G12MnMo7-4鋼異常組織分析及調(diào)質(zhì)工藝優(yōu)化

常有余，宋仲明，李富燕，茍春林

（中車長江銅陵車輛有限公司，安徽 銅陵 244100）

G12MnMo7-4鋼為德國標(biāo)準(zhǔn)焊接性能良好的高強(qiáng)度鋼，執(zhí)行SEW 520-1990標(biāo)準(zhǔn)。在某型鑄件的生產(chǎn)過程中，采用910℃保溫3.5 h預(yù)正火，890～910℃保溫3 h急冷淬火+580℃保溫3 h回火工藝進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)后金相檢驗時，部分試樣發(fā)現(xiàn)局部出現(xiàn)異常組織。

淬火鋼在500～650℃回火時，滲碳體（Fe3C）聚集成較大顆粒，同時馬氏體針狀形態(tài)消失，形成多邊鐵素體，這種鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物稱為回火索氏體[1]。而生產(chǎn)鑄件取樣觀察顯微組織時發(fā)現(xiàn)淬火后馬氏體的特征依然大量保留，且局部出現(xiàn)保留長束的馬氏體特征的回火組織，與產(chǎn)品技術(shù)條件要求的回火索氏體無法嚴(yán)格對應(yīng)，對生產(chǎn)和檢驗判定工作造成困難。本文通過對異常組織試樣的化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織進(jìn)行檢測分析，研究異常組織產(chǎn)生原因。同時對該鋼種試樣分別在不同溫度進(jìn)行淬火和回火試驗，進(jìn)行工藝優(yōu)化。

1 異常組織試樣分析

G12MnMo7-4鋼鑄件調(diào)質(zhì)后異常組織見圖1中灰色部位，深色部位為回火索氏體組織，且整體組織不均勻。利用PDA-7000型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。該鋼種屬于低碳合金鋼，合金元素含量較高，且添加一定量的Mo元素。

表1 異常組織試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of the abnormal microstructure specimen（mass fraction，%）

圖1 G12MnMo7-4鋼鑄件調(diào)質(zhì)后的顯微組織Fig.1 Microstructure of the G12MnMo7-4 steel casting after quenching and tempering

采用CMT萬能材料試驗機(jī)，PTM2100-C1型擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)對一次調(diào)質(zhì)后有異常組織的試樣進(jìn)行性能分析，結(jié)果見表2?？梢娫撲摲N屈強(qiáng)強(qiáng)度（以Rp0.2計）和低溫沖擊吸收能量遠(yuǎn)高于SEW 520-1990要求，綜合性能良好。

表2 異常組織試樣的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the abnormal microstructure specimen

采用顯微硬度測試儀對組織中回火索氏體區(qū)域（見圖2（a））和異常組織區(qū)域（見圖2（b））進(jìn)行顯微硬度檢測，硬度測量結(jié)果見圖3。可見正常的回火索氏體區(qū)域硬度明顯高于異常組織區(qū)域，異常組織區(qū)域顯微硬度平均值較正常區(qū)域低40 HV0.2。

圖2 異常組織試樣硬度檢測點Fig.2 Hardness test points of the abnormal microstructure specimen

圖3 異常組織試樣的硬度Fig.3 Hardness of the abnormal microstructure specimen

采用掃描電鏡對G12MnMo7-4鋼調(diào)質(zhì)組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，其組織中存在重新結(jié)晶的不規(guī)則鐵素體晶粒，以及保留板條馬氏體特征的回火組織，異常組織晶粒粗大且保留了板條馬氏體的形態(tài)，而正常組織為細(xì)小均勻的回火索氏體。通常，合金馬氏體在高溫回火時，鐵素體往往難以再結(jié)晶，仍然保持條片狀形貌，其上分布著粒狀碳化物，這種組織常被稱為回火索氏體[2]。另有研究表明[3]P91鋼經(jīng)淬火+高溫回火后，得到回火托氏體組織。由于這種鋼中含有大量合金元素，阻礙再結(jié)晶，故淬火板條狀馬氏體在高溫回火時，鐵素體尚沒有發(fā)生再結(jié)晶，仍然保持著板條狀形貌[3]。

圖4 G12MnMo7-4鋼調(diào)質(zhì)組織Fig.4 Microstructure of the G12MnMo7-4 steel after quenching and tempering

