淬火工藝對Q1100超高強度工程機械用鋼組織與性能的影響

閆強軍 溫長飛 姜在偉 張儀杰 鄧想濤

(1.南京鋼鐵股份有限公司中厚板廠，江蘇 南京 210035；2.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

近年來，工程機械和礦山機械等行業的迅速發展對高強度結構用鋼的需求日益增大，對鋼板強度級別的要求也在不斷提高[1- 3]。應用高強度結構鋼對提高工程機械裝備的載荷能力、延長使用壽命、減重和降低能耗都具有十分重要的意義。目前，屈服強度900 MPa以上的高強度結構鋼主要通過低碳低合金的成分體系，充分發揮微合金元素(Nb、V和Ti)的作用，結合控軋控冷技術(TMCP)和調質處理來獲得所需要的高強度、良好韌性和焊接性能[4- 6]。對于低合金高強度結構鋼，淬火溫度的選擇至關重要，溫度太低則奧氏體化不完全，太高則會造成奧氏體晶粒的粗化，對材料的綜合性能不利；加熱時間也會對鋼的奧氏體化過程產生影響，加熱時間短，奧氏體成分不均勻，時間過長，能源消耗增多，生產效率降低，制造成本增加[7- 9]。因此，本文以屈服強度為1 100 MPa級的超高強度工程機械用鋼為研究對象，研究淬火工藝參數(溫度和時間)對試驗鋼顯微組織和力學性能的影響，從而確定能夠獲得最佳綜合力學性能的淬火工藝。

1 試驗材料與方法

試驗用鋼為厚度8 mm的Q1100熱軋鋼板，其化學成分(質量分數，%)為：C0.17～0.20，Si 0.20～0.30，Mn 0.80～1.20，P≤0.010，S≤0.005，Cr 0.40～0.60，Ni+Mo<2.0，Nb+V+Ti<0.08，B 0.001～0.002，Fe余量。利用全自動相變儀，參照GB/T 5056—1985 鋼的臨界點測定方法，采用熱膨脹法測定試驗鋼的相變點。將試樣加工成φ3 mm×10 mm的圓柱試樣，并在試樣的一端加工出φ2 mm×2 mm的盲孔，作為測溫熱電偶的插孔，用焊在插孔底部的鉑- 銠熱電偶測量溫度。以0.05 ℃/s的速率從室溫加熱到950 ℃，保溫5 min后以50 ℃/s的速率冷卻至室溫。根據膨脹法測定試驗鋼的平衡相變溫度Ac1和Ac3分別為675和814 ℃，Ms和Mf分別為411和310 ℃。在箱式電阻爐中對試驗鋼板進行加熱，根據Ac3設定淬火加熱溫度區間為840～900 ℃，溫度間隔為20 ℃，保溫時間為5～45 min，水淬至室溫后，再對鋼板進行230 ℃回火。

采用電液伺服萬能試驗機和INSTRON 9250落錘沖擊試驗機測試不同工藝淬火的鋼板的橫向室溫拉伸性能和縱向-40 ℃低溫沖擊韌性。沿鋼板橫剖面(垂直于軋制方向)截取金相試樣，試樣經研磨和拋光后，采用體積分數4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，然后在LEICA DMIRM光學顯微鏡(OM)和FEI Quanta600掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察試驗鋼的顯微組織；采用雙噴電解減薄方法制取透射薄膜試樣，電解液采用體積分數9%的高氯酸酒精溶液，通過FEI- Tecnai G2 F20透射電鏡(TEM)觀察試樣的精細組織；將金相試樣重新拋光后用70 ℃的飽和苦味酸水溶液腐蝕出原始奧氏體晶界，然后采用截線法統計不同溫度淬火的試驗鋼的原始奧氏體晶粒尺寸。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

如圖1所示，熱軋態試驗鋼的顯微組織主要為粒狀貝氏體，原奧氏體晶粒經兩階段控軋后明顯被拉長。

圖1 熱軋態試驗鋼的(a)OM和(b)SEM照片Fig.1 (a) OM和 (b) SEM micrographs of hot- rolled test steel

經不同溫度淬火的試驗鋼的顯微組織如圖2和圖3所示，可以發現，試驗鋼的淬火組織均為典型的板條馬氏體，板條形貌在光學顯微鏡下較難分辨，經不同溫度淬火的試驗鋼的光學顯微組織無明顯差異。由于低碳鋼的馬氏體轉變開始溫度Ms和終止溫度Mf都較高，因此試驗鋼經水淬后即可得到全馬氏體組織，不會出現明顯的殘留奧氏體。由圖3可以看出，通過SEM能夠清晰地分辨出不同溫度淬火的試驗鋼中的馬氏體板條束和板條尺寸，但板條的形貌仍難以辨別。此外可以看出，840和860 ℃淬火的試驗鋼中的馬氏體板條束尺寸明顯要小于880和900 ℃淬火的(圖3(a、d))。

