淬火工藝對70mm Q960E鋼沖擊性能的影響

陳敏俠＊，易春洪

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司 湖南湘潭 411101

1 序言

近年來，隨著我國經濟建設的快速發展，尤其依托工業化和城鎮化拉動的基礎建設和能源需求量大幅增長，快速推進了工程機械和煤礦機械行業的發展[1，2]。與此同時，工程機械不斷向大型化、輕量化發展，促進了工程機械用鋼實際生產過程中，不斷向高級別、高韌性，以及更好的焊接性能這一基本目標奮進[3-7]。然而，就鋼鐵材料而言，一般情況下，提高鋼材強度的同時，往往伴隨著鋼材韌性的降低，即脆性增加，威脅到工件使用的安全性。文中研究的Q960E鋼屈服強度要求在960MPa以上、抗拉強度在980～1150MPa，在工程機械用鋼中，屬高鋼級產品，尤其針對70mm特厚規格，強度達到該級別要求時，－40℃沖擊溫度下，韌性指標會隨之下降。生產中除添加Ni合金元素來提升鋼板沖擊性能、添加B元素提高淬透性之外，通過優化淬火階段冷卻工藝規程，提高冷卻速度，開展針對70mmQ960E鋼沖擊韌度的攻關。結果表明，淬火工藝對改善鋼板韌性發揮著積極作用。

2 冶煉成分及低倍控制

Q960E鋼冶煉化學成分見表1。

表1 Q960E鋼冶煉化學成分（質量分數） （%）

低倍質量內控要求達到中心偏析C類≤1.0級，無內裂紋，無縮孔，中心偏析A 類和B 類不允許存在。對于不合格的低倍樣，所在爐次做整爐降級改判處理，同時對前后爐次加取低倍樣。本文設計的鋼板爐次低倍質量控制見表2。

表2 低倍控制 （級）

3 淬火工藝規程調整前后沖擊性能對比

下面述及淬火工藝規程調整前70mmQ960E鋼軋制及調質后組織性能情況。

3.1 板坯加熱、軋制

板坯出鋼心部溫度要求≥1180℃，實際出鋼溫度1180～1210℃，I階段開軋溫度（心部模型溫度）≥1050℃，終軋溫度（心部模型溫度）≥980℃。中間坯厚度140mm，II階段開軋表面溫度≤850℃，終軋表面溫度760～810℃，返紅680～720℃。

3.2 調質處理及沖擊性能攻關

（1）工藝優化淬火設備 對70mmQ960E鋼開展沖擊韌度攻關進行淬火工藝優化的淬火設備，采用的是東北大學國家重點實驗室研發的具有自主知識產權的多重阻尼超寬整體狹縫式噴嘴結構，通過多重阻尼系統實現鋼板寬度方向射流速度的高均勻性分布。通過結構內的多重阻尼系統，保證沿鋼板寬度方向上噴水射流速度均勻，無淬火軟點和冷卻盲點，對薄規格鋼板淬火板形控制有顯著優勢。圖1所示為整體式與分段式狹縫噴嘴長度方向上射流速度對比，整體式狹縫噴嘴射流速度沿鋼板長度方向更加均勻、穩定，具有明顯的優越性。

圖1 整體式與分段式狹縫噴嘴射流速度

工藝優化采用的淬火設備高壓段射流噴嘴安裝角度及安裝精度優化如圖2所示。實際生產過程中，不僅要確保對稱的距離參數及角度參數相等，而且要確保噴嘴沿鋼板寬度方向的兩側均保持一致，即確保上下噴嘴噴射水線的三維對稱精度。實現淬火工藝調整、改善沖擊性能用的淬火設備淬火工藝自動控制系統優化體現在以下幾點。

