800 MPa級在線淬火水電鋼的回火處理

劉曉瑋， 周光杰， 譚小斌

(湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司， 湖南 湘潭 411101)

水力發電作為綠色潔凈能源正在國內外迅速推廣和發展，水輪機的蝸殼部位是水電設備中體積、質量最大的鋼板結構件，為減小引水管道系統的壁厚，降低現場施工和焊接的難度，800 MPa級高強水電鋼逐漸占據主導。800 MPa級高強度具有更大的抗壓能力，在實現綠色環保方面具有明顯優勢[1-2]，800 MPa級水電鋼因橫向沖擊性能要求高，各鋼廠一直采用離線調質熱處理工藝生產。基于MULPIC超快冷裝置，試驗800 MPa級水電鋼通過控制軋制+直接淬火(DQ)+回火工藝的技術路線取代原有生產工藝，達到節能減排綠色鋼鐵生產目的。

本文通過對30～45 mm厚的800 MPa級水電鋼，采用控制軋制+直接淬火工藝路徑，研究不同回火溫度下800 MPa級水電鋼的組織和性能，獲得其在最佳強韌性匹配條件下的回火溫度，以期為大規模生產提供一定指導。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗選用厚度260 mm連鑄坯，煉鋼過程為高爐鐵水→鐵水預處理→轉爐冶煉→LF爐冶煉→RH爐真空脫氣→連鑄。試驗鋼的成分采用低碳成分體系，通過添加合金元素Mn、Cr、Ni等和微合金元素Nb、V、Ti等以提高鋼板的強度，此外還通過添加少量的B提升鋼板的淬透性，同時為保證B發揮作用，除對鋼水中的N進行嚴格控制外，還適當提高了Al含量。試驗鋼的具體化學成分見表1。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

試驗板坯加熱溫度為1180～1220 ℃，在爐時間控制在220～280 min，保證板坯加熱溫度和合金溶解的均勻性，經5000 m雙機架軋機軋制為厚度30～45 mm鋼板。采取奧氏體再結晶區和未再結晶區兩階段軋制工藝，粗軋階段壓縮比2.3～3.3，粗軋單道次最大壓下率達到22%左右，充分發揮微合金元素細化奧氏體再結晶晶粒的效果。中間坯厚度≥2.5倍成品板厚，精軋階段開軋溫度890～940 ℃，精軋階段終軋溫度800～850 ℃，保證奧氏體未再結晶區應變累積量，達到晶粒充分細化效果。軋后快速入水冷卻，入水溫度在770～820 ℃之間，采用MULPIC的DQ冷卻模式，MULPIC前段水壓約5 MPa，終冷溫度200～300 ℃，淬火前的組織為位錯密度較高的扁平狀形變奧氏體，因形變熱處理效應達到優化的強度和韌性組合[3-4]。

對軋后鋼板進行取樣，試樣尺寸為300 mm×450 mm×T(鋼板厚度，mm)。樣板在箱式電阻爐中進行回火處理，如圖1所示，樣板以≤30 ℃/h的速率升溫至試驗溫度(620、650、680 ℃)，經50～80 min保溫后出爐空冷。表2為該鋼種的性能要求。

表2 800 MPa級水電鋼力學性能要求

圖1 回火工藝示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 回火工藝對性能的影響

試驗鋼經不同溫度回火處理后的拉伸性能變化情況如圖2所示。從圖2可以看出，屈服強度和抗拉強度隨回火溫度的升高逐漸下降，而伸長率隨回火溫度的升高逐漸上升。620 ℃回火處理后，屈服強度在830～900 MPa之間，抗拉強度在860～940 MPa之間，伸長率在15%～20%之間；650 ℃回火處理后，屈服強度在750～850 MPa之間，抗拉強度在790～860 MPa之間，伸長率在18%～21%之間；680 ℃回火處理后，屈服強度在720～780 MPa之間，抗拉強度在750～800 MPa之間，伸長率在18%～22%之間。總體上看，從620 ℃到680 ℃，回火溫度每升高30 ℃，屈服強度平均下降50～60 MPa，抗拉強度平均下降50～70 MPa，伸長率平均上升1%～3%。

圖2 回火溫度對試驗鋼力學性能的影響

試驗鋼經不同溫度回火處理后的沖擊性能變化情況如圖3所示。從圖3可以看出，盡管所檢測的沖擊吸收能量存在一定波動，但仍存在沖擊吸收能量隨回火溫度的升高逐漸上升的趨勢。620 ℃回火處理后，-20 ℃沖擊吸收能量在180～275 J之間，-40 ℃沖擊吸收能量在130～250 J之間；650 ℃回火處理后，-20 ℃沖擊吸收能量在220～300 J之間，-40 ℃沖擊吸收能量在170～280 J之間；680 ℃回火處理后，-20 ℃沖擊吸收能量在240～300 J之間，-40 ℃沖擊吸收能量在230～270 J之間。從620 ℃到680 ℃，回火溫度每升高30 ℃，-20 ℃沖擊吸收能量上升10～25 J，-40 ℃沖擊吸收能量上升15～30 J。另外，-40 ℃沖擊吸收能量在各回火溫度下比-20 ℃沖擊吸收能量低20～50 J。

圖3 回火溫度對試驗鋼沖擊吸收能量的影響

根據試驗鋼拉伸和沖擊性能數據，將試驗鋼的抗拉強度與不同回火溫度的沖擊吸收能量相乘，得到試驗鋼的強韌積，不同溫度回火處理后試驗鋼的強韌積變化情況如圖4所示。從圖4可以看出，-20 ℃強韌積的均值隨回火溫度的變化不大，但其最低值存在隨回火溫度升高而逐漸上升的趨勢，-40 ℃強韌積也存在這樣的趨勢。另外，通過觀察圖4(b)可以發現，-40 ℃ 強韌積的平均值從620 ℃到650 ℃上升較快，而從650 ℃到680 ℃趨于平緩。

