調質熱處理對EH47船板鋼顯微組織的影響

李洪楠 張紅梅,3 趙大東 王漸靈 劉煥然 李 娜 姜正義,3

(1.遼寧科技大學材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051； 2.鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000；3.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009)

近年來，由于海洋貿易日益頻繁，海洋工程建設與深海探索活動蓬勃發展，船舶更新換代周期越來越短，世界市場對船板鋼的需求與日俱增[1- 3]。船體結構用鋼是船舶制造的重要材料，主要用于制造遠洋及內河航運船舶的船體、甲板等。為了達到船舶制造業對船體結構用鋼的強度和韌性等性能的要求，高強度船體結構用鋼應運而生[4- 6]。目前已開發了各種級別的船體結構用鋼以滿足不同性能要求，主要包括普通強度船體結構用鋼、高強及超高強度船體結構用鋼以及海洋平臺用Z向船體結構用鋼等。船體結構用鋼的成分設計已從低碳多元素向復合微合金化方向發展，相應的船體結構用鋼強度已從低強度逐步達到高強度、超高強度級別[7- 9]。

張杰等[10]的研究表明：控軋控冷態60 mm厚的E550船板鋼經調質處理后，屈服強度隨著淬火溫度的升高而增加，而抗拉強度和斷后伸長率基本不變。帥勇等[11]研究了回火工藝對海洋工程用E690鋼組織與性能的影響，發現試驗鋼回火后的組織主要為板條貝氏體，隨著回火溫度的提高，板條貝氏體向粒狀貝氏體轉變。劉學一等[12]采用低碳、微合金化成分設計，結合控軋控冷工藝開發出了40 mm厚F36高強船板鋼，其組織以針狀鐵素體和準多邊形鐵素體為主，力學性能良好。

隨著未來北極航線的開發，國家實施遠洋戰略的需要，將有更多的極地破冰船、運輸船、大型軍艦、深海探測器在低溫嚴寒地區服役，建造這些船舶則需要更多的高質量厚板鋼[13- 14]。本文以EH47船板鋼為研究對象，在實驗室試驗研究了不同淬火溫度和回火溫度對EH47鋼顯微組織的影響。

1 試驗材料與方法

試驗材料采用EH47級 60 mm厚船板鋼，其化學成分如表1所示。熱處理試樣的尺寸為30 mm×30 mm×10 mm。調質處理工藝為：淬火溫度分別為870、900、930和960 ℃，保溫30 min；回火溫度分別為580、610、640和670 ℃，保溫30 min空冷。

表1 試驗鋼的化學成分 (質量分數)Table 1 Chemical composition of the test steel (mass fraction) %

2 試驗結果

2.1 870 ℃淬火、不同溫度回火后鋼的顯微組織

試驗鋼在870 ℃保溫30 min淬火和分別在580、610、640、670 ℃回火30 min后的顯微組織如圖1所示。從圖1可以發現，試驗鋼的顯微組織主要為鐵素體，且晶粒比較細小。圖1(a,b)中白色針狀和顆粒狀鐵素體較多，體積分數約70%，還有少量準多邊形鐵素體和貝氏體。圖1(c)組織以針狀鐵素體為主，體積分數約80%，還有少量粒狀鐵素體和極少量貝氏體。圖1(d)組織以針狀鐵素體為主并含有少量粒狀鐵素體，體積分數約95%，幾乎沒有貝氏體，但晶粒較圖1(c)的略粗。

2.2 930 ℃淬火、不同溫度回火后鋼的顯微組織

試驗鋼在930 ℃保溫30 min淬火和分別在580、610、640、670 ℃回火30 min后的顯微組織如圖2所示。圖2(a,b)針狀和粒狀鐵素體較多，晶粒細小均勻，體積分數約80%，還有少量粒狀貝氏體和馬氏體。圖2(c)晶粒最為細小均勻，組織以針狀鐵素體為主，體積分數約90%，還有少量貝氏體。圖2(d)針狀鐵素體含量較多，但混有較粗大的準多邊形鐵素體，組織不均勻。