圖2 射流角度與高度動態調節

1）水量參數高精度反饋控制。

2）水壓穩定性控制，通過增加旁通管路及控制閥組，實現淬火過程冷卻水壓的高精度、高穩定性控制。

3）鋼板位置微跟蹤精度。

4）上框架提升控制系統優化。

（2）工藝優化前后沖擊性能對比 該批次工藝優化鋼板給定調質工藝參數見表3。

表3 70mmQ960E鋼調質工藝參數

首批生產鋼板，淬火、回火出爐溫度及在爐時間均符合工藝要求，淬火設備工藝規程采用常規品種70mm淬火工藝參數，即高壓段水量7578m3/h、水比1.45；低壓段水量1008m3/h、水比1.40。該工藝規程初次生產的4批代表板材－40℃1/4處沖擊初復檢均偏低，標準要求沖擊吸收能量單值≥19J、平均值≥27J，實際檢測的沖擊吸收能量見表4。由表4可見，首次采用70mm常規淬火工藝參數生產的4批Q960E鋼初、復檢沖擊功無一滿足標準要求。

表4 淬火工藝參數優化前沖擊吸收能量

對沖擊性能不合格的其中3批代表板材試樣進行金相組織檢驗，如圖3～圖5所示。

圖3 試樣2金相組織（1/4處）

圖5 試樣4金相組織（1/4 處）

金相結果顯示，70mmQ960E鋼首次生產的不合批次試樣1/4處金相呈現粗大粒貝組織，是導致沖擊性能不合格的直接原因。工藝過程分析為淬火階段鋼板未淬透，馬氏體轉變未完全進行，產生粒貝組織導致韌性變差。進一步分析為高強度Q960級別工程機械用鋼，Cr、Mo、V、Ni等合金含量較其他鋼種明顯增加，淬火過程中采用常規淬火工藝參數冷卻速度偏小，未達到臨界冷卻速度的要求，導致鋼板淬透性差。

后續在調質挽救過程中，有針對性地對該規格淬火工藝參數進行調整，其余淬火、回火工藝保持不變，進行沖擊性能對比。淬火工藝參數調整如下：將高壓區水量增加2000m3/h，即高壓區水量由原來的7578m3/h提高至9576m3/h，加大冷卻速度，以提高鋼板淬透性。4批不合格鋼板，經工藝優化后調質挽救，沖擊吸收能量均一次檢驗合格，韌性改善明顯，沖擊值檢測數據具體見表5。

表5 淬火工藝參數優化后沖擊吸收能量

隨即固化工藝，并推廣到保－40℃沖擊的高強厚規格及其他品種中，對厚板韌性攻關具有深遠的指導、推廣意義。

（3）工藝優化后沖擊性能 對淬火工藝參數優化后生產70mmQ960E鋼沖擊性能進行跟蹤，根據訂單需求量，淬火工藝參數調整后一段時間內，該規格共計生產57批次，沖擊吸收能量平均值實測均滿足標準要求（平均值≥26J），沖擊性能合格率為100%。

過程控制能力如圖6所示，CPK值1.22，整體趨于穩定，性能可控，后續根據訂單，在保證性能合格的前提下，繼續優化工藝，以期CPK值實現最優值，進一步提升沖擊性能整體穩定性。

圖6 淬火工藝優化后沖擊吸收能量過程能力分析

4 結束語

本文以問題為導向，以解決70mmQ960E特厚高強度工程機械用鋼沖擊性能不合格為出發點，通過查找問題根源，得知造成沖擊性能不合格的原因在于淬火態冷卻速度偏低，存在粒貝組織所致。隨即在后續的調質挽救過程中，采用優化淬火工藝參數，提高淬透性的方式，工藝調整前后，沖擊吸收能量得到改善明顯。另外，對采用優化工藝生產的該規格鋼進行過程能力分析，CPK值1.22，性能可控，整體趨于穩定，工藝得到固化，并將該淬火工藝規程推廣到其他品種鋼調質淬火生產中。實踐證明，通過70mmQ960E鋼沖擊性能的攻關研究，對厚規格、高鋼級工程機械用鋼的生產工藝改進以及其他新品種的市場拓展等有著重要意義。