圖4 回火溫度對試驗鋼強韌積的影響

2.2 回火工藝對組織的影響

試驗鋼經不同溫度回火處理后的顯微組織如圖5所示。從顯微組織來看，在線淬火試樣的組織為板條形貌的馬氏體和貝氏體；各回火溫度處理后的組織均為回火貝氏體組織，其中620 ℃回火處理的組織主要是板條狀的回火貝氏體組織，板條束的取向各異，板條束內部存在較多的細小碳化物腐蝕痕跡；650 ℃回火后組織與620 ℃回火后的組織類似，但板條組織開始出現多邊形化特征，部分板條束發生合并，碳化物發生了向晶界和板條束之間的聚集；680 ℃回火后的組織中可觀察到明顯的多邊形化特征，并可以觀察到碳化物呈現粒狀的特征。

圖5 試驗鋼經不同溫度回火后的顯微組織

3 討論

通過不同溫度回火處理后的力學性能與800 MPa級水電鋼性能要求的對比可以發現，在強度方面，試驗鋼經3種溫度回火處理后的屈服強度均能滿足性能要求，其中620、650和680 ℃回火處理的屈服強度最低富余量分別為140、60和30 MPa；試驗鋼經680 ℃回火處理的抗拉強度存在低于性能要求下限的情況，經620 ℃和650 ℃回火處理的抗拉強度均滿足性能要求，但620 ℃回火處理的抗拉強度顯然過高了。在韌性方面，試驗鋼經3種回火溫度處理后的-20 ℃和-40 ℃沖擊性能均滿足要求，且富余量充足。通過對試驗鋼各回火溫度處理后的強韌性對比發現，3種回火溫度處理的強韌積差別不大，由此可以判斷650 ℃是試驗鋼的最佳回火溫度。

通常800 MPa級水電鋼采用鋼板控軋+離線淬火+回火的方式生產，本試驗采用鋼板控軋+直接淬火+回火的方式生產。試驗鋼采用低碳成分體系，通過Nb、V、Ti等微合金元素的添加降低了原始奧氏體晶粒度長大傾向，粗軋階段在再結晶區軋制，細化奧氏體晶粒尺寸，精軋階段在未再結晶區軋制，奧氏體晶粒被壓扁伸長；試驗鋼在隨后的直接淬火過程中，組織基本也保持了相應的板條形貌。試驗鋼板直接淬火入水溫度在770～820 ℃，低于常規的離線淬火溫度，這主要是因為鋼板是經過加熱和軋制后直接入水淬火，只需要保證鋼板溫度大于Ar3，即可保證在直接淬火前仍為奧氏體組織，另外在線淬火的奧氏體組織是經過變形的奧氏體組織，有更強的相變驅動力，其組織的細化程度進一步提高，從而保證了試驗鋼的強韌性。觀察直接淬火及回火處理后的組織可以發現，回火組織基本保留了淬火組織的細小板條特征，試驗鋼經直接淬火處理，組織轉變成了貝氏體+馬氏體組織。回火處理會使鋼中的組織發生位錯減少、歸并，碳化物析出、長大，晶界移動，組織多邊形化等現象[5-7]。另外，隨回火溫度的升高，試驗鋼的強度上下限呈現同時下降趨勢，而沖擊吸收能量的下限的上升趨勢明顯快于上限，這說明組織變化存在兩種趨勢：一是位錯減少、第二相粒子數量變少，造成強度降低；二是組織均勻性提高，提高了沖擊吸收能量的穩定性。由試驗鋼3種回火溫度處理后的組織變化趨勢可以發現，在620～680 ℃回火處理主要發生了位錯歸并、碳化物長大和組織多邊形化的變化，當試驗鋼在650 ℃出現最佳強韌性匹配性能時，試驗鋼中的組織也達到最佳狀態，此時組織中的板條形貌和碳化物尺寸分布達到最佳匹配效果。

4 結論

1) 在620～680 ℃回火溫度區間內，800 MPa級頭電鋼的屈服強度、抗拉強度隨回火溫度的上升而下降，伸長率隨回火溫度的上升而上升，回火溫度每升高30 ℃，屈服強度平均下降50～60 MPa，抗拉強度平均下降50～70 MPa，伸長率平均上升1%～3%；沖擊性能隨回火溫度的升高而上升，回火溫度每升高30 ℃，-20 ℃沖擊吸收能量上升10～25 J，-40 ℃沖擊吸收能量上升15～30 J。

2) 試驗鋼經620、650和680 ℃回火處理后的強韌積接近，其中經620 ℃回火后的抗拉強度過高，而經680 ℃回火后的抗拉強度過低。綜合來看，試驗鋼在650 ℃回火后可以達到最佳的強韌性匹配。

3) 試驗鋼經620、650和680 ℃回火后的組織為回火貝氏體，隨回火溫度的升高，組織中的板條束變大，碳化物逐漸長大，680 ℃回火處理后組織中的碳化物呈粒狀分布，貝氏體形貌呈現多邊形特征。

4) 800 MPa級水電鋼采取軋后在線直接淬火+回火工藝，可以達到性能要求，沖擊吸收能量穩定且較技術要求有較多富余值。800 MPa級水電鋼可通過軋后在線直接淬火+回火工藝達到節能減排綠色鋼鐵生產目的。