨性是Q235的6.36倍、Q345的4.31倍、进口同级别钢的1.37倍，耐磨性能优异。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 低合金高强度耐磨钢概述

1．2．1 耐磨钢的发展历史与应用

1．2．2 低合金高强度耐磨钢的主要特点

1．3 磨损机理及影响因素

1．3．1 磨损形式及分类

1．3．2 磨料磨损机理

1．3．3 影响材料耐磨性的因素

1．4 低合金高强度耐磨钢的生产工艺

1．4．1 板条马氏体微观结构

1．4．2 控制轧制及控制冷却

1．4．3 淬火热处理

1．4．4 回火热处理

1．4．5 合金元素在耐磨钢生产中的作用

1．5 低合金高强度耐磨钢的生产现状

1．5．1 国外生产现状

1．5．2 国内生产现状与发展趋势

1．5．3 目前存在的主要问题

1．6 论文的研究目的及内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

第2章 低合金高强度耐磨钢的奥氏体冷却相变

2．1 实验材料与方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验方案

2．2 实验结果及分析

2．2．1 连续冷却过程中的组织转变

2．2．2 合金元素对连续冷却转变的影响

2．2．3 变形温度对冷却转变的影响

2．2．4 离线淬火及在线超快冷生产NM400的可行性

2．3 本章小结

第3章 低合金高强度耐磨钢的轧制工艺模拟及组织演变

3．1 实验材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验方案

3．2 热变形奥氏体动态再结晶行为

3．2．1 应力-应变曲线

3．2．2 动态再结晶的显微组织

3．2．3 动态再结晶激活能的确定及本构方程的建立

3．3 轧后离线淬火工艺的组织控制

3．3．1 终轧温度对显微组织的影响

3．3．2 变形量对显微组织的影响

3．3．3 冷却速率对显微组织的影响

3．3．4 终冷温度对显微组织的影响

3．3．5 讨论

3．4 在线超快冷工艺的组织控制

3．4．1 直接淬火工艺的组织控制

3．4．2 不同冷却工艺的组织控制

3．5 讨论

3．6 本章小结

第4章 低合金高强度耐磨钢淬火过程的组织与性能控制

4．1 再加热淬火过程的组织性能控制

4．1．1 实验材料与方法

4．1．2 奥氏体化温度对组织性能的影响

4．1．3 奥氏体化温度对淬透性的影响

4．1．4 原始奥氏体晶粒尺寸对马氏体亚结构的影响

4．2 亚温淬火处理的组织性能控制

4．2．1 实验材料与方法

4．2．2 亚温淬火处理后的力学性能

4．2．3 亚温淬火处理后的显微组织

4．3 在线直接淬火的组织性能控制

4．3．1 实验材料与方法

4．3．2 直接淬火后的力学性能

4．3．3 直接淬火工艺的组织转变

4．4 本章小结

第5章 低合金高强度耐磨钢回火过程的组织与性能控制

5．1 实验材料与方法

5．1．1 实验材料

5．1．2 实验方案

5．2 实验结果及分析

5．2．1 板条马氏体在回火过程中的转变

5．2．2 回火转变对力学性能的影响

5．2．3 回火过程中碳的转变行为

5．3 讨论

5．4 本章小结

第6章 NM400级低合金高强度耐磨钢的工业化应用

6．1 化学成分及生产工艺

6．1．1 成分设计及生产工艺流程

6．1．2 冶炼及连铸坯质量控制

6．1．3 热轧工艺

6．1．4 热处理工艺

6．2 组织性能检测

6．2．1 铸坯质量及元素分布

6．2．2 热轧态钢板组织与性能

6．2．3 NM400力学性能检测

6．2．4 厚度方向组织及硬度分布

6．2．5 断口分析

6．2．6 钢板板彤

6．3 焊接性能

6．3．1 热影响区最高硬度试验

6．3．2 对接接头综合力学性能试验

6．4 本章小结

第7章 低合金高强度耐磨钢的耐磨性研究

7．1 实验材料及方法

7．1．1 实验材料与工艺

7．1．2 实验设备与方法

7．2 实验结果与分析

7．2．1 磨损失重与相对耐磨性

7．2．2 耐磨性的影响因素

7．2．3 磨损形貌及机理分析

7．3 本章小结

第8章 结论

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文、专利及科研成果

致谢

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