1500MPa超高強度鋼熱處理工藝研究

衣江華

遼寧衡業(yè)高科新材股份有限公司 遼寧鞍山 114000

1 序言

隨著工程機械制造業(yè)的迅猛發(fā)展，使得低成本、輕量化和高安全性的工程結(jié)構(gòu)鋼被人們重點關(guān)注，其中超高強度鋼板在礦山機械、汽車和船舶等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，近年來在一些國防領(lǐng)域也有涉及[1-3]。在此背景下，抗拉強度為1100～1700MPa的低合金高強度鋼或超高強度鋼進入了人們的視線，它既可滿足較高強度的性能要求，又具備一定程度的塑韌性，并且由于合金含量并不高，使其成本也較為低廉，是一種高性能、低成本的優(yōu)質(zhì)鋼材。該鋼種常采用淬火加回火工藝處理，此方法易導(dǎo)致鋼板厚度方向硬度值相差較大以及鋼板平直度較差等缺陷，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的使用壽命[4-6]。遼寧衡業(yè)高科新材股份有限公司以1500MPa超高強度鋼為研究對象，針對這些問題進行了技術(shù)創(chuàng)新，設(shè)計出一套擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的連續(xù)熱處理生產(chǎn)工藝，即開平、加熱、淬火、回火及矯直等工藝環(huán)節(jié)在一條生產(chǎn)線上實現(xiàn)。該工藝具有生產(chǎn)效率高、鋼板性能優(yōu)異和板形質(zhì)量好等優(yōu)點，擁有良好的市場應(yīng)用前景。

2 試驗材料和方法

2.1 鋼材化學(xué)成分

試驗材料選用某鋼廠生產(chǎn)的板厚3mm的1500MPa熱軋態(tài)鋼板，由于國內(nèi)還沒有制定出關(guān)于1500MPa超高強度鋼成分的標(biāo)準(zhǔn)，因此目前鋼板成分參考GB/T 24186—2009并綜合客戶對產(chǎn)品性能的具體要求進行設(shè)計，具體化學(xué)成分見表1。

表1 試驗用超高強度鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

合金成分對于鋼板的性能起到至關(guān)重要的作用，為了避免出現(xiàn)淬火脆性，wC控制在0.3%以內(nèi)，Si、 Mn是鋼材中最常見的成分，Si能改善鋼的延展性和韌性，Mn可溶于鐵素體，起到固溶強化的作用，是提高強度的廉價有效元素。Mo能降低回火軟化程度，Mo、Cr的加入能增強鋼的淬透性、抗腐蝕及抗氧化性能。一定量Ni元素的加入，可顯著地提高殘留奧氏體含量及穩(wěn)定性，保證鋼材具有較好的延韌性[7]。鋼中的B是晶界偏聚強烈的一種元素，能有效降低奧氏體的晶界能，少量B元素即可起到大量合金元素的作用。此外，鋼中還添加了少量Cu、Ti元素。

2.2 鋼材的熱處理生產(chǎn)工藝

結(jié)合材料性能要求及各合金元素的作用，利用遼寧衡業(yè)高科新材股份有限公司自主研發(fā)的高強鋼板連續(xù)熱處理生產(chǎn)工藝對試驗用鋼板進行在線熱處理，其工藝流程如圖1所示。首先利用中頻感應(yīng)加熱設(shè)備將鋼板快速加熱至830℃，由于感應(yīng)加熱頻率與鋼板厚度有關(guān)，且同時也應(yīng)考慮到加熱溫度，因此本試驗采用縱向磁場的施加方式，加熱頻率為10kHz。然后鋼板進入電阻爐繼續(xù)加熱至淬火溫度910℃，在電阻爐中保溫7min后出爐，空冷至830℃后，鋼板在張力輥的拉伸作用下水冷至室溫，冷卻速度達到40℃/s，確保了鋼板的淬透性。隨后對鋼板進行回火處理，且與淬火的時間相隔要＜12h。回火同樣先用中頻感應(yīng)加熱設(shè)備將鋼板快速加熱至150℃，再進入電阻爐繼續(xù)加熱至200℃，保溫時間為45min，最后采用空冷的方式冷卻至室溫，其熱處理工藝曲線如圖2所示。

