, 朱美君2, 王昭东1 1. 东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室, 辽宁 沈阳 110819;
2. 南京钢铁股份有限公司, 江苏 南京 210035
收稿日期：2021-10-28
基金项目：辽宁省人才计划项目(XLYC2007039)。
作者简介：杨森宇(1995-)，男，辽宁盘锦人，东北大学硕士研究生;
付天亮(1981-)，男，黑龙江阿城人，东北大学教授，博士生导师;
王昭东(1968-)，男，安徽淮南人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：利用宽厚板厂辊式淬火装备，对比分析了控温淬火和常规淬火工艺对不同厚度Q960E工程机械用超高强钢板组织性能的影响，获得了两种淬火工艺下钢板淬火后组织和力学性能.结果显示：20，30和40 mm厚Q960E钢板控温淬火至终冷表面温度40 ℃，可节约淬火装备用水量40 % 以上，淬后钢板表面质量优异，钢板平直度≤3 mm/m.与常规辊式淬火组织明显不同，控温淬火后，钢板发生余热自回火，其近表面、1/4厚度和1/2厚度位置处均为自回火马氏体组织.Q960E钢板控温淬火后综合力学性能优异，平均维氏硬度≥420，略高于常规辊式淬火，钢板屈服强度>980 MPa，抗拉强度>1 000 MPa，伸长率＞14 %，钢板塑性良好，-40 ℃冲击功>44 J.
关键词：超高强钢板控温淬火终冷温度常规辊式淬火组织性能
Experimental Study and Application of Temperature-Controlled Quenching for Q960E Ultra High Strength Steel Plates
YANG Sen-yu1, FU Tian-liang1
, ZHU Mei-jun2, WANG Zhao-dong1 1. State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. Nanjing Iron & Steel Co., Ltd., Nanjing 210035, China
Corresponding author: FU Tian-liang, E-mail: futianliang@126.com.
Abstract: The influence of temperature-controlled quenching and conventional quenching on the microstructure and mechanical properties of Q960E ultra-high-strength steel plates, with a thickness of 20, 30 and 40 mm, was analyzed using the roller-type jet quenching facility. The microstructure and properties of steel plates under two quenching process conditions were obtained. The results revealed that, when the quenching termination temperature is 40 ℃, more than 40 % of the water consumption can be saved. The surface quality of quenched plates is significantly improved and the flatness is ≤3 mm/m. The microstructure of the experimental steel plates processed by temperature-controlled quenching consists of auto-tempered martensite, which is different from the conventional roller-type quenching. The steel plates exhibit excellent comprehensive mechanical properties after temperature-controlled quenching with an average Vickers hardness of ≥420, yield strength of >980 MPa, tensile strength of >1 000 MPa, elongation of >14 %. The impact energy is more than 44 J at -40 ℃.
Key words: ultra-high-strength steel platetemperature-controlled quenchingfinal cooling temperatureconventional roller-type quenchingmicrostructural and mechanical properties
随着我国工程机械逐渐向轻量化、结构复杂化、大型化和高安全性方向发展，其结构材料已由传统的低碳钢逐渐向先进高强钢和超高强钢转变，如全路面起重机、臂架式挖掘机、混凝土泵车等[1-2].提高钢材强度的方法有很多，如合金化、控轧控冷、热处理等[3-6].其中热处理(淬火)是超高强工程机械用钢普遍采用的强韧化工艺.传统的辊式淬火工艺是将钢板加热至奥氏体化温度并保温一段时间使晶粒长大组织均匀化，随后以大于临界冷却速度快速冷却至室温，以获得马氏体淬火组织，但是，传统辊式淬火在力学性能上难以在提高强度的同时获得优异的塑性性能，需要后续回火处理进行组织性能调控[7]，增加热处理工序将延长生产周期，增加能源消耗[8]，降低企业的生产效率.
控温淬火作为一种新提出的淬火工艺，是指将正火后的钢板加速冷却，通过提高淬火终冷温度实现钢板余热自回火，并形成自回火马氏体和亚稳碳化物，改善钢板综合力学性能[9].研究表明，采用控温淬火工艺制备的耐磨钢，开裂倾向大幅度降低.将材料加热至奥氏体化温度后，以大于临界冷却速度冷却至Ms点及其附近，以人工干预的方法使工件缓慢进行Ms点的组织转变，可以有效降低淬火应力.同时，钢板发生余热自回火，析出纳米ε-碳化物，生成自回火马氏体组织，提高钢的延伸率和塑性，使材料具有更高的延展性[10-12]，利用自回火调控钢板组织性能，是控温淬火工艺的优势之一.此前对于Q960E控温淬火工艺的研究处于实验室阶段，没有进行现场应用，试验研究表明，当淬火终冷温度为100 ℃时，Q960E钢板具有优异的的力学性能[13].
