600 MPa级在线淬火型高强钢回火显微结构研究

侯东华

（山东钢铁集团日照有限公司，山东 日照276800）

1 前言

与传统的调质工艺相比，在线淬火工艺（DQ）省略再加热奥氏体化过程，节约能源并简化生产工艺，降低生产成本，减少污染。随着国内钢铁行业设备的升级，许多有较高综合性能要求的高强钢开始采用在线淬火加离线回火的工艺生产［1］。在线淬火的实质是在热轧终了轧件处于奥氏体组织时，通过急冷处理使轧件组织产生马氏体和贝氏体相变。此外，钢板淬硬性增大能提高低碳钢和低合金钢的强度［2］，可以降低合金元素含量从而降低了碳当量，改善其焊接性能，使材料的组织性能得到较大提高［3-5］。本研究利用Gleeble 1500热模拟试验机，对在线淬火型600 MPa级高强钢在不同回火工艺下的组织特点与第二相粒子进行观察，对在线淬火型高强钢回火组织、粒子析出行为规律进行分析，以期并对该类产品的生产提供指导。

2 试验材料与方法

试验材料选自批量化生产的大热量输入焊接用600 MPa级高强度钢板，钢的主要化学成分：C 0.08%、Si0.25%、Mn 1.60%、Mo 0.20%，另有少量微合金元素（Nb、V、Ti）。采用的生产工艺流程为：KR铁水脱硫、冶炼、精炼、连铸、粗轧、精轧、在线淬火、回火等。

将试验材料加工成Φ10 mm×15 mm的圆柱形热模拟试样，在MMS-200热模拟试验机上进行热模拟试验。试验方法：将试样加热至1 200℃后，保温3 min；以5℃/s的冷速冷至1 100℃，变形30%；以5℃/s冷至840℃，变形25%；再以25℃/s冷至室温。随后分别在530℃、590℃、620℃、650℃的温度下进行回火处理，回火时间为20 min。

将热模拟试验后的样品利用Struers精密切割机沿试样中心剖开，镶嵌后利用Struers自动磨抛机进行机械研磨抛光处理，最后再在手动磨抛机上进行最终抛光处理，4%硝酸酒精溶液侵蚀，利用Olympus金相显微镜观察金相组织。回火试样经金相组织观察后进行表面真空喷碳处理，对碳化物进行萃取复型，将碳膜置于铜网上观察其TEM形貌。碳化物观察在FEITecnai G2 F30场发射透射电子显微镜上进行，加速电压300 kV。

同时，对现场批量生产钢板取样进行第二相析出物能谱分析以及综合性能检测，现场批量生产钢板的回火温度为620℃，回火时间为2.0 min/mm。

3 试验结果及分析

3.1 不同回火温度下的金相组织

试样的回火过程是组织逐渐向平衡态的转变过程，组织转变的同时释放内应力，消除内部位错，合金元素以碳氮化物的形式从贝氏体中析出，降低晶粒内部的固溶度。图1为试验钢不同温度回火后的金相组织。回火温度为530℃时，C和合金元素未能充分扩散，回火组织中仍保留了原始组织的大部分形态，金相组织主要为粒状贝氏体加少量板条贝氏体（见图1a）；590℃回火时，贝氏体开始发生转变，析出少量多边形铁素体，组织仍以贝氏体为主（见图1b）；当回火温度为620℃时，多边形铁素体数量增加，显微组织呈现为回火贝氏体加多边形铁素体的混合组织特征（见图1c）；回火温度继续升高到650℃时，贝氏体特征基本消失，组织以多边形铁素体为主，在铁素体周围包含少量贝氏体组织（见图1d）。

随回火温度的升高，贝氏体数量逐渐减少，显微组织向平衡态转变，多边形铁素体含量增多，平均晶粒尺寸逐渐增大。这种组织转变在降低强度的同时，会改善材料的塑性和冲击韧性。

图1 840℃终轧、25℃/s冷速冷却不同温度回火后试验钢的金相组织

3.2 回火后析出的第二相

图2 为不同回火温度回火后试验钢的析出相形貌，可以看出，随回火温度的升高，伴随着内部缺陷的减少，回火产物中碳氮化物在晶界和晶内的析出量逐渐增多，析出物尺寸增大；碳化物形貌主要由以方形为主转变为椭圆形增多，同时渗碳体和复合析出的相数量明显增多。

图2 试验钢不同温度回火后析出碳化物的形貌

图3 钢板620℃回火后典型析出相形貌及能谱分析

回火温度较低时，析出物主要位于晶界处，随着回火温度的升高，在晶粒内析出复合型Nb（C、N）+V（C、N）+Ti（C、N）化合物，复合型粒子析出量逐渐增多，大多数附着于TiN粒子，以此为核心包覆析出。复合相随着Nb、V碳氮化物的增多，形状逐渐由方形向圆形转化。随回火温度的升高，析出物尺寸逐渐增大，析出物的最大尺寸由50 nm增大至100 nm以上。

3.3 产品实物第二相分析及性能

析出物的形貌、分布和数量对钢板的性能影响较大，100 nm的大尺寸析出物已经失去第二相粒子的强化作用。结合金相组织，在650℃以上继续升高回火温度，除强度下降严重，钢板的塑韧性也会随着晶粒尺寸和析出物尺寸的增大急剧下降。因此，回火温度不宜太高，推荐620℃。采用620℃回火的钢板实物产品组织中析出的第二相粒子形貌及能谱分析结果见图3。

由图3可以看出，回火后实物钢板组织中析出物主要为Nb、V、Ti的碳氮化物和Fe、Mn的碳化物，其中以方形的TiN居多。

表1为采用在线淬火、620℃离线回火的试验钢板的典型性能。采用在线淬火配合高温回火的钢板可以获得良好的综合性能，强塑性俱佳，低温韧性优良。

表1 批量生产钢板在线淬火、620℃回火后力学性能

4 结论

4.1 回火温度对在线淬火后钢板的显微结构特征有较大的影响，试验钢在回火温度为620℃时，显微组织主要为回火贝氏体和多边形铁素体，晶粒较为细小。混合组织保证了钢板具有良好的综合机械性能。推荐该高强钢的回火温度为620℃。

4.2 随回火温度的升高，第二相粒子析出量增多，析出物形貌由方形逐渐转变为圆形。

4.3 在试验回火温度下析出物主要由TiN及依附其上形核长大的Nb、V碳氮化物、渗碳体等组成。

4.4 回火温度继续升高，析出物整体数量和尺寸均增大，同时大尺寸析出物数量增多。