回火工藝對(duì)1100MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼組織和性能的影響

陳敏俠，易春洪，郝金鋒，張青學(xué)

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司 湖南湘潭 411101

1 序言

隨著工程機(jī)械向大型化、輕量化發(fā)展，市場(chǎng)上對(duì)工程機(jī)械用鋼的性能要求越來(lái)越高，同時(shí)也促進(jìn)了工程機(jī)械用鋼向超高強(qiáng)、高韌化方向發(fā)展[1，2]。2019年以前，國(guó)內(nèi)工程機(jī)械用屈服強(qiáng)度690MPa及以下級(jí)別高強(qiáng)鋼以國(guó)產(chǎn)為主[3]，而屈服強(qiáng)度960MPa及以上級(jí)別鋼主要依靠進(jìn)口[4-6]，國(guó)產(chǎn)該級(jí)別鋼在產(chǎn)品質(zhì)量、規(guī)格和供給能力方面都存在突出問(wèn)題，嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展[7，8]。我公司生產(chǎn)的超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼主要面向工程機(jī)械企業(yè)所用的中薄板，交付使用的厚度為6～20mm，主要應(yīng)用于起重機(jī)吊臂、支腿以及混凝土輸送泵車泵臂等承重及受力關(guān)鍵部位，產(chǎn)品主要包括Q890、Q960、Q1100三大系列超高強(qiáng)度用鋼。本文研究對(duì)象為1100MPa級(jí)超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼，簡(jiǎn)稱Q1100E鋼。在實(shí)際生產(chǎn)中，低合金馬氏體超高強(qiáng)鋼通常采用淬火+回火工藝生產(chǎn)。淬火階段使過(guò)冷奧氏體發(fā)生馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性及抗疲勞性能等；回火階段可以提高鋼的韌性和塑性，消除內(nèi)應(yīng)力，改善均勻化。但在一定溫度回火區(qū)間，超高強(qiáng)鋼易產(chǎn)生回火馬氏體脆性，同時(shí)也會(huì)對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。本文主要圍繞回火工藝對(duì)Q1100E鋼組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響展開(kāi)研究。

2 試驗(yàn)鋼冶煉化學(xué)成分及低倍控制

（1）冶煉化學(xué)成分 試驗(yàn)用Q1100E鋼冶煉化學(xué)成分見(jiàn)表1。

（2）低倍控制 低倍質(zhì)量要求達(dá)到中心偏析C類≤1.0級(jí)，A類和B類不允許存在，無(wú)內(nèi)裂紋、縮孔。對(duì)于不合格的低倍樣，該爐次進(jìn)行改鋼號(hào)處理，同時(shí)對(duì)前后爐次加取低倍樣。

3 回火工藝對(duì)Q1100E鋼力學(xué)性能的影響

利用淬火態(tài)Q1100E鋼板在不同工藝下進(jìn)行回火處理，表2為試驗(yàn)用Q1100E鋼在200℃、250℃、300℃、400℃，保溫時(shí)間均為60min后的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，變化趨勢(shì)如圖1所示。

表1 試驗(yàn)用Q1100E鋼冶煉化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 不同回火工藝Q1100E鋼力學(xué)性能

圖1 不同回火溫度Q1100E鋼力學(xué)性能

由圖1可知，隨著回火溫度升高，抗拉強(qiáng)度先增后降，在250℃回火時(shí)達(dá)到最大值，在300～400℃過(guò)渡時(shí)，抗拉強(qiáng)度變化不明顯。屈服強(qiáng)度隨回火溫度升高而逐步升高。沖擊吸收能量在回火后較淬火態(tài)有所降低，隨回火溫度升高變化規(guī)律不明顯，250℃回火時(shí)沖擊吸收能量最高。因此，綜合強(qiáng)度和沖擊吸收能量變化情況，當(dāng)回火溫度為250℃時(shí)性能較為理想。

表3 為Q 11 0 0 E 鋼 在2 5 0 ℃回 火，分 別 保溫30min、60min、90min、120min后的力學(xué)性能。變化趨勢(shì)如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，抗拉強(qiáng)度隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)而降低，屈服強(qiáng)度變化規(guī)律則截然相反，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)而增加。沖擊吸收能量隨時(shí)間變化與隨溫度變化規(guī)律類似。綜上可知，最佳回火時(shí)間為60min。

