回火温度对30Cr3Si2NiMoWNb钢组织性能的影响

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(1. 钢铁研究总院有限公司 特殊钢研究院， 北京 100081；2. 大冶特殊钢有限公司 特冶产品研究所， 湖北 黄石 435001)

收稿日期：2022-07-25

修订日期：2022-09-27

作者简介：宁 静(1988—)，女，高级工程师，主要研究方向为超高强度钢强韧化，E-mail:ningjing@nercast.com。通信作者：苏 杰，正高级工程师，E-mail:sujie@nercast.com

引文格式：宁 静, 杨 鹏, 高 齐, 等. 回火温度对30Cr3Si2NiMoWNb钢组织性能的影响[J]. 金属热处理, 2022, 47(11): 95-100.

Ning Jing, Yang Peng, Gao Qi, et al. Effect of tempering temperature on microstructure and properties of 30Cr3Si2NiMoWNb steel[J].Heat Treatment of Metals, 2022, 47(11): 95-100.

中图分类号：TG135.1 文献标志码：A 文章编号：0254-6051(2022)11-0095-06

DOI:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.11.016

Effect of tempering temperature on microstructure and properties of 30Cr3Si2NiMoWNb steel

Ning Jing1, Yang Peng2, Gao Qi1, Su Jie1

(1. Institute for Special Steels, Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China;2. Special Metallurgical Products Research Institute, Daye Special Steel Co., Ltd., Huangshi Hubei 435001, China)

Abstract： Effect of tempering temperature on microstructure and properties of 30Cr3Si2NiMoWNb ultra-high strength steel was studied by means of scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectrometer (EDS) and mechanical test. The resules show that the tempering temperature can greatly affect and regulate the mechanical properties of the steel. When tempered at 200-350 ℃, the microstructure is composed of tempered martensite and fine dispersed ε-carbides. The fluctuation of strength and toughness is small, the tensile strength grade is 1700 MPa, the yield strength grade is 1300 MPa. Due to the inhomogeneous precipitation of cementite when tempered at 350-500 ℃, the strength and toughness decrease at the same time, and the brittleness is the most serious at about 500 ℃, with impact absorbed energy decreasing to the lowest point. When tempered at 500-700 ℃, stable spherical cementite is formed, and strength decreases and toughness increases greatly. The influence mechanism of tempering temperature on strength and toughness is the evolution process of precipitates such as ε-carbide and cementite. Certain amount of Si can raise the forming temperature of cementite and temper brittleness temperature of the steel.

低合金超高强度钢是在调质合金结构钢的基础上发展而来，屈服强度大于1300 MPa的一类钢[1-2]，如美国的AISI4340[3]、300M[4]，我国的30CrMnSiNi2A、D406A钢等，采用淬火后低温回火形成韧性较高的回火马氏体和细小弥散的ε-碳化物[5]，因其良好的强韧性配合和较低的成本，广泛应用于航空航天领域，如飞机起落架、固体火箭发动机等[6-7]。此类钢的C含量一般在0.25%～0.45%(质量分数)之间，常添加的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb等，近年来开发的Eglin Steel等牌号还加入W元素[8]。

回火作为最终热处理，可以通过调节C元素的固溶或析出状态、缺陷的回复等，实现对马氏体钢强韧性的大幅度调整。合金结构钢多采用淬火和500～700 ℃高温回火使C元素充分析出并形成球状渗碳体，获得韧性较高的索氏体组织[9-10]。超高强度钢为保障足够的强度和适当的韧性，常采用200～300 ℃低温回火，生成尺寸更小的过渡态ε-碳化物；但此类钢易产生回火脆性，需严格控制回火温度范围[11-16]。本文研究对象为我国开发的新型中合金超高强度钢30Cr3Si2NiMoWNb，前期研究大多集中在固溶温度对组织性能的影响[17-18]，而对回火制度研究较少，因此本文重点分析不同回火温度对微观组织演变及强韧性的影响。

1 试验材料与方法

试验材料为工业化生产的30Cr3Si2NiMoWNb超高强度钢，采用电炉+炉外精炼+电渣重熔的工艺冶炼，化学成分如表1所示。锻造成φ340 mm棒材，于半径1/2处沿纵向切取拉伸和冲击试样毛坯。用Formastor-D相变仪测试相变温度分别为Ac1=780 ℃，Ac3=835 ℃，Ms=315 ℃。所有试样均采用930 ℃保温1 h奥氏体化后油冷到室温，然后分别进行200、230、260、290、320、350、400、500、600、700 ℃保温2 h的回火处理。将热处理后的试样毛坯分别精加工成拉伸和冲击标准试样，拉伸标准试样尺寸为d=5 mm，l0=25 mm，采用WE 300B试验机测试；冲击标准试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm、U型缺口深度2 mm，采用JBN-300B试验机测试；硬度试样从完成试验后的冲击试样上切取，并在TH300洛氏硬度试验机上测试。金相试样在4%的硝酸酒精溶液中短时浸泡，采用JEOL JSM 7200F型扫描电镜观察微观组织及冲击试样断口形貌，并采用附带能谱仪进行面扫描、点扫描模式的成分分析。

