淬火工藝對70mm Q960E鋼沖擊性能的影響

陳敏俠＊，易春洪

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司 湖南湘潭 411101

1 序言

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，尤其依托工業(yè)化和城鎮(zhèn)化拉動的基礎建設和能源需求量大幅增長，快速推進了工程機械和煤礦機械行業(yè)的發(fā)展[1，2]。與此同時，工程機械不斷向大型化、輕量化發(fā)展，促進了工程機械用鋼實際生產(chǎn)過程中，不斷向高級別、高韌性，以及更好的焊接性能這一基本目標奮進[3-7]。然而，就鋼鐵材料而言，一般情況下，提高鋼材強度的同時，往往伴隨著鋼材韌性的降低，即脆性增加，威脅到工件使用的安全性。文中研究的Q960E鋼屈服強度要求在960MPa以上、抗拉強度在980～1150MPa，在工程機械用鋼中，屬高鋼級產(chǎn)品，尤其針對70mm特厚規(guī)格，強度達到該級別要求時，－40℃沖擊溫度下，韌性指標會隨之下降。生產(chǎn)中除添加Ni合金元素來提升鋼板沖擊性能、添加B元素提高淬透性之外，通過優(yōu)化淬火階段冷卻工藝規(guī)程，提高冷卻速度，開展針對70mmQ960E鋼沖擊韌度的攻關(guān)。結(jié)果表明，淬火工藝對改善鋼板韌性發(fā)揮著積極作用。

2 冶煉成分及低倍控制

Q960E鋼冶煉化學成分見表1。

表1 Q960E鋼冶煉化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

低倍質(zhì)量內(nèi)控要求達到中心偏析C類≤1.0級，無內(nèi)裂紋，無縮孔，中心偏析A 類和B 類不允許存在。對于不合格的低倍樣，所在爐次做整爐降級改判處理，同時對前后爐次加取低倍樣。本文設計的鋼板爐次低倍質(zhì)量控制見表2。

表2 低倍控制 （級）

3 淬火工藝規(guī)程調(diào)整前后沖擊性能對比

下面述及淬火工藝規(guī)程調(diào)整前70mmQ960E鋼軋制及調(diào)質(zhì)后組織性能情況。

3.1 板坯加熱、軋制

板坯出鋼心部溫度要求≥1180℃，實際出鋼溫度1180～1210℃，I階段開軋溫度（心部模型溫度）≥1050℃，終軋溫度（心部模型溫度）≥980℃。中間坯厚度140mm，II階段開軋表面溫度≤850℃，終軋表面溫度760～810℃，返紅680～720℃。

3.2 調(diào)質(zhì)處理及沖擊性能攻關(guān)

（1）工藝優(yōu)化淬火設備 對70mmQ960E鋼開展沖擊韌度攻關(guān)進行淬火工藝優(yōu)化的淬火設備，采用的是東北大學國家重點實驗室研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多重阻尼超寬整體狹縫式噴嘴結(jié)構(gòu)，通過多重阻尼系統(tǒng)實現(xiàn)鋼板寬度方向射流速度的高均勻性分布。通過結(jié)構(gòu)內(nèi)的多重阻尼系統(tǒng)，保證沿鋼板寬度方向上噴水射流速度均勻，無淬火軟點和冷卻盲點，對薄規(guī)格鋼板淬火板形控制有顯著優(yōu)勢。圖1所示為整體式與分段式狹縫噴嘴長度方向上射流速度對比，整體式狹縫噴嘴射流速度沿鋼板長度方向更加均勻、穩(wěn)定，具有明顯的優(yōu)越性。

圖1 整體式與分段式狹縫噴嘴射流速度

工藝優(yōu)化采用的淬火設備高壓段射流噴嘴安裝角度及安裝精度優(yōu)化如圖2所示。實際生產(chǎn)過程中，不僅要確保對稱的距離參數(shù)及角度參數(shù)相等，而且要確保噴嘴沿鋼板寬度方向的兩側(cè)均保持一致，即確保上下噴嘴噴射水線的三維對稱精度。實現(xiàn)淬火工藝調(diào)整、改善沖擊性能用的淬火設備淬火工藝自動控制系統(tǒng)優(yōu)化體現(xiàn)在以下幾點。

圖2 射流角度與高度動態(tài)調(diào)節(jié)

1）水量參數(shù)高精度反饋控制。

2）水壓穩(wěn)定性控制，通過增加旁通管路及控制閥組，實現(xiàn)淬火過程冷卻水壓的高精度、高穩(wěn)定性控制。

3）鋼板位置微跟蹤精度。

4）上框架提升控制系統(tǒng)優(yōu)化。

（2）工藝優(yōu)化前后沖擊性能對比 該批次工藝優(yōu)化鋼板給定調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)見表3。