圖1 試驗用1500MPa超高強度鋼熱處理工藝流程

圖2 試驗用1500MPa超高強度鋼熱處理工藝曲線

中頻感應(yīng)加熱時，加熱停止溫度應(yīng)略低于目標(biāo)回火溫度50～100℃，防止因中頻感應(yīng)加熱速度快而使試樣瞬間大幅超過目標(biāo)回火溫度，導(dǎo)致淬火組織恢復(fù)，降低高強鋼的強度。因此，在線生產(chǎn)時，中頻感應(yīng)加熱溫度應(yīng)列為重點監(jiān)測環(huán)節(jié)。

該熱處理生產(chǎn)線實現(xiàn)全線張力控制，成品無需后續(xù)矯直，板形質(zhì)量良好。相比傳統(tǒng)的輥式淬火機組和壓平式淬火機組需在單板狀態(tài)下進行，機架長度限制淬火鋼板長度，而本工藝對板材長度沒有限制，可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率更高。

2.3 組織觀察及性能檢測

分別在軋制態(tài)鋼板和熱處理后的鋼板上切取金相樣品，經(jīng)磨拋后用4%硝酸酒精溶液浸蝕20s，并采用Leica DM3000M光學(xué)顯微鏡對其顯微組織進行觀察；為檢驗鋼板厚度方向性能的均勻性，采用Wilson-Wolpert 401MVD維氏顯微硬度計對鋼板的橫截面沿板材厚度方向進行顯微硬度檢測，載荷為49N（5kg），保載時間為15s；依據(jù)國標(biāo)GB/T 228—2002在沿垂直于軋制方向的試驗板材上截取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，拉伸試驗在德國美斯特2000kN電液伺服萬能試驗機上進行，拉伸速度為5mm/min；使用德國美斯特QYJ-4201型沖擊試驗機測試沖擊吸收能量，采用夏比V型缺口試樣，尺寸為10mm×10mm×55mm，沖擊試驗溫度為-40℃；在彎曲試驗機上進行90°彎曲試驗，試驗前保證板材表面無明顯劃傷，彎曲脊線平行于軋向，彎曲試樣在任何方向上都沒有裂紋的出現(xiàn)才視為試驗合格。

3 試驗結(jié)果與分析

圖3為1500MPa超高強度鋼板材軋制態(tài)和熱處理后的橫截面的顯微組織。圖3a、圖3b分別為顯微鏡下100倍和500倍軋制態(tài)的顯微組織，觀察發(fā)現(xiàn)主要為珠光體和鐵素體，具有明顯的軋制態(tài)組織特征，擁有這種組織的鋼板從奧氏體化溫度以足夠的冷卻速度避開等溫轉(zhuǎn)變圖（C曲線）的峰值時可獲得全部馬氏體組織。傳統(tǒng)軋制工藝在熱軋階段會發(fā)生奧氏體再結(jié)晶，而且道次間隔較大時晶粒還會進一步長大，但Ti元素的加入可有效抑制奧氏體晶粒長大。鋼材中加入的Cr、Mo等多種合金元素互相激發(fā)，可加快奧氏體形成速度，大大降低臨界冷卻速度，保證了材料具有良好的淬透性。圖3c、圖3d所示分別為經(jīng)淬火加低溫回火后顯微鏡下100倍和500倍的顯微組織，主要為回火馬氏體組織。淬火時考慮到鋼中Si、Mn、Ti等元素可與C和B等元素相結(jié)合，形成穩(wěn)定的化合物的固溶溫度不同[8]，同時也要防止溫度過高、保溫時間過長而造成晶粒長大，且鋼板厚度較薄，還需考慮熱處理過程中表層脫碳的現(xiàn)象，因此設(shè)定在910℃保溫7min，得到晶粒度適中的奧氏體組織，為最終得到晶粒較為細(xì)小的回火馬氏體提供了基礎(chǔ)。低碳馬氏體在低溫回火過程中C和間隙元素發(fā)生擴散、聚集及重新分布，位錯密度降低，馬氏體板條平行排列成板條束，部分馬氏體板條束在回火后發(fā)生恢復(fù)與多邊形化?；鼗鸢鍡l馬氏體是一種較為優(yōu)良的組織，使材料具有超高強度的同時也具備一定的韌性。

