淬火工艺对1100MPa级超高强钢组织和性能的影响

2022-07-12陈敏侠胡智慧张青学

金属加工(热加工) 2022年6期

陈敏侠，胡智慧，张青学

湖南华菱湘潭钢铁有限公司湖南湘潭 411101

1 序言

随着工程机械向大型化、轻量化发展，市场上对工程机械用钢的性能要求越来越高，同时促进了工程机械用钢向超高强、高韧化方向发展[1，2]。2019年以前，国内工程机械用屈服强度690MPa及以下级别高强钢以国产为主[3]，而屈服强度960MPa及以上级别钢主要依靠进口[4-6]，该级别国产钢在产品质量、规格和供给能力方面都存在突出问题，严重制约了国内工程机械行业的发展。湖南华菱湘潭钢铁有限公司生产的超高强工程机械用钢，主要面向工程机械企业所用的中薄板，交付使用的板材厚度主要涵盖6～20mm；产品应用于起重机吊臂、支腿以及混凝土输送泵车泵臂等承重及受力关键部件，产品主要包括Q890、Q960、Q1100强度级三大系列超高强度用钢。其中，研发和生产的1100MPa级超高强工程机械用钢，客户集中度高，主要有三一集团、中联重科和徐工集团等国内工程机械行业龙头企业。

2 试验钢冶炼成分及低倍控制

（1）冶炼成分 1100MPa级超高强钢冶炼控制化学成分见表1。

表1 1100MPa级超高强钢化学成分（质量分数）（%）

（2）低倍控制低倍质量要求达到中心偏析C类≤1.0级，A类和B类不允许存在，无内裂纹、缩孔。对于不合格的低倍样，该炉次进行改钢号处理，同时对前后炉次加取低倍样。

3 不同淬火工艺下的力学性能

对1100M P a级超高强工程机械用钢（简称Q1100E）采取不同的淬火工艺，即在不同的淬火温度和在炉时间下，对Q1100E试验钢进行力学性能检测取样，不同淬火工艺下的力学性能（屈服强度、抗拉强度、-40℃冲击吸收能量）见表2。

表2 不同淬火工艺下Q1100E试验钢力学性能

3.1 淬火工艺对试验钢屈服强度的影响

不同淬火温度、时间下，Q1100E试验钢的屈服强度变化趋势如图1所示。从图1可看出，随着淬火温度的升高，屈服强度逐渐降低，淬火温度为930℃时屈服强度最低。随着保温时间的增加，屈服强度先升高后降低，当保温时间为30～40min时，屈服强度基本达到最高值；较为明显的是在930℃的淬火温度下保温50min时，屈服强度出现最低值。

图1 淬火工艺对试验钢屈服强度的影响

3.2 淬火工艺对试验钢抗拉强度的影响

不同淬火温度、时间下，淬火工艺对Q1100E试验钢抗拉强度的影响如图2所示。从图2可看出，抗拉强度随着淬火温度和时间的变化波动较小。

图2 淬火工艺对试验钢抗拉强度的影响

3.3 淬火工艺对试验钢冲击性能的影响

不同淬火温度、时间下，Q1100E试验钢-40℃的冲击吸收能量变化趋势如图3所示。从图3可看出，随着淬火温度的升高和保温时间的增加，Q1100E钢的低温冲击吸收能量先升高后降低；在相同的保温时间内，冲击吸收能量随着淬火温度升高而下降的现象较为明显；淬火温度相同时，冲击吸收能量呈现先增后降的趋势，保温30min时冲击吸收能量最高。综合考虑强韧性，厚度6～20mm 的Q1100E试验用钢的最佳淬火工艺为870～890℃淬火、保温时间30～40min。

图3 淬火工艺对试验钢冲击性能的影响

4 不同淬火工艺下的组织

Q1100E试验钢经870～930℃淬火后，均为板条马氏体组织。不同淬火温度、时间下，Q1100E试验钢扫描电镜金相组织如图4所示。从图4可看出，当870℃淬火时，因晶粒较细小，大部分晶粒内马氏体块不明显，随着淬火温度升高，不同取向的马氏体块区分更加清晰。淬火时间对组织的影响趋势类似于温度的影响，随着淬火时间延长，晶粒尺寸增大。

图4 不同淬火工艺的扫描电镜金相组织

不同淬火工艺对原始奥氏体晶粒度的影响如图5所示。从图5可看出，随着淬火温度由870℃提高至930℃，原始奥氏体晶粒尺寸由5.7μm增大到15.9μm；当淬火温度为870℃时，淬火时间由40min延长至80min，原始奥氏体晶粒尺寸由4.5μm增大到

图5 不同淬火工艺对原始奥氏体晶粒度的影响

6.5μm。

因此，淬火温度的高低会影响材料的奥氏体化及合金元素固溶程度，根据CCT试验，测试出试验钢的Ac3为852℃，由于本文试验钢板最低淬火温度为870℃，所以可实现完全奥氏体化。但温度对微合金元素固溶影响较大，当淬火温度较低时，微合金元素Nb、V等碳化物或碳氮化物钉扎原始奥氏体晶界，阻碍晶粒长大。当淬火温度升高时，合金元素碳化物或碳氮化物固溶于奥氏体，其阻碍晶粒长大效果减弱，晶粒长大，尺寸成倍增加。随着淬火加热时间延长，合金元素固溶量也是逐渐增多，同样导致了晶粒长大。比较而言，晶粒尺寸受淬火温度的影响更为敏感。