Ti含量对高Ti马氏体耐磨钢组织与性能的影响

刘海生，张晓娟，苑少强，李雷雷，武会宾，杨跃辉

(1. 唐山学院 河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室，河北 唐山 063000；
2. 北京科技大学 钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083)

耐磨钢诞生于1883年，目前已经发展到了第三代。其中，第一代为高锰奥氏体耐磨钢[1]，第二代为高铬铸铁[2]，现在广泛应用的则为第三代低合金耐磨钢[3-5]。此类钢具有优良的焊接性与力学性能，因此被广泛应用到煤炭、工程机械等领域。目前，提高低合金耐磨钢耐磨性能的最主要方式是提高基体的C含量，保证其拥有高的硬度，进而获得高的耐磨性能，但C含量的提高会使钢的塑韧性、加工性能和焊接性能降低，影响钢的综合力学性能与工艺性能。

近年来的研究发现，在钢基体中引入第二相颗粒可以在不增加C含量的基础上提高其耐磨性[6-8]。在这一方面，TiC颗粒具有高硬度(3200 HV)和低密度的优势，是理想的第二相颗粒[9-12]。目前TiC的引入可以分为外加法和内生法[13-14]，其中内生法是通过高Ti(>0.1%)的成分设计，使其基体内部原位内生TiC颗粒，此种方法获得的TiC颗粒与基体结合强度高，因此具有更好的耐磨性，但在研究中发现，当Ti含量较高时，在基体中析出时会形成“微米-亚微米-纳米”的三峰尺度，其中微米级的TiC颗粒在磨损过程中由于其超高硬度，会破损磨砂砾子，钝化尖角，减少磨损过程中对基体的磨损，进而可以提高基体的磨损性能，但微米级TiC颗粒的室温结构FCC型，在基体BCC型中为不共格析出，在基体受到塑性变形时，这些微米级的颗粒会作为应力集中源，使得基体的韧塑性一定程度的下降。

本文通过添加不同的Ti含量，对钢中微米级TiC颗粒的数量进行了分析，进而讨论了其对钢组织性能的影响，并讨论了回火过程中组织的演化及其对微米级TiC颗粒数量的影响。

1.1 试验材料

试验钢的化学成分如表1所示，为研究微米级Ti析出颗粒对钢性能的影响，在钢中分别添加了0.31%和0.55%的Ti。试验钢采用ZGJL0.05-100-2.5D型真空感应熔炼炉冶炼后浇注成25 kg的钢锭，将钢锭加热至1200 ℃保温2 h后锻成尺寸为100 mm×80 mm×60 mm 方锭，冷却至试室温后再加热至1200 ℃保温1.5 h，经热轧后获得12 mm厚的钢板，空冷至室温。对热轧扳进行淬火+回火处理，先加热至900 ℃保温1 h后水淬，再分别加热至180、230、300、400、500 ℃，保温1 h后空冷。

表1 试验钢的化学成分

1.2 试验方法

热处理后的试验钢在CMT4105电子万能试验机上进行拉伸试验，测定其强度与伸长率，拉伸速率2 mm/min，干砂/橡胶轮磨损试验则在MLG-130型干砂/橡胶轮磨损试验机上完成。

从热处理后钢板上切取金相试样，经研磨、抛光后，使用体积分数为4%的硝酸酒精浸蚀，再在QUANTAFEG450扫描电镜上进行组织观察和微区元素分析，并使用EVO18仪器的INCA Feature功能对试验钢中的TiC尺寸、数量进行精确定量统，扫描区域为5 mm×5 mm，选择了20个视场，扫描区域如图1所示。并用HV1000显微硬度计测定其维氏硬度，加载载荷为4.9 N，保荷为10 s。

图1 微米级TiC颗粒的扫描区域Fig.1 Scanning area of micro-sized TiC particles

2.1 Ti含量对显微组织的影响

图2为不同Ti含量试验钢的显微组织。可以看出，两种试验钢的马氏体在回火过程中的变化趋势基本一致，随着回火温度的升高，马氏体的回复越来越充分，板条发生合并，碳化物逐渐析出并粗化[15]。

图2(a)显示，0.55%Ti试验钢的板条明显比0.31%Ti 试验钢的板条细，马氏体板条的粗细与初始奥氏体晶粒大小有很密切的关系。两种试验钢由于都加入了Ti，因此轧制和回火过程易于形成纳米级TiC颗粒，纳米级的TiC颗粒在高温轧制时可以对原始奥氏体晶界起到钉扎作用，有效阻碍晶粒的长大[16]，但0.55%Ti试验钢中Ti含量更高，能够析出更多的TiC颗粒，因此其获得的晶粒更为细小。

从回火温度的影响来看，当回火温度为180 ℃时，两种钢的板条依然明显，但有粗化的迹象。同时，由图2(c,d)可以看到，两种钢均有微米级颗粒的出现，如箭头所示，EDS检测表明这些颗粒分别为TiN和TiC，TiC颗粒成不规则的形状，而TiN则成规则的矩形，其尺寸在5 μm左右。

回火温度为300 ℃时，组织中出现了较多的黑色产物，且在较低的倍数下观察发现0.55%Ti试验钢中黑色产物明显多于0.31%Ti试验钢，如图2(d)中箭头所示，EDS分析表明其大部分为TiC颗粒，后续的数量统计也证明了0.55%Ti试验钢中的微米级TiC颗粒多于0.31%Ti试验钢，表明更高的Ti含量将会有助于生成更多的微米级TiC颗粒。