圖3 試驗用1500MPa超高強度鋼顯微組織

表2列出了經(jīng)過熱處理后的1500MPa超高強度鋼力學(xué)性能，可見三組屈服強度均高于1350MPa，屈服強度平均值達到了1363MPa；三組抗拉強度也高于1500MPa，最高值達到1664MPa，平均值為1655MPa；鋼板的斷后伸長率約為10%；在-40℃的情況下進行沖擊試驗，三組沖擊吸收能量平均值為47.7J，韌性的表現(xiàn)還是基本穩(wěn)定的。從表2中可以看出，試驗獲得的超高強度鋼的抗拉強度遠(yuǎn)高于1500MPa，說明采用該連續(xù)熱處理生產(chǎn)工藝獲得的板材的力學(xué)性能優(yōu)異，板材熱處理后的性能波動較小，該工藝的穩(wěn)定性和可靠性良好。

表2 試驗用1500MPa超高強度鋼力學(xué)性能

淬透性是鋼的一項重要性能，表征了鋼在淬火時獲得馬氏體的能力。在材質(zhì)中加入一定量的合金元素也是希望可以提高鋼的淬透性，保證鋼材經(jīng)熱處理后的最終組織與性能。沿鋼板厚度方向進行硬度檢驗，一是可以對厚度方向硬度的均勻性進行表征；二是厚度方向的硬度值也間接地表明了鋼的淬透程度。因此，沿鋼板厚度方向每間隔0.1mm打1點硬度值，從鋼板的上表面到下表面共計30個檢測點，如圖4所示。從圖中可以看出，相較于熱軋板的顯微硬度250HV5，鋼板厚度方向維氏硬度的變化范圍為505～531HV5，經(jīng)過淬火＋回火處理后，板材的顯微硬度明顯提高，且板材心部與表面的顯微硬度相當(dāng)，整個厚度截面硬度波動極小，鋼板厚度方向性能較為均勻。這也證明熱處理的溫度及保溫時間選取的較為適當(dāng)，沒有造成材料表面脫碳而使表層硬度降低。

圖4 試驗用1500MPa超高強度鋼顯微硬度曲線

冷彎試驗是檢驗鋼材在常溫下承受一定彎曲程度的彎曲變形能力，并顯示出裂紋缺陷的一種檢測手段。冷彎時試樣的中間部位受到彎曲和剪切等復(fù)雜作用，因此也可作為考察鋼材在復(fù)雜應(yīng)力情況下產(chǎn)生塑性變形的參考依據(jù)。1500MPa超高強度鋼板彎曲后的形狀如圖5所示，可以看出經(jīng)過彎曲角度為90°的彎曲后，鋼板表面完好，未出現(xiàn)裂紋，試驗評定冷彎性能合格。

圖5 超高強度鋼板冷彎試驗后形狀

4 結(jié)束語

1）鋼材軋制態(tài)的組織為鐵素體和珠光體，經(jīng)910℃淬火加200℃回火后得到的是細(xì)小回火馬氏體組織。

2）經(jīng)熱處理后鋼材的屈服強度平均值為1363MPa，抗拉強度平均值為1655MPa，伸長率平均值為10.3%，-40℃沖擊吸收能量平均值為47.7J，厚度方向硬度平均值約520HV5。

3）采用感應(yīng)加熱設(shè)備與電阻爐結(jié)合以及全線張力條件下的氣霧聯(lián)合淬火機組的連續(xù)熱處理生產(chǎn)線，具有生產(chǎn)效率高、板材性能優(yōu)異和板形質(zhì)量良好等優(yōu)點。