本文以不同厚度Q960E钢板为研究对象，基于宽厚板厂辊式淬火设备进行控温淬火工艺现场应用，通过调节辊速和高低压段水量等参数控制不同厚度Q960E钢板冷却速度与终冷温度，完成组织性能调控.并与常规辊式淬火工艺对比，分析控温淬火工艺对钢板组织性能影响，将理论研究应用于实际生产.
1 试验材料及方法试验材料为某钢厂的Q960E高强工程机械用钢板，钢板厚度规格为20，30和40 mm.根据GB/T 16270—2009《高强度结构用调质钢板》，要求Q960E钢的力学性能如表 1所示.
表 1(Table 1)
 表 1 Q960E钢的力学性能Table 1 Mechanical properties of the Q960E steel
| 表 1 Q960E钢的力学性能 Table 1 Mechanical properties of the Q960E steel |
原料钢板经过热轧后，在热处理炉中加热至890 ℃，并保温20~50 min，完全奥氏体化后连续进入辊式淬火机快速冷却，并根据钢板的厚度和工艺设置淬火机的参数，其中设置高压水0.8 MPa，低压水0.4 MPa.
具体淬火工艺包括：1)通过调节淬火机的辊缝和高、低压段开设的喷嘴组数等参数对不同厚度Q960E钢板进行控温淬火，钢板经控温淬火工艺终冷至表面40 ℃左右(控温淬火)，随后空冷至室温.其中，钢板表面终冷温度由红外线测温仪测得.控温淬火后观察钢板表面质量，并利用2 m长钢板直尺分别测量钢板头部、中部和尾部板形平直度.2)通过增加淬火机高、低压段开设的喷嘴组数将钢板淬火冷却至室温(常规辊式淬火)，测量表面终冷温度，观察钢板表面质量以及测量板形平直度.
分别观察钢板厚度方向近表面、1/4厚度及1/2厚度位置处的金相组织以及组织机构和析出物形貌，测量常规辊式淬火和控温淬火工艺下钢板厚度方向硬度分布，检测钢板不同厚度位置处强度、延伸率和冲击功.具体内容为：切取不同厚度位置处的金相试样，经研磨、抛光后在4 % 硝酸酒精下腐蚀15 s，利用LEICA Q550IW光学显微镜观察金相组织；取心部位置试样，经研磨后利用9 % 高氯酸酒精溶液双喷后在Tecnai G2 F20型场发射透射电子显微镜上对析出物形貌进行观察；利用KB3000BVRZ-SA型宏观万能硬度计在厚度方向上每隔1 mm取一个硬度值，测试全厚度截面硬度，设置其在500 g的载荷下加载10 s；在GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验》的规定下，加工直径5 mm的标准圆棒拉伸试样，在WDW-300微机控制电子万能试验机上进行强度性能测试，其中拉伸速率为2 mm/min，测量屈服强度、抗拉强度和延伸率；在GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》的规定下，加工10 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口型冲击试样，使用摆锤式冲击试验机测定试验钢-40 ℃冲击功，测试3次取平均值.
2 试验结果及分析2.1 Q960E钢板控温淬火后表面质量及用水量Q960E高强钢板经常规淬火和控温淬火后的试验参数如表 2所示.通过减少淬火设备用水量，控制钢板表面终冷温度在40 ℃左右，其用水量比常规辊式淬火减少40 % 以上，减少了淬火设备的使用成本，体现了控温淬火工艺带来的经济效益.钢板经控温淬火后，表面平直度均≤3 mm/m，表面平直，表面质量优异.同时，控温淬火结束后，钢板心部余热能够通过热传导传递至表面，出现返红现象，蒸发钢板表面残余淬火用水，减少表面锈蚀，提高了钢板的表面质量.
