600 MPa級在線淬火型高強鋼回火顯微結構研究

侯東華

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照276800）

1 前言

與傳統的調質工藝相比，在線淬火工藝（DQ）省略再加熱奧氏體化過程，節約能源并簡化生產工藝，降低生產成本，減少污染。隨著國內鋼鐵行業設備的升級，許多有較高綜合性能要求的高強鋼開始采用在線淬火加離線回火的工藝生產［1］。在線淬火的實質是在熱軋終了軋件處于奧氏體組織時，通過急冷處理使軋件組織產生馬氏體和貝氏體相變。此外，鋼板淬硬性增大能提高低碳鋼和低合金鋼的強度［2］，可以降低合金元素含量從而降低了碳當量，改善其焊接性能，使材料的組織性能得到較大提高［3-5］。本研究利用Gleeble 1500熱模擬試驗機，對在線淬火型600 MPa級高強鋼在不同回火工藝下的組織特點與第二相粒子進行觀察，對在線淬火型高強鋼回火組織、粒子析出行為規律進行分析，以期并對該類產品的生產提供指導。

2 試驗材料與方法

試驗材料選自批量化生產的大熱量輸入焊接用600 MPa級高強度鋼板，鋼的主要化學成分：C 0.08%、Si0.25%、Mn 1.60%、Mo 0.20%，另有少量微合金元素（Nb、V、Ti）。采用的生產工藝流程為：KR鐵水脫硫、冶煉、精煉、連鑄、粗軋、精軋、在線淬火、回火等。

將試驗材料加工成Φ10 mm×15 mm的圓柱形熱模擬試樣，在MMS-200熱模擬試驗機上進行熱模擬試驗。試驗方法：將試樣加熱至1 200℃后，保溫3 min；以5℃/s的冷速冷至1 100℃，變形30%；以5℃/s冷至840℃，變形25%；再以25℃/s冷至室溫。隨后分別在530℃、590℃、620℃、650℃的溫度下進行回火處理，回火時間為20 min。

將熱模擬試驗后的樣品利用Struers精密切割機沿試樣中心剖開，鑲嵌后利用Struers自動磨拋機進行機械研磨拋光處理，最后再在手動磨拋機上進行最終拋光處理，4%硝酸酒精溶液侵蝕，利用Olympus金相顯微鏡觀察金相組織。回火試樣經金相組織觀察后進行表面真空噴碳處理，對碳化物進行萃取復型，將碳膜置于銅網上觀察其TEM形貌。碳化物觀察在FEITecnai G2 F30場發射透射電子顯微鏡上進行，加速電壓300 kV。

同時，對現場批量生產鋼板取樣進行第二相析出物能譜分析以及綜合性能檢測，現場批量生產鋼板的回火溫度為620℃，回火時間為2.0 min/mm。

3 試驗結果及分析

3.1 不同回火溫度下的金相組織

試樣的回火過程是組織逐漸向平衡態的轉變過程，組織轉變的同時釋放內應力，消除內部位錯，合金元素以碳氮化物的形式從貝氏體中析出，降低晶粒內部的固溶度。圖1為試驗鋼不同溫度回火后的金相組織。回火溫度為530℃時，C和合金元素未能充分擴散，回火組織中仍保留了原始組織的大部分形態，金相組織主要為粒狀貝氏體加少量板條貝氏體（見圖1a）；590℃回火時，貝氏體開始發生轉變，析出少量多邊形鐵素體，組織仍以貝氏體為主（見圖1b）；當回火溫度為620℃時，多邊形鐵素體數量增加，顯微組織呈現為回火貝氏體加多邊形鐵素體的混合組織特征（見圖1c）；回火溫度繼續升高到650℃時，貝氏體特征基本消失，組織以多邊形鐵素體為主，在鐵素體周圍包含少量貝氏體組織（見圖1d）。

隨回火溫度的升高，貝氏體數量逐漸減少，顯微組織向平衡態轉變，多邊形鐵素體含量增多，平均晶粒尺寸逐漸增大。這種組織轉變在降低強度的同時，會改善材料的塑性和沖擊韌性。

圖1 840℃終軋、25℃/s冷速冷卻不同溫度回火后試驗鋼的金相組織

3.2 回火后析出的第二相

圖2 為不同回火溫度回火后試驗鋼的析出相形貌，可以看出，隨回火溫度的升高，伴隨著內部缺陷的減少，回火產物中碳氮化物在晶界和晶內的析出量逐漸增多，析出物尺寸增大；碳化物形貌主要由以方形為主轉變為橢圓形增多，同時滲碳體和復合析出的相數量明顯增多。

圖2 試驗鋼不同溫度回火后析出碳化物的形貌

圖3 鋼板620℃回火后典型析出相形貌及能譜分析

回火溫度較低時，析出物主要位于晶界處，隨著回火溫度的升高，在晶粒內析出復合型Nb（C、N）+V（C、N）+Ti（C、N）化合物，復合型粒子析出量逐漸增多，大多數附著于TiN粒子，以此為核心包覆析出。復合相隨著Nb、V碳氮化物的增多，形狀逐漸由方形向圓形轉化。隨回火溫度的升高，析出物尺寸逐漸增大，析出物的最大尺寸由50 nm增大至100 nm以上。

3.3 產品實物第二相分析及性能

析出物的形貌、分布和數量對鋼板的性能影響較大，100 nm的大尺寸析出物已經失去第二相粒子的強化作用。結合金相組織，在650℃以上繼續升高回火溫度，除強度下降嚴重，鋼板的塑韌性也會隨著晶粒尺寸和析出物尺寸的增大急劇下降。因此，回火溫度不宜太高，推薦620℃。采用620℃回火的鋼板實物產品組織中析出的第二相粒子形貌及能譜分析結果見圖3。

由圖3可以看出，回火后實物鋼板組織中析出物主要為Nb、V、Ti的碳氮化物和Fe、Mn的碳化物，其中以方形的TiN居多。

表1為采用在線淬火、620℃離線回火的試驗鋼板的典型性能。采用在線淬火配合高溫回火的鋼板可以獲得良好的綜合性能，強塑性俱佳，低溫韌性優良。

表1 批量生產鋼板在線淬火、620℃回火后力學性能

4 結論

4.1 回火溫度對在線淬火后鋼板的顯微結構特征有較大的影響，試驗鋼在回火溫度為620℃時，顯微組織主要為回火貝氏體和多邊形鐵素體，晶粒較為細小。混合組織保證了鋼板具有良好的綜合機械性能。推薦該高強鋼的回火溫度為620℃。

4.2 隨回火溫度的升高，第二相粒子析出量增多，析出物形貌由方形逐漸轉變為圓形。

4.3 在試驗回火溫度下析出物主要由TiN及依附其上形核長大的Nb、V碳氮化物、滲碳體等組成。

4.4 回火溫度繼續升高，析出物整體數量和尺寸均增大，同時大尺寸析出物數量增多。