淬火工艺对Q1100超高强度工程机械用钢组织与性能的影响

闫强军 温长飞 姜在伟 张仪杰 邓想涛

(1.南京钢铁股份有限公司中厚板厂，江苏 南京 210035；2.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110819)

近年来，工程机械和矿山机械等行业的迅速发展对高强度结构用钢的需求日益增大，对钢板强度级别的要求也在不断提高[1- 3]。应用高强度结构钢对提高工程机械装备的载荷能力、延长使用寿命、减重和降低能耗都具有十分重要的意义。目前，屈服强度900 MPa以上的高强度结构钢主要通过低碳低合金的成分体系，充分发挥微合金元素(Nb、V和Ti)的作用，结合控轧控冷技术(TMCP)和调质处理来获得所需要的高强度、良好韧性和焊接性能[4- 6]。对于低合金高强度结构钢，淬火温度的选择至关重要，温度太低则奥氏体化不完全，太高则会造成奥氏体晶粒的粗化，对材料的综合性能不利；加热时间也会对钢的奥氏体化过程产生影响，加热时间短，奥氏体成分不均匀，时间过长，能源消耗增多，生产效率降低，制造成本增加[7- 9]。因此，本文以屈服强度为1 100 MPa级的超高强度工程机械用钢为研究对象，研究淬火工艺参数(温度和时间)对试验钢显微组织和力学性能的影响，从而确定能够获得最佳综合力学性能的淬火工艺。

1 试验材料与方法

试验用钢为厚度8 mm的Q1100热轧钢板，其化学成分(质量分数，%)为：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。利用全自动相变仪，参照GB/T 5056—1985 钢的临界点测定方法，采用热膨胀法测定试验钢的相变点。将试样加工成φ3 mm×10 mm的圆柱试样，并在试样的一端加工出φ2 mm×2 mm的盲孔，作为测温热电偶的插孔，用焊在插孔底部的铂- 铑热电偶测量温度。以0.05 ℃/s的速率从室温加热到950 ℃，保温5 min后以50 ℃/s的速率冷却至室温。根据膨胀法测定试验钢的平衡相变温度Ac1和Ac3分别为675和814 ℃，Ms和Mf分别为411和310 ℃。在箱式电阻炉中对试验钢板进行加热，根据Ac3设定淬火加热温度区间为840～900 ℃，温度间隔为20 ℃，保温时间为5～45 min，水淬至室温后，再对钢板进行230 ℃回火。

采用电液伺服万能试验机和INSTRON 9250落锤冲击试验机测试不同工艺淬火的钢板的横向室温拉伸性能和纵向-40 ℃低温冲击韧性。沿钢板横剖面(垂直于轧制方向)截取金相试样，试样经研磨和抛光后，采用体积分数4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，然后在LEICA DMIRM光学显微镜(OM)和FEI Quanta600扫描电子显微镜(SEM)下观察试验钢的显微组织；采用双喷电解减薄方法制取透射薄膜试样，电解液采用体积分数9%的高氯酸酒精溶液，通过FEI- Tecnai G2 F20透射电镜(TEM)观察试样的精细组织；将金相试样重新抛光后用70 ℃的饱和苦味酸水溶液腐蚀出原始奥氏体晶界，然后采用截线法统计不同温度淬火的试验钢的原始奥氏体晶粒尺寸。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

如图1所示，热轧态试验钢的显微组织主要为粒状贝氏体，原奥氏体晶粒经两阶段控轧后明显被拉长。

图1 热轧态试验钢的(a)OM和(b)SEM照片Fig.1 (a) OM和 (b) SEM micrographs of hot- rolled test steel

经不同温度淬火的试验钢的显微组织如图2和图3所示，可以发现，试验钢的淬火组织均为典型的板条马氏体，板条形貌在光学显微镜下较难分辨，经不同温度淬火的试验钢的光学显微组织无明显差异。由于低碳钢的马氏体转变开始温度Ms和终止温度Mf都较高，因此试验钢经水淬后即可得到全马氏体组织，不会出现明显的残留奥氏体。由图3可以看出，通过SEM能够清晰地分辨出不同温度淬火的试验钢中的马氏体板条束和板条尺寸，但板条的形貌仍难以辨别。此外可以看出，840和860 ℃淬火的试验钢中的马氏体板条束尺寸明显要小于880和900 ℃淬火的(图3(a、d))。

试验钢淬火后的TEM照片如图4所示，可见其组织主要由高位错密度的马氏体板条构成，板条宽度为200 nm左右。此外，马氏体板条内部分布着方向各异的ε碳化物，长度为100 nm左右，这主要是由于试验钢的Ms点高达411 ℃，因此在淬火过程中必然会发生一定程度的自回火，从而促使部分碳化物的形成。