表 2(Table 2)
表 2 Q960E钢板常规辊式淬火和控温淬火试验参数Table 2 Experimental parameters of conventional roller-type quenching and temperature-controlled quenching processes
| 表 2 Q960E钢板常规辊式淬火和控温淬火试验参数 Table 2 Experimental parameters of conventional roller-type quenching and temperature-controlled quenching processes |
2.2 组织分析40 mm厚Q960E钢板控温淬火和常规淬火后的金相显微组织如图 1所示.钢板经控温淬火后，近表面厚度、1/4厚度和1/2厚度位置处得到的组织均为具有一定回火态的板条马氏体组织，且组织厚向分布均匀，这种回火马氏体板条边界模糊，与常规淬火得到的马氏体板条差异明显.这是由于钢板控温淬火，与冷却水直接接触的近表面处快速冷却至马氏体相变区，进行马氏体相变，而1/4厚度和1/2厚度位置处则利用热传导以相对于近表面较慢的速度冷却，并且，在控温淬火后，心部位置的热量继续向近表面传导，出现返红现象，发生余热自回火，生成自回火马氏体组织，影响力学性能[14-15].研究表明，淬火终冷温度选择在略低于马氏体转变开始点，此时自回火程度大，可以获得最佳的强韧性配合.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 40 mm厚Q960E钢板金相组织Fig.1 Metallographic microstructure of 40 mm Q960E steel plates (a)—常规淬火-表面; (b)—常规淬火-1/4; (c)—常规淬火-1/2; (d)—控温淬火-表面; (e)—控温淬火-1/4; (f)—控温淬火-1/2. |
20和30 mm厚Q960E钢板1/2厚度位置处的TEM组织如图 2所示.组织为清晰的板条马氏体组织，其板条宽度在0.3 μm左右，板条尺寸细小均匀.控温淬火后，组织中析出了黑色针状的ε-碳化物，如图 2b和2d所示，30 mm厚Q960E组织中弥散分布的碳化物多于20 mm厚Q960E，且其尺寸细小，小于100 nm.研究表明，细小弥散的碳化物析出可以促进析出塑性的产生，由碳化物析出所产生的析出塑性可以消减材料的残余应力[17]，并提高钢板的综合性能.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 控温淬火心部TEM组织Fig.2 TEM images of the center after temperature- controlled quenching (a), (b)—20 mm; (c), (d)—30 mm. |
2.3 力学性能分析Q960E钢板控温淬火和常规辊式淬火后厚度方向硬度分布如图 3所示.两种工艺下钢板的平均维氏硬度均在420以上，且心部和表层硬度相近，说明钢板控温淬火后淬透性优异.同时，随着钢板厚度的增加，由于钢板控温淬火后自回火，碳化物偏聚析出增加，研究表明，所析出的碳化物数量越多，弥散硬化的效果越大[18].因此，控温淬火后，其硬度值甚至略高于常规辊式淬火，且钢板厚度越大，增加效果越明显.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 不同厚度不同工艺处理Q960E钢维氏硬度值Fig.3 Vickers hardness of Q960E steel with a thickness (a)— 20 mm; (b)— 30 mm; (c)— 40 mm. |
钢板经控温淬火和常规淬火后的屈服强度、抗拉强度以及延伸率如图 4所示.控温淬火后，钢板的屈服强度大于980 MPa，抗拉强度大于1 000 MPa，与常规淬火后强度相近.钢板控温淬火后的延伸率均高于常规淬火，且随着钢板厚度的增加，延伸率有所减小，但均大于14 %，这是由于控温淬火后钢板发生余热自回火，硬相的板条马氏体发生部分分解，同时析出弥散的ε-碳化物组织，产生析出塑性，所以控温淬火后，钢板具有更高的延伸率.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 试验钢板强度和延伸率Fig.4 Strength and elongation of experimental steel plate |
钢板经控温淬火和常规淬火后的屈强比如图 5所示，屈强比均在0.95左右，且控温淬火后，钢板的屈强比略低于常规淬火，越低的屈强比抵抗变形抗力的能力越强[19-20].钢板控温淬火和常规淬火后的冲击功如图 6所示.控温淬火后钢板的冲击功均大于44 J，并且随着钢板厚度增加，-40 ℃冲击功呈上升趋势，这是因为随着钢板厚度增加，当钢板表面达到同一终冷温度时，其心部位置热传导减慢，导致心部温度增加，此时自回火程度增加，冲击韧性会随之增加.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 试验钢板屈强比Fig.5 Yield strength ratio of experimental steel plate |
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 试验钢板冲击性能Fig.6 Impact performance of experimental steel plate |
3 结论Q960E钢板经控温淬火后，淬火设备用水量减少40 % 以上，钢板表面无锈蚀，平直度≤3 mm/m；组织性能上，其近表面、1/4厚度、1/2厚度位置处均为区别于常规淬火后的自回火马氏体组织，并弥散析出尺寸不超过100 nm的ε-碳化物；力学性能上，控温淬火后硬度略高于常规淬火，强度和屈强比近似于常规辊式淬火，延伸率高于常规淬火，-40 ℃冲击功>44 J，具有优异的综合力学性能，能够满足企业生产要求.