參考ZG25MnCrNiMo金相圖譜[4]，調(diào)質(zhì)組織中存在一部分保留馬氏體特征的回火組織仍定義為回火索氏體，而粗大組織定義為過熱組織。李國寶等[5]利用TEM等手段研究Cr在低碳鋼中作用時發(fā)現(xiàn)，回火后，尤其是在較長的保溫時間下，基體中析出大量含Cr的碳化物，這些碳化物形貌不規(guī)則，且主要以鏈狀的聚集狀態(tài)沿晶界析出。因此G12MnMo7-4鋼的調(diào)質(zhì)組織仍屬于回火索氏體范疇。而其局部異常組織產(chǎn)生是因為G12MnMo7-4鋼屬低碳合金鋼，鑄件中難免存在局部元素偏析。調(diào)質(zhì)溫度較高時，局部產(chǎn)生過熱組織，因此需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)工藝優(yōu)化。

2 工藝優(yōu)化措施研究

由于G12MnMo7-4鋼淬火組織局部馬氏體晶粒粗大，因此對同一熔煉爐次鋼樣經(jīng)910℃保溫3.5 h預(yù)

正火后，分別在870～920℃保溫3 h淬火后觀察淬火馬氏體。圖5為該鋼不同溫度淬火后的顯微組織，組織為典型的板條狀馬氏體。其中910、920℃淬火馬氏體晶粒粗大，890℃淬火局部存在粗大馬氏體，870℃淬火后馬氏體晶粒細(xì)小，是相對比較合適的淬火溫度。

圖5 不同溫度保溫3 h淬火后G12MnMo7-4鋼的顯微組織Fig.5 Microstructure of the G12MnMo7-4 steel quenched at different temperatures for 3 h

將870℃淬火后試樣，分別在580～680℃保溫3 h進(jìn)行回火，分別觀察回火組織形態(tài)，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，隨著回火溫度的升高，淬火組織中板條狀馬氏體的板條特征逐漸減弱，淬火馬氏體的板條形態(tài)發(fā)生了粗化，但在很大程度上仍然保持著淬火馬氏體的位向和板條形狀。當(dāng)回火溫度達(dá)到680℃時，其中大部分板條界已經(jīng)不太明顯，碳化物顆粒已經(jīng)明顯粗化。

圖6 870℃淬火不同溫度回火后G12MnMo7-4鋼的顯微組織Fig.6 Microstructure of the G12MnMo7-4 steel quenched at 870℃and tempered at different temperatures

表3給出了870℃淬火+580℃回火后G12MnMo7-4鋼的技術(shù)指標(biāo)和實際試樣的測量值，

表3 G12MnMo7-4鋼經(jīng)870℃淬火+580℃回火后的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the G12MnMo7-4 steel after 870℃quenching+580℃tempering

由表4可見，G12MnMo7-4鋼調(diào)質(zhì)處理后的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度（以Rp0.2計）分別為635 MPa和530 MPa，高出技術(shù)要求30 MPa以上。斷后伸長率和低溫沖擊吸收能量更是遠(yuǎn)高于技術(shù)要求。

在生產(chǎn)中，綜合考慮組織及性能要求，回火溫度不能低于580℃，而在性能指標(biāo)富裕時，可提高回火溫度，使馬氏體充分轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w組織，滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求。G12MnMo7-4鋼由于Mn含量較高，而鑄鋼偏析現(xiàn)象較為普遍，因此在熱處理過程中，為防止局部組織過熱長大，淬火溫度的控制尤為重要。

3 結(jié)論

G12MnMo7-4鋼經(jīng)預(yù)正火及調(diào)質(zhì)處理后，會出現(xiàn)晶粒粗大，保留馬氏體位向的回火索氏體組織。產(chǎn)生異常組織的原因是：G12MnMo7-4鋼屬于低碳合金鋼，調(diào)質(zhì)淬火溫度較高時，局部產(chǎn)生過熱組織。經(jīng)改進(jìn)調(diào)質(zhì)工藝（870℃保溫3 h急冷淬火+580℃保溫3 h回火）處理后，能夠獲得較細(xì)的回火索氏體組織，且綜合性能良好，滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求。