表1 试验钢的化学成分(质量分数，%)

2 试验结果与分析

2.1 回火温度对力学性能的影响

图1为30Cr3Si2NiMoWNb钢在不同温度回火后的力学性能变化曲线，常规在200～300 ℃范围低温回火，其抗拉强度在1700 MPa左右，屈服强度在1300 MPa左右，冲击吸收能量40～50 J。如图1(a，c)所示，抗拉强度和硬度变化趋势基本一致，在230～350 ℃时，随回火温度升高，数值基本不下降，而屈服强度反而存在约70 MPa 的小幅度提升；350～500 ℃范围内回火，抗拉、屈服强度出现明显下降，其中抗拉强度下降约100 MPa、屈服强度下降约150 MPa；500～700 ℃回火时，强度和硬度均出现大幅下降，其中抗拉强度下降约750 MPa，屈服强度下降约550 MPa，均下降到峰值强度的50%左右。与此同时，塑韧性的变化趋势大致相反，其中断面收缩率和伸长率自500 ℃以上大幅提升。冲击吸收能量则呈现3段式变化趋势：230～290 ℃，缓慢上升至58 J；290～500 ℃，大幅下降至最低点34 J，出现中碳中低合金钢常见的回火脆性；500～700 ℃，大幅逆转至155 J。

图1 回火温度对30Cr3Si2NiMoWNb钢力学性能的影响(a)强度；(b)塑性；(c)硬度；(d)冲击吸收能量Fig.1 Influence of tempering temperature on mechanical properties of the 30Cr3Si2NiMoWNb steel(a) strength; (b) ductility; (c) hardness; (d) impact absorbed energy

2.2 冲击断口形貌

图2为试验钢在不同温度回火后冲击试样断口的SEM形貌。可以看出，回火温度为260～400 ℃时，冲击断口的失稳扩展区均呈现准解理形貌，存在大量5～20 μm 的解理平面。260 ℃回火时，可见30～50 μm较大尺寸韧窝，而350～400 ℃断口仅可观察到尺寸相当的撕裂棱和极少量小韧窝，反映了基体韧性的下降。500 ℃回火时，断口呈现脆性断裂的解理特征，50～100 μm 的解理台阶上分布大量小解理面，台阶间分布有二次裂纹，如图2(d)中箭头所示，此时对应材料韧性的最低值。600 ℃回火时，韧性断裂为主要模式，断口表现为以夹杂物为核心形成的大韧窝和大量小韧窝，伴随少量的局部解理面，见图2(e)圈中所示。700 ℃回火时，断口呈纯韧性断裂，由尺寸极小的大量韧窝构成。

2.3 回火温度对微观组织的影响

试验钢经不同温度回火后的微观组织如图3所示。随回火温度的升高，基体组织和析出相均发生明显变化。回火温度为260、350 ℃时，从扫描电镜上看微观组织差别不大，均为回火马氏体组织，板条内部分布有纳米级ε-碳化物，并可见少量较大的球形碳化物(见图3(b))，尺寸为300～600 nm，经能谱分析为Cr富集程度较高、Mo没有明显富集的碳化物(见图3(g))，推测可能为M23C6。400 ℃回火时，板条内部的ε-碳化物发生较明显长大，同时在板条界面和晶界上开始出现连续片层状析出相。从500 ℃开始回火温度继续升高，大量原始缺陷发生回复而消失，板条马氏体基体形貌变得模糊不清，析出相转化为球状渗碳体。500 ℃ 时析出相数量较少，仅能观察到尺寸较大的球状渗碳体弥散分布；600 ℃时渗碳体的尺寸发生分化，较大颗粒的尺寸为0.5～0.8 μm，较小颗粒的渗碳体沿原板条界面大量析出、连接成条状；700 ℃时被析出相装饰的板条界完全消失，小颗粒渗碳体粗化、分离，呈弥散状分布在原奥氏体晶内，而原奥晶界处存在较为连续的渗碳体可清晰显示出来。通过能谱鉴定，试验钢中的渗碳体为含Cr、Mo、W的合金渗碳体，其中Cr最为富集，Si含量则显著低于合金整体含量(见图3(h))。