2.3 960 ℃淬火、不同溫度回火后鋼的顯微組織

試驗鋼在960 ℃保溫30 min淬火和分別在580、610、640、670 ℃回火30 min后的顯微組織如圖3所示。圖3(a,b)針狀和粒狀鐵素體較多，體積分數約75%，還有一定量的粒狀貝氏體和馬氏體。圖3(c)晶粒最為細小均勻，組織以針狀鐵素體為主，體積分數約85%，還有少量粒狀貝氏體。圖3(d)針狀鐵素體含量較多，體積分數約85%，還有少量貝氏體，但混有較粗大的準多邊形鐵素體，組織不均勻。

圖3 試驗鋼經960 ℃淬火和不同溫度回火后的顯微組織 Fig.3 Microstructures of the test steels quenched from 960 ℃ and tempered at different temperatures

3 討論

3.1 TEM分析

圖4為試驗鋼870 ℃淬火和640 ℃回火后的精細組織。圖4(a)是板條貝氏體，板條平直，板條間距80～300 nm。圖4(b)貝氏體板條和鐵素體交錯分布，貝氏體和鐵素體基體內還存在大量的位錯。

圖4 試驗鋼經870 ℃淬火和640 ℃回火后的TEM圖像Fig.4 TEM images of the test steels quenched from 870 ℃ and tempered at 640 ℃

圖5(a)為試驗鋼930 ℃淬火和640 ℃回火后的精細組織。圖5(a)板條貝氏體大體平行排列，在板條貝氏體周邊的鐵素體內位錯密度較高。圖5(b)鐵素體被位錯分割成亞結構，位錯或成網狀或纏結成團。

圖5 試驗鋼經930 ℃淬火和640 ℃回火后的TEM圖像Fig.5 TEM images of the test steels quenched from 930 ℃ and tempered at 640 ℃

3.2 調質工藝對顯微組織的影響

由于試樣取自軋制后的板材，變形導致其產生高密度位錯，從而增加了針狀鐵素體的形核位置，促使針狀鐵素體轉變，抑制針狀鐵素體的長大，使針狀鐵素體細化。同時在低碳微合金化高強度鋼中，Mo和 Nb元素均能擴大針狀鐵素體的形成范圍，并降低針狀鐵素體形成的冷卻速度。Nb含量的增加還可以抑制多邊形鐵素體的形成，促進針狀鐵素體的形成。Nb元素的增加使形成的針狀鐵素體中含有粒狀貝氏體和M/A島。Mo元素的添加使形成的針狀鐵素體中含有上貝氏體和 M/A島。本文不同工藝調質后的試驗鋼板均獲得了較高含量的針狀鐵素體[15- 16]。

通過對從不同溫度淬火、相同溫度回火的試驗鋼的顯微組織觀察發現，隨著淬火溫度的升高，組織更為細小均勻，貝氏體含量稍有增加，其中930 ℃淬火的組織最為細小均勻。對從相同溫度淬火、不同溫度回火的試驗鋼，隨著回火溫度的升高，組織更為細小，針狀鐵素體含量增加，貝氏體含量減少，930 ℃淬火、640 ℃回火的鋼組織最為細小均勻。

從930和960 ℃淬火的試驗鋼的晶粒尺寸普遍比從870和900 ℃淬火的鋼細小，640 ℃回火的鋼的晶粒最細，鐵素體和貝氏體分布更均勻。因此，EH47船板鋼的最佳調質工藝是在960 ℃保溫30 min后淬火，然后在640 ℃回火30 min，空冷。實際的調質淬火溫度應高于900 ℃，回火溫度不宜過高，應控制在580～640 ℃。

4 結論

(1)EH47船板鋼調質處理后的顯微組織是以針狀鐵素體為主，含有一定量粒狀鐵素體、準多邊形鐵素體和粒狀貝氏體的混合組織。

(2)在相同溫度回火后，隨著淬火溫度的升高，組織更為細小均勻，貝氏體含量稍有增加，930 ℃淬火的鋼組織最為細小均勻。從相同溫度淬火后，隨著回火溫度的升高，組織更為細小，針狀鐵素體含量增加，貝氏體含量減少，930 ℃淬火、640 ℃回火的鋼組織最為細小均勻。

(3)從930和960 ℃淬火的試驗鋼的晶粒尺寸普遍比從870和900 ℃淬火的鋼細小，640 ℃回火的鋼的晶粒最細，鐵素體和貝氏體分布更均勻。

(4)EH47船板鋼的最佳調質工藝為：960 ℃保溫30 min淬火，640 ℃回火30 min。實際調質淬火溫度應高于900 ℃，回火溫度應控制在580～640 ℃。