淬火工藝對1100MPa級超高強鋼組織和性能的影響

陳敏俠，胡智慧，張青學

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司 湖南湘潭 411101

1 序言

隨著工程機械向大型化、輕量化發展，市場上對工程機械用鋼的性能要求越來越高，同時促進了工程機械用鋼向超高強、高韌化方向發展[1，2]。2019年以前，國內工程機械用屈服強度690MPa及以下級別高強鋼以國產為主[3]，而屈服強度960MPa及以上級別鋼主要依靠進口[4-6]，該級別國產鋼在產品質量、規格和供給能力方面都存在突出問題，嚴重制約了國內工程機械行業的發展。湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司生產的超高強工程機械用鋼，主要面向工程機械企業所用的中薄板，交付使用的板材厚度主要涵蓋6～20mm；產品應用于起重機吊臂、支腿以及混凝土輸送泵車泵臂等承重及受力關鍵部件，產品主要包括Q890、Q960、Q1100強度級三大系列超高強度用鋼。其中，研發和生產的1100MPa級超高強工程機械用鋼，客戶集中度高，主要有三一集團、中聯重科和徐工集團等國內工程機械行業龍頭企業。

2 試驗鋼冶煉成分及低倍控制

（1）冶煉成分 1100MPa級超高強鋼冶煉控制化學成分見表1。

表1 1100MPa級超高強鋼化學成分（質量分數） （%）

（2）低倍控制 低倍質量要求達到中心偏析C類≤1.0級，A類和B類不允許存在，無內裂紋、縮孔。對于不合格的低倍樣，該爐次進行改鋼號處理，同時對前后爐次加取低倍樣。

3 不同淬火工藝下的力學性能

對1100M P a級超高強工程機械用鋼（簡稱Q1100E）采取不同的淬火工藝，即在不同的淬火溫度和在爐時間下，對Q1100E試驗鋼進行力學性能檢測取樣，不同淬火工藝下的力學性能（屈服強度、抗拉強度、-40℃沖擊吸收能量）見表2。

表2 不同淬火工藝下Q1100E試驗鋼力學性能

3.1 淬火工藝對試驗鋼屈服強度的影響

不同淬火溫度、時間下，Q1100E試驗鋼的屈服強度變化趨勢如圖1所示。從圖1可看出，隨著淬火溫度的升高，屈服強度逐漸降低，淬火溫度為930℃時屈服強度最低。隨著保溫時間的增加，屈服強度先升高后降低，當保溫時間為30～40min時，屈服強度基本達到最高值；較為明顯的是在930℃的淬火溫度下保溫50min時，屈服強度出現最低值。

圖1 淬火工藝對試驗鋼屈服強度的影響

3.2 淬火工藝對試驗鋼抗拉強度的影響

不同淬火溫度、時間下，淬火工藝對Q1100E試驗鋼抗拉強度的影響如圖2所示。從圖2可看出，抗拉強度隨著淬火溫度和時間的變化波動較小。

圖2 淬火工藝對試驗鋼抗拉強度的影響

3.3 淬火工藝對試驗鋼沖擊性能的影響

不同淬火溫度、時間下，Q1100E試驗鋼-40℃的沖擊吸收能量變化趨勢如圖3所示。從圖3可看出，隨著淬火溫度的升高和保溫時間的增加，Q1100E鋼的低溫沖擊吸收能量先升高后降低；在相同的保溫時間內，沖擊吸收能量隨著淬火溫度升高而下降的現象較為明顯；淬火溫度相同時，沖擊吸收能量呈現先增后降的趨勢，保溫30min時沖擊吸收能量最高。綜合考慮強韌性，厚度6～20mm 的Q1100E試驗用鋼的最佳淬火工藝為870～890℃淬火、保溫時間30～40min。

圖3 淬火工藝對試驗鋼沖擊性能的影響

4 不同淬火工藝下的組織

Q1100E試驗鋼經870～930℃淬火后，均為板條馬氏體組織。不同淬火溫度、時間下，Q1100E試驗鋼掃描電鏡金相組織如圖4所示。從圖4可看出，當870℃淬火時，因晶粒較細小，大部分晶粒內馬氏體塊不明顯，隨著淬火溫度升高，不同取向的馬氏體塊區分更加清晰。淬火時間對組織的影響趨勢類似于溫度的影響，隨著淬火時間延長，晶粒尺寸增大。

圖4 不同淬火工藝的掃描電鏡金相組織

不同淬火工藝對原始奧氏體晶粒度的影響如圖5所示。從圖5可看出，隨著淬火溫度由870℃提高至930℃，原始奧氏體晶粒尺寸由5.7μm增大到15.9μm；當淬火溫度為870℃時，淬火時間由40min延長至80min，原始奧氏體晶粒尺寸由4.5μm增大到

圖5 不同淬火工藝對原始奧氏體晶粒度的影響

6.5μm。

因此，淬火溫度的高低會影響材料的奧氏體化及合金元素固溶程度，根據CCT試驗，測試出試驗鋼的Ac3為852℃，由于本文試驗鋼板最低淬火溫度為870℃，所以可實現完全奧氏體化。但溫度對微合金元素固溶影響較大，當淬火溫度較低時，微合金元素Nb、V等碳化物或碳氮化物釘扎原始奧氏體晶界，阻礙晶粒長大。當淬火溫度升高時，合金元素碳化物或碳氮化物固溶于奧氏體，其阻礙晶粒長大效果減弱，晶粒長大，尺寸成倍增加。隨著淬火加熱時間延長，合金元素固溶量也是逐漸增多，同樣導致了晶粒長大。比較而言，晶粒尺寸受淬火溫度的影響更為敏感。

5 結束語

通過對不同淬火溫度及淬火時間下的組織結構、物理性能進行對比分析，得出以下結論。

1）Q1100E試驗鋼隨著淬火溫度的升高，屈服強度逐漸降低，淬火溫度930℃時屈服強度最低。在同一淬火溫度下，隨著保溫時間的增加，屈服強度先升高后下降，保溫時間為30～40min，屈服強度基本達到最高值，930℃保溫50min時，屈服強度最低。

2）Q1100E試驗鋼抗拉強度隨著淬火溫度和時間的變化，波動較小。

3）Q1100E試驗鋼隨著淬火溫度升高和保溫時間的增加，低溫沖擊性能先升高后降低；在相同的保溫時間內，沖擊吸收能量隨著淬火溫度升高下降現象較為明顯；淬火溫度相同時，沖擊吸收能量呈現先增后降的趨勢，保溫30min時，沖擊吸收能量最高。

4）厚度6～20mm的Q1100E試驗鋼的最佳淬火工藝為870～890℃淬火、保溫時間30～40min，該研究結果能科學地指導生產實踐。