表3 70mmQ960E鋼調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)

首批生產(chǎn)鋼板，淬火、回火出爐溫度及在爐時間均符合工藝要求，淬火設備工藝規(guī)程采用常規(guī)品種70mm淬火工藝參數(shù)，即高壓段水量7578m3/h、水比1.45；低壓段水量1008m3/h、水比1.40。該工藝規(guī)程初次生產(chǎn)的4批代表板材－40℃1/4處沖擊初復檢均偏低，標準要求沖擊吸收能量單值≥19J、平均值≥27J，實際檢測的沖擊吸收能量見表4。由表4可見，首次采用70mm常規(guī)淬火工藝參數(shù)生產(chǎn)的4批Q960E鋼初、復檢沖擊功無一滿足標準要求。

表4 淬火工藝參數(shù)優(yōu)化前沖擊吸收能量

對沖擊性能不合格的其中3批代表板材試樣進行金相組織檢驗，如圖3～圖5所示。

圖3 試樣2金相組織（1/4處）

圖5 試樣4金相組織（1/4 處）

金相結(jié)果顯示，70mmQ960E鋼首次生產(chǎn)的不合批次試樣1/4處金相呈現(xiàn)粗大粒貝組織，是導致沖擊性能不合格的直接原因。工藝過程分析為淬火階段鋼板未淬透，馬氏體轉(zhuǎn)變未完全進行，產(chǎn)生粒貝組織導致韌性變差。進一步分析為高強度Q960級別工程機械用鋼，Cr、Mo、V、Ni等合金含量較其他鋼種明顯增加，淬火過程中采用常規(guī)淬火工藝參數(shù)冷卻速度偏小，未達到臨界冷卻速度的要求，導致鋼板淬透性差。

后續(xù)在調(diào)質(zhì)挽救過程中，有針對性地對該規(guī)格淬火工藝參數(shù)進行調(diào)整，其余淬火、回火工藝保持不變，進行沖擊性能對比。淬火工藝參數(shù)調(diào)整如下：將高壓區(qū)水量增加2000m3/h，即高壓區(qū)水量由原來的7578m3/h提高至9576m3/h，加大冷卻速度，以提高鋼板淬透性。4批不合格鋼板，經(jīng)工藝優(yōu)化后調(diào)質(zhì)挽救，沖擊吸收能量均一次檢驗合格，韌性改善明顯，沖擊值檢測數(shù)據(jù)具體見表5。

表5 淬火工藝參數(shù)優(yōu)化后沖擊吸收能量

隨即固化工藝，并推廣到保－40℃沖擊的高強厚規(guī)格及其他品種中，對厚板韌性攻關(guān)具有深遠的指導、推廣意義。

（3）工藝優(yōu)化后沖擊性能 對淬火工藝參數(shù)優(yōu)化后生產(chǎn)70mmQ960E鋼沖擊性能進行跟蹤，根據(jù)訂單需求量，淬火工藝參數(shù)調(diào)整后一段時間內(nèi)，該規(guī)格共計生產(chǎn)57批次，沖擊吸收能量平均值實測均滿足標準要求（平均值≥26J），沖擊性能合格率為100%。

過程控制能力如圖6所示，CPK值1.22，整體趨于穩(wěn)定，性能可控，后續(xù)根據(jù)訂單，在保證性能合格的前提下，繼續(xù)優(yōu)化工藝，以期CPK值實現(xiàn)最優(yōu)值，進一步提升沖擊性能整體穩(wěn)定性。

圖6 淬火工藝優(yōu)化后沖擊吸收能量過程能力分析

4 結(jié)束語

本文以問題為導向，以解決70mmQ960E特厚高強度工程機械用鋼沖擊性能不合格為出發(fā)點，通過查找問題根源，得知造成沖擊性能不合格的原因在于淬火態(tài)冷卻速度偏低，存在粒貝組織所致。隨即在后續(xù)的調(diào)質(zhì)挽救過程中，采用優(yōu)化淬火工藝參數(shù)，提高淬透性的方式，工藝調(diào)整前后，沖擊吸收能量得到改善明顯。另外，對采用優(yōu)化工藝生產(chǎn)的該規(guī)格鋼進行過程能力分析，CPK值1.22，性能可控，整體趨于穩(wěn)定，工藝得到固化，并將該淬火工藝規(guī)程推廣到其他品種鋼調(diào)質(zhì)淬火生產(chǎn)中。實踐證明，通過70mmQ960E鋼沖擊性能的攻關(guān)研究，對厚規(guī)格、高鋼級工程機械用鋼的生產(chǎn)工藝改進以及其他新品種的市場拓展等有著重要意義。