低合金高强钢在线冷却工艺研究

　　工程机械、矿山机械等行业的发展对高强度焊接结构钢的力学和工艺性能提出了更高的要求[1]。屈服强度为960～1100MPa级高强钢是目前制造高端工程机械产品的主要结构材料。我国许多生产企业对该等级钢的生产方式仍采用控轧控冷加离线调质热处理工艺。然而，近年来直接淬火工艺在中厚板生产中的应用逐渐增多，其不仅可使钢材的强度成倍提高，而且在低温韧性、焊接性能、抑制裂纹扩展、钢板均匀冷却以及板形控制等方面都比传统工艺优越[2]。本文设计了低合金调质高强钢的在线超快速冷却实验，研究了冷却工艺参数对其组织和性能的影响。

　　1　实验材料及方法

　　实验钢的化学成分(质量百分数)：w(C)=0.16%，w(Si)= 0.20%，w(Mn)=1.45%，w(Cr)= 0.5%，w(Mo)= 0.5%，w(Als)=0.02%，w(B)=0.0015%，w(P)= 0.008%，w(S)= 0.002%，Nb、V、Ti微量添加。采用150kg真空感应炉冶炼并浇铸成锭，锻造成截面尺寸100mm×100mm的长方坯。

　　将钢坯锯切成适合长度并在东北大学轧制技术及连轧自动化国家实验室Φ450mm轧机上进行轧制和冷却实验。钢坯在箱式电阻炉中加热至1200℃保温1h，并采用两阶段控制轧制工艺。奥氏体再结晶区轧制开轧温度1050℃，道次压下率大于20%，累积压下率70%;未再结晶区轧制开轧温度为900℃，经6道次轧至目标厚度12mm，累积压下率60%。轧后利用实验轧机配置的超快冷设备冷至不同温度，然后空冷至室温。并将直接淬火的钢板进行回火实验，回火温度600℃，回火时间1h。对轧后空冷钢板进行离线再加热淬火，加热温度930℃，加热时间16min，然后在600℃回火40min。实验冷却工艺参数如表1所示。

　　检测不同工艺下钢板横向(垂直轧制方向)拉伸性能，试样加工成Φ6mm的圆棒，标距30mm，平行长度42mm，在WAW-1000型电液伺服万能试验机上进行，拉伸速率1mm/min;检测钢板纵向(沿轧制方向)V型缺口夏比冲击性能，试样尺寸10mm×10mm×55mm，在Instron　9250HV落锤冲击试验机上进行，试验温度-40℃。

　　为观察钢板显微组织，于钢板纵剖面(沿轧制方向)制取试样，试样表面打磨抛光后用4%硝酸酒精溶液腐蚀至灰暗色，采用LEICA　Q550IW光学显微镜(OM)和FEI　Quanta　600扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织。采用双喷电解减薄方法制取透射电子显微镜(TEM)试样，电解液采用体积分数为9%的高氯酸酒精溶液，在FEITecnai　G2F20型电镜上进行观察。

　　2　结果与讨论

　　2.1　轧态显微组织和力学性能

　　图1为轧制后不同冷却条件下钢板的显微组织。轧后空冷的1#钢板显微组织由粗大的粒状贝氏体构成，粗大的M/A岛呈不规则块状分布在铁素体基体上，见图1a、b。M/A岛是在冷却相变的过程中形成的，碳原子由铁素体向未转变的奥氏体扩散，奥氏体由于碳含量增加其稳定性提高，保留至室温或转变成其他产物而形成M/A岛。空冷过程中冷速慢转变时间长，碳元素的扩散程度更大，因此1#钢板的M/A岛含量多，尺寸较大，并多呈不规则的块状。终冷温度在520～530 ℃时，钢板的显微组织为粒状贝氏体，见图1c、e。在贝氏体组织中能明显辨认出原奥氏体晶界，由于两阶段控制轧制的作用，原奥氏体晶粒压扁拉长，增加了有效晶界面积细化了基体组织。2#钢板的M/A岛呈不规则粒状或块状分布在铁素体基体和原奥氏体边界，部分M/A岛呈长条状，与原奥氏体边界呈约30°～ 45°角，见图1c。3#钢板的贝氏体组织板条特征更为明显，在贝氏体铁素体的板条间分布着细条状M/A岛，而且呈粒状组织的局部区域其粒状M/A岛较2#钢也更为细小，见图1e、f。终冷温度为210℃时，可以得到板条马氏体组织，见图1g、h，因此4#钢板在实验冷却条件下达到了直接淬火的目的。图2为4#钢板直接淬火态的TEM组织。