Q960E高强钢新品种开发及热处理工艺研究

杨 浩

(南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 210035)

现阶段，我国主要以控轧控冷的工艺方式生产600 MPa级别的高强钢，并取得了初步成果[1]。但对于屈服强度以及稳定性要求较高的960 MPa级别高强钢的生产而言，控轧控冷生产工艺无法达到预期的效果，仍需要采用传统淬火与高温回火相结合的工艺进行生产。目前，国内外学者已经研究了工艺参数以及合金元素对高强钢组织性能的影响规律。因此，本文拟设计开发规格分别为8、10和12 mm的Q960E高强钢，并分析淬回火的热处理工艺对高强钢力学性能和组织结构的影响规律，进而通过轧后热处理方式，生产出力学性能优、板形佳的Q960E高强钢。

1 Q960E成分设计及性能要求

标准GB/T 16270对Q960E高强钢的力学性能要求见表1。由表1可知，Q960E高强钢既要有高强度，又要有高韧性和塑性。因此，若想设计出规格分别为8、10和12 mm的Q960E高强钢，则需要充分考虑实际生产过程中各合金元素对于钢种整体结构的影响，并借助物理冶金原理以及热力学计算软件分析。表2为Q960E高强钢的主要化学成分。其中，Cr元素可延迟珠光体转变及提升奥氏体稳定性；Nb与Ti能够阻止生产过程中奥氏体受热长大，并具备一定的析出强化作用；Mo能够降低钢在回火处理中的软化程度；Mn与C可提升钢种的强度与淬透性[2]。

表1 Q960E高强钢的力学性能要求

表2 Q960E高强钢的主要化学成分(质量分数，%)

2 高强钢新品种生产工艺

2.1 生产工艺流程

Q960E高强钢新品种的开发以C-Nb-Mn为成分体系，并加入Ti、Mo、Cr等合金元素，其生产工艺流程为：铁水预处理→转炉冶炼→合金元素微调→炉外精炼(LF+RH)→连铸→铸坯加热→轧制→超快冷冷却→卷取→开卷→热处理→成品[3]。

2.2 轧制工艺要点

高强钢整个轧制过程在生产线上完成，对温度的要求较高。其中，连铸过程中的均热温度需要控制在1250 ℃，粗轧过程中的开轧温度应为1150 ℃，并且在经过8次粗轧后进入精轧阶段，需将温度控制在1040±20 ℃，出精轧环节后的温度应为860 ℃，最后通过超快冷冷却将温度控制在650 ℃后进行制作。生产出规格分别为8、10和12 mm的Q960E高强钢，边部与制作质量较好，如图1所示。表3为三种规格热轧板的力学性能检测结果。可通过热处理工艺提高热轧板的强度，降低其可塑性，从而满足高强钢的生产设计要求[4]。

图1 热轧钢板

表3 不同规格热轧板的力学性能

3 高强钢热处理工艺研究

3.1 试验方案

在规格为12 mm的热轧板上切取尺寸为80 mm×12 mm×12 mm的试样，在箱式电阻炉中进行热处理试验[5]。热处理工艺为：试样加热至900 ℃保温15 min，空冷至室温；然后分别在150、250、350、450、550和650 ℃回火保温30 min，见表4。在温室下进行拉伸试验，检测试样的力学性能。

表4 高强钢热处理工艺

3.2 试验结果

表5为热处理后各试样的力学性能。由表5可知，随着回火温度的升高，试样的屈服强度先升高后下降；抗拉强度逐渐下降；-40 ℃冲击功先下降后升高，在回火温度为350 ℃时进入低温回火脆性区，之后急剧增加[6]；断后伸长率呈先升高再下降后又升高的波浪形变化趋势，回火温度为350 ℃时，断后伸长率最小为13.1%。

表5 热处理后高强钢的力学性能

3.3 分析讨论

高强钢在淬火过程中发生马氏体相变，其金相组织如图2(a)所示。另外，切边过程中试样的体积效应发生可动位错，使得试样淬火后的屈服强度较低，并且由于马氏体中含碳量较少，即使未进行高温回火仍具有较高的力学性能。在进行回火热处理过程中，受马氏体分解与软化的影响，其组织内部会出现错位重排的现象，使得氮、碳等原子重新分布，进而析出氮、碳化合物，使试样的组织结构逐渐呈现出稳定状态的趋势[7]。当回火温度为180 ℃时，通过显微镜观察其内部组织的分解程度不断增加；当回火温度达到250～350 ℃时，试样中的马氏体组织逐渐模糊，并析出大量的氮、碳化合物；当回火温度≥450 ℃时，试样中的马氏体发生合并且碳化合物的数量随之减少，逐渐变成小球状，同时其内部的组织结构出现再结晶的现象；当温度达到650 ℃时，组织内部的马氏体会完全分解，并且晶粒内散布着大量的球状碳体，如图2(b)所示。因此，随着回火温度的升高，试样的抗拉强度逐渐下降[8]。

(a)300 ℃；(b)650 ℃

随着回火温度的升高，试样的屈服强度先升高后下降，其根本原因在于：试样内部组织间发生了错位重排，在一定程度上抵消了可拉动的位错密度，见图3(a)和图3(b)；同时由于试样中碳化物的析出钉扎了位错，使得组织内部的位错激活能不断增加，如要进一步增强试样的屈服强度，则需要借助更强的外力作用[9]。随着回火温度的升高，碳化物的析出数量逐渐增加(图3(c)和图3(d))，使得内部组织的位错运动受到一定的阻碍，进而呈现出不连续屈服的状态。当回火温度>450 ℃时，试样内部的马氏体会完全分解，虽然析出的碳化物能够阻碍内部组织发生位错运动，但回火过程中内部组织的软化程度远高于碳化物的析出效果，从而使试样的屈服强度降低[5]。

(a)300 ℃；(b)350 ℃；(c)400 ℃；(d)450 ℃

随着回火温度的升高，高强钢的韧性和塑性先下降后升高。这是由于在250～350 ℃回火脆性区域，试样内会形成渗碳体晶核并析出薄壳状渗碳体，进而在一定程度上降低了试样的断裂韧性和塑性[10]。

对三种规格的高强钢进行现场试制，热处理工艺为：试样加热至900 ℃保温15 min，空冷至450 ℃，再450 ℃回火保温30 min。三种规格的高强钢板的力学性能均达到标准要求，见表6。

表6 现场试验生产高强钢板的力学性能

4 结论

1)Q960E高强钢经过轧制处理后，得到的钢体边部以及卷形质量优良，组织为珠光体和铁素体；

2)随着回火温度的升高，高强钢的屈服强度先增加后下降，抗拉强度逐渐下降，-40 ℃冲击功先下降后增加，断后伸长率呈先增加再下降后又增加的波浪形变化趋势；

3)三种规格的高强钢经900 ℃淬火保温15 min及450 ℃回火保温30 min，其力学性能均满足标准要求。