淬火工藝對(duì)1100MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼組織和性能的影響

陳敏俠，胡智慧，張青學(xué)

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(jī)械向大型化、輕量化發(fā)展，市場(chǎng)上對(duì)工程機(jī)械用鋼的性能要求越來越高，同時(shí)促進(jìn)了工程機(jī)械用鋼向超高強(qiáng)、高韌化方向發(fā)展[1，2]。2019年以前，國(guó)內(nèi)工程機(jī)械用屈服強(qiáng)度690MPa及以下級(jí)別高強(qiáng)鋼以國(guó)產(chǎn)為主[3]，而屈服強(qiáng)度960MPa及以上級(jí)別鋼主要依靠進(jìn)口[4-6]，該級(jí)別國(guó)產(chǎn)鋼在產(chǎn)品質(zhì)量、規(guī)格和供給能力方面都存在突出問題，嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司生產(chǎn)的超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼，主要面向工程機(jī)械企業(yè)所用的中薄板，交付使用的板材厚度主要涵蓋6～20mm；產(chǎn)品應(yīng)用于起重機(jī)吊臂、支腿以及混凝土輸送泵車泵臂等承重及受力關(guān)鍵部件，產(chǎn)品主要包括Q890、Q960、Q1100強(qiáng)度級(jí)三大系列超高強(qiáng)度用鋼。其中，研發(fā)和生產(chǎn)的1100MPa級(jí)超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼，客戶集中度高，主要有三一集團(tuán)、中聯(lián)重科和徐工集團(tuán)等國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)龍頭企業(yè)。

2 試驗(yàn)鋼冶煉成分及低倍控制

（1）冶煉成分 1100MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼冶煉控制化學(xué)成分見表1。

表1 1100MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）低倍控制 低倍質(zhì)量要求達(dá)到中心偏析C類≤1.0級(jí)，A類和B類不允許存在，無內(nèi)裂紋、縮孔。對(duì)于不合格的低倍樣，該爐次進(jìn)行改鋼號(hào)處理，同時(shí)對(duì)前后爐次加取低倍樣。

3 不同淬火工藝下的力學(xué)性能

對(duì)1100M P a級(jí)超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼（簡(jiǎn)稱Q1100E）采取不同的淬火工藝，即在不同的淬火溫度和在爐時(shí)間下，對(duì)Q1100E試驗(yàn)鋼進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)取樣，不同淬火工藝下的力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、-40℃沖擊吸收能量）見表2。

表2 不同淬火工藝下Q1100E試驗(yàn)鋼力學(xué)性能

3.1 淬火工藝對(duì)試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度的影響

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

圖1 淬火工藝對(duì)試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度的影響

3.2 淬火工藝對(duì)試驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度的影響

不同淬火溫度、時(shí)間下，淬火工藝對(duì)Q1100E試驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度的影響如圖2所示。從圖2可看出，抗拉強(qiáng)度隨著淬火溫度和時(shí)間的變化波動(dòng)較小。

圖2 淬火工藝對(duì)試驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度的影響

3.3 淬火工藝對(duì)試驗(yàn)鋼沖擊性能的影響

不同淬火溫度、時(shí)間下，Q1100E試驗(yàn)鋼-40℃的沖擊吸收能量變化趨勢(shì)如圖3所示。從圖3可看出，隨著淬火溫度的升高和保溫時(shí)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(shí)間內(nèi)，沖擊吸收能量隨著淬火溫度升高而下降的現(xiàn)象較為明顯；淬火溫度相同時(shí)，沖擊吸收能量呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，保溫30min時(shí)沖擊吸收能量最高。綜合考慮強(qiáng)韌性，厚度6～20mm 的Q1100E試驗(yàn)用鋼的最佳淬火工藝為870～890℃淬火、保溫時(shí)間30～40min。

圖3 淬火工藝對(duì)試驗(yàn)鋼沖擊性能的影響

4 不同淬火工藝下的組織

Q1100E試驗(yàn)鋼經(jīng)870～930℃淬火后，均為板條馬氏體組織。不同淬火溫度、時(shí)間下，Q1100E試驗(yàn)鋼掃描電鏡金相組織如圖4所示。從圖4可看出，當(dāng)870℃淬火時(shí)，因晶粒較細(xì)小，大部分晶粒內(nèi)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(qū)分更加清晰。淬火時(shí)間對(duì)組織的影響趨勢(shì)類似于溫度的影響，隨著淬火時(shí)間延長(zhǎng)，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(duì)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(dāng)淬火溫度為870℃時(shí)，淬火時(shí)間由40min延長(zhǎng)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(duì)原始奧氏體晶粒度的影響

6.5μm。

因此，淬火溫度的高低會(huì)影響材料的奧氏體化及合金元素固溶程度，根據(jù)CCT試驗(yàn)，測(cè)試出試驗(yàn)鋼的Ac3為852℃，由于本文試驗(yàn)鋼板最低淬火溫度為870℃，所以可實(shí)現(xiàn)完全奧氏體化。但溫度對(duì)微合金元素固溶影響較大，當(dāng)淬火溫度較低時(shí)，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(zhǎng)大。當(dāng)淬火溫度升高時(shí)，合金元素碳化物或碳氮化物固溶于奧氏體，其阻礙晶粒長(zhǎng)大效果減弱，晶粒長(zhǎng)大，尺寸成倍增加。隨著淬火加熱時(shí)間延長(zhǎng)，合金元素固溶量也是逐漸增多，同樣導(dǎo)致了晶粒長(zhǎng)大。比較而言，晶粒尺寸受淬火溫度的影響更為敏感。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)不同淬火溫度及淬火時(shí)間下的組織結(jié)構(gòu)、物理性能進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

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

2）Q1100E試驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度隨著淬火溫度和時(shí)間的變化，波動(dòng)較小。

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

4）厚度6～20mm的Q1100E試驗(yàn)鋼的最佳淬火工藝為870～890℃淬火、保溫時(shí)間30～40min，該研究結(jié)果能科學(xué)地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。