回火工藝對1100MPa級超高強鋼組織和性能的影響

陳敏俠，易春洪，郝金鋒，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，同時也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]，國產該級別鋼在產品質量、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[7，8]。我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，交付使用的厚度為6～20mm，主要應用于起重機吊臂、支腿以及混凝土輸送泵車泵臂等承重及受力關鍵部位，產品主要包括Q890、Q960、Q1100三大系列超高強度用鋼。本文研究對象為1100MPa級超高強工程機械用鋼，簡稱Q1100E鋼。在實際生產中，低合金馬氏體超高強鋼通常采用淬火+回火工藝生產。淬火階段使過冷奧氏體發生馬氏體或貝氏體轉變，提高鋼的強度、硬度、耐磨性及抗疲勞性能等；回火階段可以提高鋼的韌性和塑性，消除內應力，改善均勻化。但在一定溫度回火區間，超高強鋼易產生回火馬氏體脆性，同時也會對屈服強度和抗拉強度產生一定的影響。本文主要圍繞回火工藝對Q1100E鋼組織結構及力學性能的影響展開研究。

2 試驗鋼冶煉化學成分及低倍控制

（1）冶煉化學成分 試驗用Q1100E鋼冶煉化學成分見表1。

（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 回火工藝對Q1100E鋼力學性能的影響

利用淬火態Q1100E鋼板在不同工藝下進行回火處理，表2為試驗用Q1100E鋼在200℃、250℃、300℃、400℃，保溫時間均為60min后的力學性能數據，變化趨勢如圖1所示。

表1 試驗用Q1100E鋼冶煉化學成分（質量分數） （%）

表2 不同回火工藝Q1100E鋼力學性能

圖1 不同回火溫度Q1100E鋼力學性能

由圖1可知，隨著回火溫度升高，抗拉強度先增后降，在250℃回火時達到最大值，在300～400℃過渡時，抗拉強度變化不明顯。屈服強度隨回火溫度升高而逐步升高。沖擊吸收能量在回火后較淬火態有所降低，隨回火溫度升高變化規律不明顯，250℃回火時沖擊吸收能量最高。因此，綜合強度和沖擊吸收能量變化情況，當回火溫度為250℃時性能較為理想。

表3 為Q 11 0 0 E 鋼 在2 5 0 ℃回 火，分 別 保溫30min、60min、90min、120min后的力學性能。變化趨勢如圖2所示。

由圖2可見，抗拉強度隨保溫時間延長而降低，屈服強度變化規律則截然相反，隨保溫時間延長而增加。沖擊吸收能量隨時間變化與隨溫度變化規律類似。綜上可知，最佳回火時間為60min。

表3 不同保溫時間Q1100E鋼力學性能

圖2 不同保溫時間Q1100E鋼力學性能

4 回火溫度對Q1100E鋼組織的影響

4.1 回火溫度對Q1100E鋼沖擊斷口的影響

圖3所示為Q1100E鋼在不同回火溫度下，-40℃沖擊試樣不穩定斷裂區的SEM斷口照片。從圖3可看出，當回火溫度為150℃和200℃時，沖擊試樣斷口的不穩定斷裂區均由韌窩組成，且后者對應的小尺寸韌窩數量更多。回火溫度為300℃時，不穩定斷裂區為準解理斷裂，斷面上有撕裂嶺和較多的二次裂紋。當回火溫度升高到400℃時，斷口出現少量韌窩，不穩定斷裂區為準解理斷裂和韌性斷裂的混合模式，二次裂紋的數量減少。當回火溫度為500℃和600℃時，不穩定斷裂區均為韌性斷裂，與200℃以下回火Q1100E鋼相比，分布在大韌窩周圍的小韌窩尺寸明顯減小。大韌窩直徑3～12μm，最深，其底部有球狀夾雜物。中等韌窩直徑1～1.7μm，較深，小韌窩直徑0.5～1μm，相對較淺。相對而言，回火溫度為600℃時，中等韌窩的比例更高。

4.2 回火溫度對Q1100E鋼微觀組織及碳化物析出的影響

圖3 -40℃夏比沖擊試樣不穩定斷裂區的SEM斷口照片

圖4 不同回火溫度下Q1100E鋼的SEM顯微照片

（1）回火溫度對Q1100E鋼微觀組織的影響 圖4所示為Q1100E鋼在不同回火溫度下的微觀組織。由圖4可見，隨著回火溫度的升高，馬氏體基體中鐵的碳化物發生了明顯的變化。與淬火態組織相比，回火溫度為150℃、200℃時，馬氏體板條內細小的過渡碳化物（ε碳化物）明顯增多，且200℃回火時對應的ε碳化物數量更多。回火溫度升高到300℃時，原始奧氏體晶界及馬氏體板條界上開始析出針狀θ碳化物，即滲碳體，其長度為0.12～2.05μm。回火溫度進一步升高時，滲碳體由針狀逐步變為近球狀，且數量不斷增多，分布更為彌散。回火溫度為600℃時，近球狀滲碳體彌散地分布在原始奧氏體晶界和馬氏體板條界上。

（2）回火溫度對Q1100E鋼碳化物析出的影響 圖5所示為不同回火溫度Q1100E鋼碳化物的TEM顯微照片。從圖5可看出，在150～300℃回火時，馬氏體板條內的ε碳化物呈針狀，長度為26～120nm，隨著回火溫度升高，這些針狀碳化物的平均寬度由8nm增大到12nm，平均長寬比由10減小到8。當回火溫度超過300℃后，隨著回火溫度升高，馬氏體板條內、板條界及原始奧氏體晶界上的滲碳體逐漸變短，形狀由針狀向近球狀（或橢圓狀）過渡。當回火溫度為600℃時，馬氏體板條內的碳化物極少，其長度僅為14～32nm，平均長寬比為1.5，馬氏體板條界及原始奧氏體晶界上的滲碳體長度在33～129nm，平均長寬比為3。

圖5 不同回火溫度Q1100E鋼碳化物的TEM顯微照片

5 結束語

1）淬火態Q1100E鋼在250～400℃回火，保溫時間均為60min時，隨著回火溫度升高，抗拉強度先增后降，在250℃回火時達到最大值，屈服強度隨回火溫度升高而逐步升高。沖擊吸收能量較淬火態有所降低，隨回火溫度升高變化規律不明顯，在250℃回火時沖擊吸收能量最高。

2）淬火態Q1100E鋼在250℃回火，且分別保溫30min、60min、90min、120min后，抗拉強度隨保溫時間延長而降低，而屈服強度變化規律則截然相反，隨回火時間延長而增加。沖擊吸收能量隨時間變化與隨溫度變化規律類似，最佳回火時間為60min。

3）綜合屈服強度、沖擊吸收能量，以及回火溫度對Q1100E鋼沖擊性能、碳化物析出的影響，回火溫度250℃、保溫60min時的綜合性能較為理想，能夠保證超高強鋼具有良好的強韌性以及冷加工性能。