淬火及回火工艺对S450J0高强度H型钢组织和性能的影响

刘 圣

(莱芜钢铁集团有限公司)

0 引言

S450J0 热轧H 型钢桩是目前热轧H 型钢领域的顶尖产品，主要用于制作多层框架柱、平台柱及工业构架等。具有翼缘厚、强度要求高，且需保证良好的焊接性能及低温冲击性能，同时要有效避免使用过程中"自然时效"的影响［1］。目前在香港、澳门及东南亚市场有了较为广泛的应用［2］。V －N 微合金化是目前生产此钢种较为成熟的处理方式，研究表明V 的微合金化，是对微合金钢的晶粒细化和沉淀强化最有效的途径。0．1%的V 可以带来220 MPa～260 MPa 的强度增量［3］。随着使用要求的不断提高，为充分发挥此钢种的潜力，特别是进一步提高其强度及低温性能，同时解决此钢种存在的使用过程中自然时效的问题，本工作将S450J0 高强度H 型钢进行了淬火，并经过高温回火后，对其力学性能进行了系统研究，并从微观组织方面对其进行了强韧化机理分析。为S450J0 高强度H 型钢的轧制生产工艺的提高提供依据。

1 实验材料和方法

1．1 实验材料

由光谱分析得到S450J0 热轧H 型钢的化学成分见表1。

表1 S450J0 热轧H 型实验钢的化学成分(质量分数) %

由表1 可以看出，该钢种由转炉冶炼经钢包精炼(LF)，硫磷含量控制在0．015%以下，减少非金属夹杂物的析出，防止热轧后带状组织的形成。主要措施是采用脱硫铁水直接入炉，降低铁水硫含量，此外转炉冶炼操作中，适当增加渣量。尽量减少钢中氧含量，终点操作采用高拉一次补吹法，提高终点命中率，防止钢水过氧化，增加硅钙合金用量，采取渣洗精炼+炉渣改质技术等措施保证将氧含量降到最低。控制低过热度，过热度控制在20 ℃～30 ℃以内。轧制工艺:钢坯开轧温度为1170 ℃，总压下率为69%，终轧温度为900 ℃，轧后空冷至室温。轧制采取控制轧制工艺，经过充分数量的轧制道次，轧制过程中，相变产生的铁素体晶粒进一步细化，从而有效提高强度。轧制过程中需要重点关注的是加热制度，加热过程中尽量减小钢坯内外温差，避免因温度不均匀形成的内部与表面膨胀系数差别大，引起过大的应力。实践证明将预热温度设定在750 ℃～1000 ℃较为合理，同时采取短时间快速预热的方法，避免钢坯在低温区较高的导热系数所带来的不利影响。

1．2 试验方法

1．2．1 淬火及回火

利用Gleeble3800 热模拟试验机测得S450J0 热轧H 型钢以10 ℃/s 的速度加热时的温度－膨胀量曲线。并且采用"切线法"对温度－膨胀量曲线的直线部分延长线与曲线部分的分离点作为临界相变点，测定其AC1 温度为735 ℃，AC3 温度为870 ℃，如图1 所示。

利用此方法对S450J0 热轧H 型钢淬火及回火的组织及性能的影响进行研究，同样将其以10 ℃/s加热到890 ℃，保温1 h 后淬火，编号为C1。再将淬火试样分别在530 ℃、560 ℃、590 ℃、620 ℃、650 ℃回 火1h后空冷，编号为H1、H2、H3、H4、H5，另取热轧态的试样作为对照，编号为R1。

图1 S450J0 热轧H 型钢加热时的温度－膨胀量曲线

2 实验结果及分析

2．1 力学性能

按照GB/T 228 －2002 拉伸试样国家标准，制备尺寸为10 mm ×25 mm ×300 mm 的拉伸试样，在WAW－Y2000 万能拉伸试验机上进行拉伸实验，测量其屈服强度，抗拉强度，伸长率δ。按相关国家标准制备15 mm×l5 mm ×60 mm 的V 型缺口冲击试样，按照GB/T 229 －2007 的规定，在－40 ℃～0 ℃范围内每隔10 ℃进行一组冲击实验;每种工艺的每一项力学性能测试结果都取3 个试样的平均值。不同处理工艺下S450J0 热轧H 型钢的力学性能和冲击韧性见表2。

表2 S450J0 热轧H 型实验钢的力学性能

由表2 可以看出，淬火并回火后的试样H4 与热轧状态的试样R1 相比，屈服强度和抗拉强度分别提高了91 MPa 和87 MPa，伸长率降低了2．1%。强度与伸长率的乘积(强塑积)这个指标能够反映材料的综合力学性能。强度提高对应着伸长率降低。它反映了材料在破坏前吸收能量的大小。三种不同情况的处理工艺中，经淬火并620 ℃回火1 小时试样具有最高的强塑积。冲击韧性方面由表2 及图4 可见，H4 试样均具有最高的冲击功。因此，综合强塑积及冲击韧性，淬火并回火的试样具有最佳的力学性能。

2．2 回火温度对实验钢力学性能的影响

实验钢均在890 ℃保温1 h 淬火，再将淬火试样分别在530 ℃、560 ℃、590 ℃、620 ℃、650 ℃回火1 h 后空冷，各个温度的实验结果均为3 个试样的平均值。