表3 不同保溫時(shí)間Q1100E鋼力學(xué)性能

圖2 不同保溫時(shí)間Q1100E鋼力學(xué)性能

4 回火溫度對(duì)Q1100E鋼組織的影響

4.1 回火溫度對(duì)Q1100E鋼沖擊斷口的影響

圖3所示為Q1100E鋼在不同回火溫度下，-40℃沖擊試樣不穩(wěn)定斷裂區(qū)的SEM斷口照片。從圖3可看出，當(dāng)回火溫度為150℃和200℃時(shí)，沖擊試樣斷口的不穩(wěn)定斷裂區(qū)均由韌窩組成，且后者對(duì)應(yīng)的小尺寸韌窩數(shù)量更多?；鼗饻囟葹?00℃時(shí)，不穩(wěn)定斷裂區(qū)為準(zhǔn)解理斷裂，斷面上有撕裂嶺和較多的二次裂紋。當(dāng)回火溫度升高到400℃時(shí)，斷口出現(xiàn)少量韌窩，不穩(wěn)定斷裂區(qū)為準(zhǔn)解理斷裂和韌性斷裂的混合模式，二次裂紋的數(shù)量減少。當(dāng)回火溫度為500℃和600℃時(shí)，不穩(wěn)定斷裂區(qū)均為韌性斷裂，與200℃以下回火Q1100E鋼相比，分布在大韌窩周圍的小韌窩尺寸明顯減小。大韌窩直徑3～12μm，最深，其底部有球狀?yuàn)A雜物。中等韌窩直徑1～1.7μm，較深，小韌窩直徑0.5～1μm，相對(duì)較淺。相對(duì)而言，回火溫度為600℃時(shí)，中等韌窩的比例更高。

4.2 回火溫度對(duì)Q1100E鋼微觀組織及碳化物析出的影響

圖3 -40℃夏比沖擊試樣不穩(wěn)定斷裂區(qū)的SEM斷口照片

圖4 不同回火溫度下Q1100E鋼的SEM顯微照片

（1）回火溫度對(duì)Q1100E鋼微觀組織的影響 圖4所示為Q1100E鋼在不同回火溫度下的微觀組織。由圖4可見(jiàn)，隨著回火溫度的升高，馬氏體基體中鐵的碳化物發(fā)生了明顯的變化。與淬火態(tài)組織相比，回火溫度為150℃、200℃時(shí)，馬氏體板條內(nèi)細(xì)小的過(guò)渡碳化物（ε碳化物）明顯增多，且200℃回火時(shí)對(duì)應(yīng)的ε碳化物數(shù)量更多?；鼗饻囟壬叩?00℃時(shí)，原始奧氏體晶界及馬氏體板條界上開(kāi)始析出針狀θ碳化物，即滲碳體，其長(zhǎng)度為0.12～2.05μm?；鼗饻囟冗M(jìn)一步升高時(shí)，滲碳體由針狀逐步變?yōu)榻驙?，且?shù)量不斷增多，分布更為彌散?；鼗饻囟葹?00℃時(shí)，近球狀滲碳體彌散地分布在原始奧氏體晶界和馬氏體板條界上。

（2）回火溫度對(duì)Q1100E鋼碳化物析出的影響 圖5所示為不同回火溫度Q1100E鋼碳化物的TEM顯微照片。從圖5可看出，在150～300℃回火時(shí)，馬氏體板條內(nèi)的ε碳化物呈針狀，長(zhǎng)度為26～120nm，隨著回火溫度升高，這些針狀碳化物的平均寬度由8nm增大到12nm，平均長(zhǎng)寬比由10減小到8。當(dāng)回火溫度超過(guò)300℃后，隨著回火溫度升高，馬氏體板條內(nèi)、板條界及原始奧氏體晶界上的滲碳體逐漸變短，形狀由針狀向近球狀（或橢圓狀）過(guò)渡。當(dāng)回火溫度為600℃時(shí)，馬氏體板條內(nèi)的碳化物極少，其長(zhǎng)度僅為14～32nm，平均長(zhǎng)寬比為1.5，馬氏體板條界及原始奧氏體晶界上的滲碳體長(zhǎng)度在33～129nm，平均長(zhǎng)寬比為3。

圖5 不同回火溫度Q1100E鋼碳化物的TEM顯微照片

5 結(jié)束語(yǔ)

1）淬火態(tài)Q1100E鋼在250～400℃回火，保溫時(shí)間均為60min時(shí)，隨著回火溫度升高，抗拉強(qiáng)度先增后降，在250℃回火時(shí)達(dá)到最大值，屈服強(qiáng)度隨回火溫度升高而逐步升高。沖擊吸收能量較淬火態(tài)有所降低，隨回火溫度升高變化規(guī)律不明顯，在250℃回火時(shí)沖擊吸收能量最高。

2）淬火態(tài)Q1100E鋼在250℃回火，且分別保溫30min、60min、90min、120min后，抗拉強(qiáng)度隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)而降低，而屈服強(qiáng)度變化規(guī)律則截然相反，隨回火時(shí)間延長(zhǎng)而增加。沖擊吸收能量隨時(shí)間變化與隨溫度變化規(guī)律類似，最佳回火時(shí)間為60min。

3）綜合屈服強(qiáng)度、沖擊吸收能量，以及回火溫度對(duì)Q1100E鋼沖擊性能、碳化物析出的影響，回火溫度250℃、保溫60min時(shí)的綜合性能較為理想，能夠保證超高強(qiáng)鋼具有良好的強(qiáng)韌性以及冷加工性能。