图3 不同温度回火后30Cr3Si2NiMoWNb 钢的SEM形貌和析出相能谱分析(a)260 ℃；(b)350 ℃；(c)400 ℃；(d)500 ℃；(e)600 ℃；(f)700 ℃；(g)350 ℃回火第二相能谱；(h)700 ℃析出相能谱Fig.3 SEM morphologies and energy spectrum analysis of secondary particles in the 30Cr3Si2NiMoWNb steel tempered at different temperatures(a) 260 ℃； (b) 350 ℃； (c) 400 ℃； (d) 500 ℃； (e) 600 ℃； (f) 700 ℃； (g) energy spectrum of secondary phase tempered at 350 ℃； (h) energy spectrum of precipitate tempered at 700 ℃

3 分析与讨论

3.1 回火过程组织演变分析

30Cr3Si2NiMoWNb超高强度钢930 ℃淬火后形成过饱和碳原子的板条马氏体组织，主要通过相变强化、固溶强化等机制提升强度。200 ℃回火碳原子可进行短程扩散，从固溶状态聚集、析出，形成大量纳米级的过渡型ε-碳化物，由于尺寸过于细小，对位错开动的钉扎能力有限，但可有效阻碍运动，因此对抗拉强度的贡献超过屈服强度。提升回火温度至350 ℃，ε-碳 化物不断长大但未发生明显粗化，抗拉强度略有下降后维持不变，而屈服强度缓慢提升，表明在这一温度范围碳化物对位错的钉扎能力不断加强；同时230～290 ℃由于缺陷回复，更多碳原子扩散偏聚到碳化物中，降低了基体错配度，提升了基体韧性，表现为断面收缩率、冲击吸收能量等韧性指标也在缓慢提升，290 ℃达到较高值后韧性下降，推测这一温度为ε-碳化物发生部分粗化并向渗碳体转变的开始温度。400 ℃回火仍保持板条马氏体的基本形态，但碳化物发生明显粗化，且晶界不再光滑，分布有连续析出相，致使强韧性同时下降。500 ℃以上回火，马氏体板条结构从模糊不清到完全消失；ε-碳化物转变为较为稳定的M3C渗碳体，大部分元素C、Cr、Mo、W富集其中，而Si元素含量则低于基体。合金渗碳体通过中程扩散方式形成，最先在板条界面、晶界等快速扩散通道形成，板条内部的颗粒尺寸大小可能与原始元素偏析有关。随回火温度的升高，小颗粒渗碳体聚集、粗化，整体尺寸趋向于均匀。这一过程中由于C和合金元素不断从基体扩散入渗碳体中，固溶强化作用大幅削弱，强度持续下降，韧性不断上升。

3.2 Si元素在回火过程中的作用

Si不易溶于渗碳体中，因此渗碳体形成时需要将原始位置的Si通过扩散方式“排走”，而多余的Si元素富集在渗碳体和基体的界面附近形成壁垒，导致渗碳体的形成、长大动力学受控于Si的扩散速度[19]。较高的温度有利于这一热激活过程，从而随着Si含量的升高，渗碳体的形成温度也升高，初期沿界面析出的片状渗碳体带来的回火脆性区温度也随之升高。相关文献中几种不同Si含量中低合金钢回火脆性区温度如表2 所示。可以看出，Si含量越高，强韧性匹配最佳的回火温度越高，同时回火脆性区也向高温方向推移。

表2 中低合金钢中Si含量与回火脆性区温度

4 结论

1) 通过调节回火温度可实现对30Cr3Si2NiMoWNb钢力学性能的大幅度调控。200～350 ℃范围回火，微观组织为回火马氏体与细小弥散的ε-碳化物，强韧性变化幅度较小，抗拉强度等级1700 MPa、屈服强度等级1300 MPa。350～500 ℃回火由于渗碳体的不均匀析出，强度和韧性同时下降，其中500 ℃左右回火脆性最为严重，冲击吸收能量下降至最低点34 J。500～700 ℃回火生成较稳定的球状渗碳体，强度大幅下降，韧性大幅上升；700 ℃回火强度下降到峰值的50%左右，但冲击吸收能量提升到155 J。

2) 30Cr3Si2NiMoWNb钢服役条件要求强韧性配合，推荐的最佳回火温度范围为260～290 ℃。

3) 回火温度对强韧性的影响机理为ε-碳化物、渗碳体等析出相的演变过程。Si因不易溶于渗碳体，起到提高渗碳体形成温度和回火脆性温度的作用。