2．2．1 对抗拉强度和屈服强度的影响

在530 ℃～590 ℃回火时，随着回火温度的升高，其强度逐渐降低，这是因为温度升高，基体发生了回复和再结晶，过饱和的固溶碳原子数量减少，基体中碳含量下降，从而使强度下降。但在590 ℃～620 ℃温度区间，强度逐渐回升。分析原因是由于在该温度区间回火时，合金元素V 脱溶析出形成高度弥散分布的碳氮化物，碳氮化物的析出对基体产生了强化作用，使钢的强度、硬度及韧性升高，即二次硬化效应(如图2 所示)。但随后在620 ℃～650 ℃又出现下降趋势，这是因为随着温度进一步升高，碳化物逐渐粗化和球化，强度、硬度及韧性降低。

图2 回火温度与屈服强度和抗拉强度的关系

2．2．2 对硬度的影响

不同温度回火后硬度的变化与其强度变化趋势相同(如图3 所示)。在590 ℃～620 ℃之间，由于二次硬化效应的存在，硬度逐渐回升，到620 ℃达到最大值。同样因为温度的进一步升高，碳化物逐渐粗化和球化，硬度降低。进一步印证了在620 ℃温度附近进行回火处理，具有最佳的处理效果。

图3 回火温度与硬度的关系

2．2．3 对冲击性能的影响

实验过程中，对回火温度为530 ℃、560 ℃、590℃、620 ℃、650 ℃编号分别为H1、H2、H3、H4、H5的试样在20 ℃、0 ℃、－20 ℃、－40 ℃做冲击性能试验，如图4 所示。

图4 实验钢的冲击功(20 ℃、0 ℃、－20 ℃、－40 ℃)

其变化趋势相似，在530 ℃～620 ℃随着回火温度的升高，冲击韧性AKV 不断提高。在620 ℃时AKV 达最大值，其在此四个不同温度下的冲击韧性AKV 均在100 J 以上。其后再升高温度AKV 成下降趋势。

2．3 微观组织与性能的关系

采用金相观察与显微硬度相结合的方法，确定不同热处理条件下试样的组织组成。不同热处理工艺试样微观组织形貌如图5 所示。

图5 不同热处理工艺试样微观组织形貌

由图5 可以看出，从淬火后试样的微观组织上没有发现硬度较低的区域，说明没有残余铁素体，黑色粒状组织的显微硬度在450 HV 左右，为马氏体组织;淬火并在620 ℃高温回火后的试样仍保留了板条状的组织，其显微硬度在270 HV ～300 HV 之间。

试样的性能主要受微观组织形态的影响。淬火试样中马氏体含量较多，因此其强度较高，伸长率较低。高温回火后，淬火并回火试样中的铁素体仍保持板条形态。冲击韧性方面，淬火的试样中含有大量的马氏体等具有高位错密度的切变组织，晶体缺陷较多，在受到冲击载荷时。缺陷部位易产生裂纹，因此淬火试样的冲击韧性普遍偏低，韧脆转变温度较高。回火过程中，铁素体发生回复再结晶，原有板条马氏体的板条内和板条界上的位错通过合并和重新排列，使位错密度明显降低，并形成和原马氏体板条内板条束密切关联的长条状铁素体晶粒。随着回火温度的升高，铁素体晶粒向着等轴晶方向发展，在620 ℃回火1h 的试样等轴铁素含量较高，减轻了晶格畸变，使晶体的缺陷减少，因而受冲击载荷时不容易产生裂纹，提高了试样的冲击韧性。但是随着温度的进一步升高，碳化物逐渐粗化和球化，力学性能发生了降低。

3 结论

淬火并高温回火后，S450J0 热轧H 型钢综合力学性能得到大幅提高。高温回火过程中，钒的碳氮化物析出并钉扎晶界，抑制了晶粒长大，起到细化晶粒的效果。淬火后该实验钢微观组织由块状铁素体、以及粒状马氏体组成，回火后近似等轴的铁素体基体使得塑性提高，而基体上分布着的碳化物起到了弥散强化和细晶强化的作用。

实验通过不同回火温度对S450J0 热轧H 型钢的力学性能的影响来看，在620 ℃回火，具有最佳的综合力学性能，此时形成了等轴的铁素体晶粒，并且回火组织中铁素体晶粒内有细小碳氮化物析出，对晶粒具有钉扎作用，同时晶粒较细小。回火后的碳化物虽然分布在晶界上，但其细小且不连续，不属于沿晶连续析出的情况，并未对材料的韧性造成破坏。

经淬火并高温回火处理的S450J0 热轧H 型钢，力学性能有了较大的富余量，从而有效防止了大尺寸厚壁H 型钢在使用过程中产生"自然时效"所带来的不利影响。

［1］王萍，尹桂全，郑建平，姜辉，黄贞益，程鼎，张文满，吴结才．H 型钢轧后回火组织与性能研究［J］．热处理，2009，24(3):35－39．

［2］崔国涛，王作成，郭卫民，孙涛，高俊庆． 一种新型高强高韧性H 型钢的试验研究［J］． 建筑材料学报，2012，15(1):103 －106．

［3］杨才福，张永权．钒氮微合金化技术在HSLA 钢中的应用［J］．钢铁，2002，37(11):42 －47．