参考文献
| [1] | Yang Y, Cai Q W, Xie B S, et al. Effect of tempering temperature on strain hardening exponent and flow stress curve of 1000 MPa grade steel for construction machinery[J]. Journal of Iron and Steel Research International, 2017, 24(9): 950-956. DOI:10.1016/S1006-706X(17)30138-3 |
| [2] | Venturato G, Novella M, Bruschi S, et al. Effects of phase transformation in hot stamping of 22MnB5 high strength steel[J]. Procedia Engineering, 2017, 183: 316-321. DOI:10.1016/j.proeng.2017.04.045 |
| [3] | Anatoliy Z, Valeriy P, Thierry B, et al. Effect of heat treatment on the mechanical properties and microstructure of HSLA steels processed by various technologies[J]. Materials Today Communications, 2021, 28: 102598. DOI:10.1016/j.mtcomm.2021.102598 |
| [4] | Jiang J, Bao W, Peng Z Y, et al. Experimental investigation on mechanical behaviours of TMCP high strength steel[J]. Construction and Building Materials, 2019, 200: 664-680. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2018.12.130 |
| [5] | Li G P, Chen W, Wu N, et al. Effect of Cr content and its alloying method on microstructure and mechanical properties of high manganese steel-bonded carbide[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2021, 101: 105698. DOI:10.1016/j.ijrmhm.2021.105698 |
| [6] | Sun J J, Guo S W, Zhao S D, et al. Improving strength of cold-drawn wire by martensitic transformation in a 0.65 wt % C low-alloy steel[J]. Materials Science & Engineering A, 2020, 790(139719). |
| [7] | Zhu X, Ogi K, Okabe N. Improved workability of diameter-enlarged process for S35C through quenching and tempering heat treatment[J]. Materials Science Forum, 2019, 4580: 26-33. |
| [8] | Chang Z Y, Li Y J, Wu D. Enhanced ductility and toughness in 2000 MPa grade press hardening steels by auto-tempering[J]. Materials Science & Engineering A, 2020, 784: 139342. |
| [9] | Jiang H, He Y L, Lin L, et al. Microstructures and properties of auto-tempering ultra-high strength automotive steel under different thermal-processing conditions[J]. Metals, 2021, 11(7): 1121. DOI:10.3390/met11071121 |
| [10] | 王定祥. 耐磨钢铁材料Ms点控温淬火法[J]. 铸造设备与工艺, 2017, 39(1): 49-54, 66. (Wang Ding-xiang. Ms point temperature-controlled quenching method for wear-resistant steel material[J]. Foundry Equipment & Technology, 2017, 39(1): 49-54, 66.) |
| [11] | Li C N, Yuan G, Ji F Q, et al. Effects of auto-tempering on microstructure and mechanical properties in hot rolled plain C-Mn dual phase steels[J]. Materials Science & Engineering A, 2016, 665: 98-107. |
| [12] | Matsuda H, Mizuno R, Funakawa Y, et al. Effects of auto-tempering behaviour of martensite on mechanical properties of ultra high strength steel sheets[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2013, 577: 661-667. DOI:10.1016/j.jallcom.2012.04.108 |
| [13] | 张家文, 付天亮, 吴昊, 等. 控温淬火工艺对Q960E超高强钢板组织性能的影响[J]. 材料热处理学报, 2021, 42(2): 89-97. (Zhang Jia-wen, Fu Tian-liang, Wu Hao, et al. Effect of temperature-controlled quenching process on microstructure and properties of Q960E ultra high strength steel plate[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2021, 42(2): 89-97.) |
| [14] | Zhi Y, Liu X H, Wang G D. Re-reddening on strip surface after water cooling[J]. Journal of Iron and Steel Research International, 2007, 14(3): 26-30. DOI:10.1016/S1006-706X(07)60038-7 |
| [15] | Setsuo T, Daichi A, Toshihiro T. Quantitative evaluation of auto-tempering during quenching[J]. Netsushori, 2017, 56(6): 340-344. |
| [16] | 李桂芬, 董瀚, 高伟, 等. 水淬终止温度对自回火马氏体钢组织和性能的影响[J]. 钢铁研究学报, 1996, 16(5): 42-47. (Li Gui-fen, Dong Han, Gao Wei, et al. Effect of interrupted quenching temperature on the structure and mechanical propreties of a direct quenched and self tempered steel[J]. Journal of Iron and Steel Research, 1996, 16(5): 42-47.) |
| [17] | 吴挺, 丁文红, 祁聪, 等. 碳化物形貌对高强钢回火残余应力的影响[J]. 材料热处理学报, 2021, 42(2): 80-88. (Wu Ting, Ding Wen-hong, Qi Cong, et al. Influence of carbide morphology on residual stress of high strength steel during tempering[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2021, 42(2): 80-88.) |
| [18] | 庞勃. 浅谈淬火碳钢在回火时的转变[J]. 中国新技术新产品, 2014, 22(19): 39. DOI:10.3969/j.issn.1673-9957.2014.19.032 |
| [19] | Kim Y M, Kim S K, Lim Y J, et al. Effect of microstructure on the yield ratio and low temperature toughness of linepipe steels[J]. ISIJ International, 2002, 42(12): 1571-1577. |
| [20] | Li X H, Liu Y C, Gan K F, et al. Acquiring a low yield ratio well synchronized with enhanced strength of HSLA pipeline steels through adjusting multiple-phase microstructures[J]. Materials Science & Engineering A, 2020, 785: 139350. |