图2 经不同温度淬火的试验钢的显微组织Fig.2 Microstructures of the test steel quenched from different temperatures

图3 经不同温度淬火的试验钢的SEM照片 Fig.3 SEM micrographs of the test steel quenched from different temperatures

图4 淬火态试验钢的TEM照片Fig.4 TEM micrographs of as- quenched test steel

2.2 原始奥氏体晶粒

经不同温度淬火的试验钢的原始奥氏体晶粒及其平均晶粒尺寸分别如图5和图6所示。从图5中可以发现，淬火温度为840 ℃时，奥氏体晶粒尺寸最小。随着淬火温度的升高，晶粒缓慢长大，当淬火温度进一步升至900 ℃时， 奥氏体晶粒明显长大，较840 ℃时的奥氏体平均晶粒尺寸增大了约4.5 μm。当淬火温度较低时，微合金元素(Nb、V)的碳- 氮化物钉扎原始奥氏体晶界，阻碍奥氏体晶粒长大，所以奥氏体晶粒长大速度相对缓慢。随着淬火温度的升高，尤其当温度升高到900 ℃时，微合金元素(主要是V)的碳化物由于固溶到奥氏体中从而使钉扎奥氏体晶界的作用减弱，所以该温度下奥氏体晶粒长大比较明显。

图5 经不同温度淬火的试验钢的原奥氏体晶粒形貌Fig.5 Morphologies of prior austenite grains of the test steel quenched from different temperatures

图6 经不同温度淬火的试验钢的平均奥氏体晶粒尺寸Fig.6 Average sizes of prior austenite grains of the test steel quenched from different temperatures

相关研究表明[10- 12]，对于板条马氏体钢，马氏体板条束(packet)和板条块(block)的尺寸与原始奥氏体晶粒尺寸呈线性关系，板条束尺寸随着原始奥氏体晶粒尺寸的减小而减小，屈服强度和冲击韧性均随着板条束尺寸的减小而增大，因此板条束尺寸是控制板条马氏体钢强韧性的重要组织因素。

2.3 力学性能

经不同温度淬火的试验钢的力学性能如图7所示，可以发现随着淬火温度的升高，屈服强度逐渐降低。这是因为840 ℃淬火的钢的奥氏体平均晶粒尺寸最小，进而得到尺寸较小的马氏体板条束，根据霍尔佩奇公式σs=σ0+kd-1/2，细化晶粒能够提高屈服强度，对于板条马氏体钢，d代表板条束的尺寸。淬火温度相同，随着保温时间的增加，屈服强度先升高后下降，在保温时间为15 min时，屈服强度基本达到最高值(见图7a)。随着淬火加热温度的升高和保温时间的增加，试验钢的断后伸长率均不断降低，且当保温时间少于15 min时的断后伸长率较高，随后继续延长保温时间，断后伸长率的变化不明显(见图7b)。分析认为，这是由于保温时间较短时晶粒比较细小，可以在更多的晶粒内开动位错和增殖位错， 即细小的晶粒能使塑性变形更均匀，减小不均匀变形造成的应力集中，从而得到较高的塑性。随着淬火温度的升高和保温时间的增加，试验钢的低温冲击韧性先升高后降低，并且在较高淬火温度(900 ℃)和较长保温时间(45 min)时，冲击吸收能量下降得更为明显。当淬火温度为860 ℃、保温时间为10 min时，试验钢的韧性最佳。

图7 淬火工艺对试验钢力学性能的影响Fig.7 Effect of quenching processes on mechanical properties of the test steel

从强度指标来看，当淬火温度为840 ℃、加热时间15 min时，试验钢的屈服强度最高，虽然获得最佳冲击韧性的加热时间为10 min，但根据标准要求，此时的冲击吸收能量较屈服强度有更多的富余值，所以应优先考虑强度指标。为得到优良的综合力学性能，8 mm厚Q1100试验钢板的最佳淬火工艺为840～860 ℃加热，保温10～15 min。

3 结论

(1)当淬火温度由840 ℃增加到900 ℃时，试验钢的奥氏体平均晶粒尺寸由9 μm增加到12.5 μm。

(2)随着淬火温度的升高，试验钢的屈服强度和断后伸长率均逐渐降低，而低温冲击韧性则先升高后降低；随着保温时间的延长，试验钢的屈服强度和低温冲击韧性先升高后降低，而断后伸长率降低到一定程度后基本保持不变。

(3)淬火工艺为840～860 ℃加热、保温10～15 min时，试验钢能够获得最优的强韧性。