图2 31Ti钢(a1～f1)和55Ti钢(a2～f2)不同温度回火后的SEM图(a)淬火态;(b)180 ℃;(c)230 ℃;(d)300 ℃;(e)400 ℃;(f)500 ℃Fig.2 SEM images of the 31Ti(a1-f1) and 55Ti(a2-f2) steel tempered at different temperatures(a) as-quenched; (b) 180 ℃; (c) 230 ℃; (d) 300 ℃; (e) 400 ℃; (f) 500 ℃

回火温度升高至400～500 ℃时，可以看到板条周围聚集越来越多的白色析出碳化物，如图2(f)所示，且组织中的板条结构逐渐消失。0.55%Ti试验钢在回火温度400 ℃时，尚能看到板条的结构，500 ℃时板条结构基本消失，而0.31%Ti试验钢在400 ℃时板条合并就十分明显，表明更高的Ti含量可以阻止马氏体板条的合并，提高马氏体的稳定性。

2.2 Ti含量对力学性能的影响

图3为两种试验钢在不同热处理工艺下的力学性能。可以看出，两种试验钢的抗拉强度和硬度均随着回火温度的升高而逐渐降低。这是由于随着回火温度的升高，C原子活动能力增强，逐渐从马氏体中脱溶出来，造成马氏体基体固溶强化作用减弱，导致钢的硬度、强度降低。

图3 不同热处理工艺下试验钢的力学性能(a)强度；
(b)硬度Fig.3 Mechanical properties of the tested steels under different heat treatment processes(a) strength; (b) hardness

同时，可以发现0.55%Ti试验钢的抗拉强度低于0.31%Ti试验钢，其主要原因是高的Ti含量导致基体中的C当量下降，故进一步导致钢的抗拉强度降低，但也可以看出0.55%Ti的屈服强度在各个回火温度上基本与0.31%Ti试验钢相当。文献[17]研究证明Ti的加入可以显著提高马氏体钢的屈服强度，该过程与Ti的纳米析出物有关，纳米级的TiC颗粒将会阻碍位错的运动，进而提高屈服强度。文献[18]根据Ashby-Orowan公式计算析出强化发现，析出的体积分数与析出强化值成正比，而Ti含量的提高将会使纳米级TiC析出量提高，因此其析出强化高于0.31%Ti钢。

2.3 Ti含量对耐磨性的影响

图4显示的是两种Ti含量的试验钢在干砂的磨损条件下的磨损质量损失。可以看出，在相同的热处理状态下，Ti含量的提高将会使得试验钢基体的磨损量降低，说明其具有更高的耐磨性能。在常规的耐磨钢中，一般认为耐磨性能是与基体硬度成正相关的，而根据图3的结果显示，Ti含量的提高会使得钢基体的强度有所下降，硬度则相差不大，但耐磨性能却有所提高，其主要原因为高Ti耐磨钢是通过引入大量微米级的TiC颗粒来实现耐磨性能的提高。

图4 干砂条件下试验钢的磨损质量损失Fig.4 Wear mass loss of the tested steels under drysand condition

采用扫描电镜的夹杂物自动扫描系统对两种试验钢的微米级的TiC颗粒(>0.9 μm)进行了定量化统计，结果如图5所示，可以看出，Ti含量的提高使得基体中微米级的TiC颗粒数量显著增加，使得钢的耐磨性能显著提升，且由图4也可以看出，耐磨性能的提升在更高回火温度时更明显，说明这些TiC颗粒对耐磨性能的提升有明显的作用。

图5 不同热处理工艺下试验钢中的微米级TiC颗粒(0.9～7 μm)密度统计Fig.5 Density of micro-sized (0.9-7 μm) TiC particles in the tested steels under different heat treatment processes

从图4也可以看出，随回火温度的升高，两种钢耐磨性能的变化规律存在差异。随着回火温度的上升，0.55%Ti试验钢的磨损量逐渐下降，500 ℃回火后则有所上升。0.31%Ti试验钢的磨损量则逐渐上升，500 ℃回火后则有所降低。这可能是由于当Ti含量较低时，在较低的温度下回火时组织中微米级的TiC颗粒较少(230 ℃回火时测得的颗粒数量即便较多，但由于回火温度较低，其中较大颗粒的数量仍较少)，耐磨性能主要依靠基体的硬度，基体硬度降低导致磨损量上升，500 ℃回火后碳化物大量析出，微米级硬质相对耐磨性能的作用逐渐显现，故磨损量有所降低。对于0.55%Ti试验钢，其中含有更多的微米级TiC颗粒，且随着回火温度的上升，产生微米级TiC颗粒的几率也更高，故试验钢耐磨性能主要受到TiC颗粒的影响，特别是当回火温度较高时，TiC颗粒的密度虽然较小，但其尺度必然变大，这些微米级TiC提高了钢的耐磨性能，磨损量相应减小。当500 ℃回火后钢的硬度明显降低(如图3)，表明基体显著软化，反而导致钢的耐磨性能变差，故磨损量有上升的趋势。

1) 相较于0.31%Ti含量，采用0.55%Ti含量时，在相同的热处理工艺下，试验钢的抗拉强度较低，硬度基本相当，但耐磨性能明显较高。

2) 高的Ti含量易于获得更多的TiC颗粒，使得基体中的C含量下降，导致钢的抗拉强度降低，但更多TiC颗粒的析出强化作用使其保持了高的屈服强度和硬度。

3) 当钢中微米级TiC颗粒较少时，钢的耐磨性能主要受基体硬度的影响，而当微米级TiC颗粒较多时，其对钢耐磨性能的影响更为明显。

4) 较低温度回火后析出的TiC颗粒较为细小，无法明显改善钢的耐磨性能。

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