陈敏侠，易春洪，郝金锋，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，同时也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]，国产该级别钢在产品质量、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[7，8]。我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，交付使用的厚度为6～20mm，主要应用于起重机吊臂、支腿以及混凝土输送泵车泵臂等承重及受力关键部位，产品主要包括Q890、Q960、Q1100三大系列超高强度用钢。本文研究对象为1100MPa级超高强工程机械用钢，简称Q1100E钢。在实际生产中，低合金马氏体超高强钢通常采用淬火+回火工艺生产。淬火阶段使过冷奥氏体发生马氏体或贝氏体转变，提高钢的强度、硬度、耐磨性及抗疲劳性能等；回火阶段可以提高钢的韧性和塑性，消除内应力，改善均匀化。但在一定温度回火区间，超高强钢易产生回火马氏体脆性，同时也会对屈服强度和抗拉强度产生一定的影响。本文主要围绕回火工艺对Q1100E钢组织结构及力学性能的影响展开研究。

2 试验钢冶炼化学成分及低倍控制

（1）冶炼化学成分 试验用Q1100E钢冶炼化学成分见表1。

（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 回火工艺对Q1100E钢力学性能的影响

利用淬火态Q1100E钢板在不同工艺下进行回火处理，表2为试验用Q1100E钢在200℃、250℃、300℃、400℃，保温时间均为60min后的力学性能数据，变化趋势如图1所示。

表1 试验用Q1100E钢冶炼化学成分（质量分数） （%）

表2 不同回火工艺Q1100E钢力学性能

图1 不同回火温度Q1100E钢力学性能

由图1可知，随着回火温度升高，抗拉强度先增后降，在250℃回火时达到最大值，在300～400℃过渡时，抗拉强度变化不明显。屈服强度随回火温度升高而逐步升高。冲击吸收能量在回火后较淬火态有所降低，随回火温度升高变化规律不明显，250℃回火时冲击吸收能量最高。因此，综合强度和冲击吸收能量变化情况，当回火温度为250℃时性能较为理想。

表3 为Q 11 0 0 E 钢 在2 5 0 ℃回 火，分 别 保温30min、60min、90min、120min后的力学性能。变化趋势如图2所示。

由图2可见，抗拉强度随保温时间延长而降低，屈服强度变化规律则截然相反，随保温时间延长而增加。冲击吸收能量随时间变化与随温度变化规律类似。综上可知，最佳回火时间为60min。

表3 不同保温时间Q1100E钢力学性能

图2 不同保温时间Q1100E钢力学性能

4 回火温度对Q1100E钢组织的影响

4.1 回火温度对Q1100E钢冲击断口的影响

图3所示为Q1100E钢在不同回火温度下，-40℃冲击试样不稳定断裂区的SEM断口照片。从图3可看出，当回火温度为150℃和200℃时，冲击试样断口的不稳定断裂区均由韧窝组成，且后者对应的小尺寸韧窝数量更多。回火温度为300℃时，不稳定断裂区为准解理断裂，断面上有撕裂岭和较多的二次裂纹。当回火温度升高到400℃时，断口出现少量韧窝，不稳定断裂区为准解理断裂和韧性断裂的混合模式，二次裂纹的数量减少。当回火温度为500℃和600℃时，不稳定断裂区均为韧性断裂，与200℃以下回火Q1100E钢相比，分布在大韧窝周围的小韧窝尺寸明显减小。大韧窝直径3～12μm，最深，其底部有球状夹杂物。中等韧窝直径1～1.7μm，较深，小韧窝直径0.5～1μm，相对较浅。相对而言，回火温度为600℃时，中等韧窝的比例更高。

4.2 回火温度对Q1100E钢微观组织及碳化物析出的影响

图3 -40℃夏比冲击试样不稳定断裂区的SEM断口照片

图4 不同回火温度下Q1100E钢的SEM显微照片

（1）回火温度对Q1100E钢微观组织的影响 图4所示为Q1100E钢在不同回火温度下的微观组织。由图4可见，随着回火温度的升高，马氏体基体中铁的碳化物发生了明显的变化。与淬火态组织相比，回火温度为150℃、200℃时，马氏体板条内细小的过渡碳化物（ε碳化物）明显增多，且200℃回火时对应的ε碳化物数量更多。回火温度升高到300℃时，原始奥氏体晶界及马氏体板条界上开始析出针状θ碳化物，即渗碳体，其长度为0.12～2.05μm。回火温度进一步升高时，渗碳体由针状逐步变为近球状，且数量不断增多，分布更为弥散。回火温度为600℃时，近球状渗碳体弥散地分布在原始奥氏体晶界和马氏体板条界上。

（2）回火温度对Q1100E钢碳化物析出的影响 图5所示为不同回火温度Q1100E钢碳化物的TEM显微照片。从图5可看出，在150～300℃回火时，马氏体板条内的ε碳化物呈针状，长度为26～120nm，随着回火温度升高，这些针状碳化物的平均宽度由8nm增大到12nm，平均长宽比由10减小到8。当回火温度超过300℃后，随着回火温度升高，马氏体板条内、板条界及原始奥氏体晶界上的渗碳体逐渐变短，形状由针状向近球状（或椭圆状）过渡。当回火温度为600℃时，马氏体板条内的碳化物极少，其长度仅为14～32nm，平均长宽比为1.5，马氏体板条界及原始奥氏体晶界上的渗碳体长度在33～129nm，平均长宽比为3。

图5 不同回火温度Q1100E钢碳化物的TEM显微照片

5 结束语

1）淬火态Q1100E钢在250～400℃回火，保温时间均为60min时，随着回火温度升高，抗拉强度先增后降，在250℃回火时达到最大值，屈服强度随回火温度升高而逐步升高。冲击吸收能量较淬火态有所降低，随回火温度升高变化规律不明显，在250℃回火时冲击吸收能量最高。

2）淬火态Q1100E钢在250℃回火，且分别保温30min、60min、90min、120min后，抗拉强度随保温时间延长而降低，而屈服强度变化规律则截然相反，随回火时间延长而增加。冲击吸收能量随时间变化与随温度变化规律类似，最佳回火时间为60min。

3）综合屈服强度、冲击吸收能量，以及回火温度对Q1100E钢冲击性能、碳化物析出的影响，回火温度250℃、保温60min时的综合性能较为理想，能够保证超高强钢具有良好的强韧性以及冷加工性能。