試驗鋼淬火后的TEM照片如圖4所示，可見其組織主要由高位錯密度的馬氏體板條構成，板條寬度為200 nm左右。此外，馬氏體板條內部分布著方向各異的ε碳化物，長度為100 nm左右，這主要是由于試驗鋼的Ms點高達411 ℃，因此在淬火過程中必然會發生一定程度的自回火，從而促使部分碳化物的形成。

圖2 經不同溫度淬火的試驗鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of the test steel quenched from different temperatures

圖3 經不同溫度淬火的試驗鋼的SEM照片 Fig.3 SEM micrographs of the test steel quenched from different temperatures

圖4 淬火態試驗鋼的TEM照片Fig.4 TEM micrographs of as- quenched test steel

2.2 原始奧氏體晶粒

經不同溫度淬火的試驗鋼的原始奧氏體晶粒及其平均晶粒尺寸分別如圖5和圖6所示。從圖5中可以發現，淬火溫度為840 ℃時，奧氏體晶粒尺寸最小。隨著淬火溫度的升高，晶粒緩慢長大，當淬火溫度進一步升至900 ℃時， 奧氏體晶粒明顯長大，較840 ℃時的奧氏體平均晶粒尺寸增大了約4.5 μm。當淬火溫度較低時，微合金元素(Nb、V)的碳- 氮化物釘扎原始奧氏體晶界，阻礙奧氏體晶粒長大，所以奧氏體晶粒長大速度相對緩慢。隨著淬火溫度的升高，尤其當溫度升高到900 ℃時，微合金元素(主要是V)的碳化物由于固溶到奧氏體中從而使釘扎奧氏體晶界的作用減弱，所以該溫度下奧氏體晶粒長大比較明顯。

圖5 經不同溫度淬火的試驗鋼的原奧氏體晶粒形貌Fig.5 Morphologies of prior austenite grains of the test steel quenched from different temperatures

圖6 經不同溫度淬火的試驗鋼的平均奧氏體晶粒尺寸Fig.6 Average sizes of prior austenite grains of the test steel quenched from different temperatures

相關研究表明[10- 12]，對于板條馬氏體鋼，馬氏體板條束(packet)和板條塊(block)的尺寸與原始奧氏體晶粒尺寸呈線性關系，板條束尺寸隨著原始奧氏體晶粒尺寸的減小而減小，屈服強度和沖擊韌性均隨著板條束尺寸的減小而增大，因此板條束尺寸是控制板條馬氏體鋼強韌性的重要組織因素。

2.3 力學性能

經不同溫度淬火的試驗鋼的力學性能如圖7所示，可以發現隨著淬火溫度的升高，屈服強度逐漸降低。這是因為840 ℃淬火的鋼的奧氏體平均晶粒尺寸最小，進而得到尺寸較小的馬氏體板條束，根據霍爾佩奇公式σs=σ0+kd-1/2，細化晶粒能夠提高屈服強度，對于板條馬氏體鋼，d代表板條束的尺寸。淬火溫度相同，隨著保溫時間的增加，屈服強度先升高后下降，在保溫時間為15 min時，屈服強度基本達到最高值(見圖7a)。隨著淬火加熱溫度的升高和保溫時間的增加，試驗鋼的斷后伸長率均不斷降低，且當保溫時間少于15 min時的斷后伸長率較高，隨后繼續延長保溫時間，斷后伸長率的變化不明顯(見圖7b)。分析認為，這是由于保溫時間較短時晶粒比較細小，可以在更多的晶粒內開動位錯和增殖位錯， 即細小的晶粒能使塑性變形更均勻，減小不均勻變形造成的應力集中，從而得到較高的塑性。隨著淬火溫度的升高和保溫時間的增加，試驗鋼的低溫沖擊韌性先升高后降低，并且在較高淬火溫度(900 ℃)和較長保溫時間(45 min)時，沖擊吸收能量下降得更為明顯。當淬火溫度為860 ℃、保溫時間為10 min時，試驗鋼的韌性最佳。

圖7 淬火工藝對試驗鋼力學性能的影響Fig.7 Effect of quenching processes on mechanical properties of the test steel

從強度指標來看，當淬火溫度為840 ℃、加熱時間15 min時，試驗鋼的屈服強度最高，雖然獲得最佳沖擊韌性的加熱時間為10 min，但根據標準要求，此時的沖擊吸收能量較屈服強度有更多的富余值，所以應優先考慮強度指標。為得到優良的綜合力學性能，8 mm厚Q1100試驗鋼板的最佳淬火工藝為840～860 ℃加熱，保溫10～15 min。

3 結論

(1)當淬火溫度由840 ℃增加到900 ℃時，試驗鋼的奧氏體平均晶粒尺寸由9 μm增加到12.5 μm。

(2)隨著淬火溫度的升高，試驗鋼的屈服強度和斷后伸長率均逐漸降低，而低溫沖擊韌性則先升高后降低；隨著保溫時間的延長，試驗鋼的屈服強度和低溫沖擊韌性先升高后降低，而斷后伸長率降低到一定程度后基本保持不變。

(3)淬火工藝為840～860 ℃加熱、保溫10～15 min時，試驗鋼能夠獲得最優的強韌性。