Q460F低合金高強度鋼的熱處理工藝及力學性能和顯微組織

雷曉榮 閆強軍 李平和

(南京鋼鐵股份有限公司 板材事業部，江蘇 南京 210035)

Q460F鋼屬于低合金結構鋼，具有較高的強度以及良好的抗疲勞性能、低溫韌性、冷成形性能和焊接性能，主要用于低溫下使用的工程機械結構件，如極地低溫環境項目要求鋼材具有良好的-60 ℃沖擊韌性[1- 3]。普通Q460級高強鋼可通過控軋- 控冷工藝達到性能要求，但Q460F低溫鋼必須進行調質處理才能獲得良好的低溫沖擊韌性，因此研究Q460F鋼的熱處理工藝、顯微組織和力學性能具有重要意義。

1 試驗材料與方法

試驗用鋼為國內某鋼廠用150 mm厚連鑄坯軋制的6～30 mm厚熱軋Q460F鋼板，其化學成分如表1所示，碳當量為0.39。

表1 試驗用Q460F鋼的化學成分(質量分數)

采用經驗公式計算得出鋼的Ac3為892.7 ℃，Ac1為724 ℃。調質處理工藝為：910 ℃保溫15～25 min水淬；回火分別在實驗室爐和工業爐中進行，溫度為650、660和670 ℃ 。

將調質處理后的鋼板加工成25 mm寬的橫向拉伸試樣和10 mm×10 mm×55 mm的縱向標準沖擊試樣,以及10 mm×5 mm×55 mm的小尺寸沖擊試樣(6 mm厚鋼板)，分別按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行拉伸試驗和-60 ℃沖擊試驗。檢測650和670 ℃回火鋼板的顯微組織，金相試樣采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕。

從工業爐回火的鋼板1/4寬度處切取并加工25 mm寬的全厚度橫向拉伸試樣，平行于軋向切取10 mm×10 mm×55 mm的縱向標準沖擊試樣，6 mm鋼板的沖擊試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm，按上述同樣的方法進行拉伸和沖擊試驗。

2 試驗結果與討論

2.1 淬火和實驗室爐回火的鋼板的力學性能

910 ℃水淬后在實驗室爐中650、660和670 ℃回火的鋼板的力學性能如表1和圖1所示。可以看出，隨著回火溫度的升高，鋼板的屈服強度、抗拉強度急劇下降，斷后伸長率急劇升高，670 ℃回火的鋼板屈服強度、抗拉強度均偏低，不滿足GB/T 16270—2009的要求。對于6 mm厚鋼板，隨著回火溫度的升高，其-60 ℃沖擊韌性逐漸提高，但660 ℃回火的鋼板抗拉強度偏高，因此工業爐回火的溫度可設定為665 ℃；對于30 mm厚的鋼板，隨著回火溫度的升高，其-60 ℃沖擊韌性降低，650 ℃回火后抗拉強度偏高，因此在工業爐回火的溫度可設定為655 ℃。

表1 6和30 mm厚Q460F鋼板910 ℃淬火后在實驗室爐中不同溫度回火后的力學性能

圖1 實驗室爐回火的 6(a)和30 mm(b)厚Q460F鋼板的力學性能隨回火溫度的變化

2.2 淬火和工業爐回火的鋼板力學性能

根據實驗室爐回火的鋼板的力學性能，將在工業爐中回火的6 mm厚Q460F鋼板的回火溫度設定為(665±5) ℃，而將12～30 mm厚鋼板的回火溫度設定為(655±5) ℃，回火后鋼板的力學性能如表2所示。可以看出，6和12～30 mm厚鋼板的力學性能均滿足標準要求，且-60 ℃沖擊吸收能量達100 J以上。

表2 不同厚度Q460F鋼板在工業爐中不同溫度回火后的力學性能

2.3 顯微組織

6和30 mm厚鋼板910 ℃淬火后的顯微組織如圖2所示，為回火索氏體和貝氏體。6 mm厚鋼板665和670 ℃回火后以及30 mm厚鋼板655和670 ℃回火后的顯微組織分別如圖3所示,為板條馬氏體和板條貝氏體的混合組織。

圖2 6(a)和30 mm(b)厚Q460F鋼板910 ℃水淬后的顯微組織

由圖3(a,b)可知：6 mm厚鋼板665 ℃回火后部分馬氏體板條分解成索氏體，板條貝氏體比較清晰；670 ℃回火后更多的馬氏體和貝氏體分解，形成準多邊形鐵素體，因此強度較低，韌性較好。由圖3(c,d)可知：30 mm厚鋼板655 ℃回火后，板條貝氏體比較清晰；而670 ℃回火后，大部分馬氏體、貝氏體分解，且有大量碳化物析出，因此強度較低，-60 ℃沖擊韌性偏低。

圖3 6 mm厚鋼板665(a)和670 ℃(b)回火及30 mm厚鋼板655(c)和670 ℃(d)回火后的顯微組織

2.4 分析與討論

試驗鋼不含對淬透性影響特別顯著的硼和鉻等元素，因此淬火后的組織為板條馬氏體和板條貝氏體混合組織，回火索氏體是板條馬氏體在高溫回火時形成的，其位向各異、互相交錯，具有很高的位錯密度，因此鋼板具有較高的強韌性[4- 6]。隨著回火溫度的升高，淬火馬氏體、貝氏體分解，逐漸形成準多邊形鐵素體，并析出碳化物[7- 8]。對于6 mm厚鋼板，由于軋制過程中的壓縮比較大，軋制變形后儲存能較高，回火時相變驅動力較大，當回火溫度達到670 ℃時，大部分板條結構多邊形化，原細小的板條結構轉變為準多邊形鐵素體，因此鋼板強度較低，低溫韌性較好；對于30 mm厚鋼板，由于軋制過程中的壓縮比較小，軋制變形后儲存能較低，回火時相變驅動力較小，因此670 ℃回火的鋼板板條結構未形成準多邊形鐵素體，只是由多取向的板條結構轉變為單取向的塊狀結構，并有大量碳化物析出。由于單取向的塊狀結構相對于655 ℃回火形成的多取向板條結構，斷裂單元較大，斷裂過程中裂紋易擴展，因此隨著回火溫度的升高，鋼板低溫沖擊韌性降低。

因此對于Q460F鋼，要獲得良好的強韌性，必須保留一定量的多取向板條結構，板條結構越多，屈服強度、抗拉強度越高，且具有較好的低溫韌性。

3 結論

(1)910 ℃水淬后，6 mm厚Q460F鋼板665 ℃回火，12～30 mm厚鋼板655 ℃回火，均可獲得良好的拉伸性能和沖擊性能，-60 ℃沖擊吸收能量達到了90 J以上。

(2)910 ℃水淬的6～30 mm厚Q460F鋼板670 ℃回火后，屈服強度和抗拉強度迅速降低，斷后伸長率提高。

(3)在655～670 ℃回火，隨著回火溫度的升高，淬火馬氏體和貝氏體分解和多邊形化，并析出較多的碳化物，導致鋼的強度顯著降低，低溫沖擊韌性下降，當出現多邊形鐵素體后，鋼的低溫韌性又有所提高。