淬火工艺超厚钢板力学功能

Ni－Cr－Mo－B超厚钢板是一种高强度高韧性海洋工程用钢板，厚度一般都超过120mm，已广泛应用于海上采油平台［1－4］。对于此类超厚板，淬火过程中需要通过表面传热，厚度方向的心部平均冷速只能达到几度每秒，且随着厚度的增加显著降低［5］，在Ni、Cr、Mo等合金含量很高的情况下仍然极易形成对韧性有害的粒状贝氏体，这种粒状贝氏体中的M／A岛由于C和合金元素含量非常高，稳定性较好，即使采用高温回火也无法使其完全分解，无法获得理想的韧性水平。因此，获得良好的心部性能是这类超厚板研制的关键和难点问题。在合金元素含量范围和轧制工艺等因素确定的前提下，适宜的热处理工艺是获得工程应用所需的良好综合力学性能的重要手段［5－6］。对于利用微硼处理来提高淬透性的这类超厚板，钢板的热处理过程影响着B在钢中的固溶与偏聚行为，进而影响超厚板的淬透性及心部性能［7－10］。研究表明［11－13］，淬火过程中，B在钢中的偏聚属于非平衡偏聚。根据非平衡偏聚的特性，不同的淬火工艺（如淬火温度、保温时间以及循环淬火）会显著影响B对淬透性的作用［7－10］。因此，本文通过研究不同淬火工艺来提高120mm以上Ni－Cr－Mo－B超厚板的综合力学性能，重点研究了淬火温度、淬火保温时间以及两次循环淬火处理对超厚钢板心部性能的影响，取得了理想效果。

1试验材料及方法

本试验以工业试制生产的120mm以上超厚钢板为研究对象，其主要化学成分如表1所示。从表中可见，试验钢在经电炉冶炼、LF＋VD精炼等冶炼工艺后，S、P等杂质元素含量水平很低。钢中的合金元素对奥氏体化临界点Ac3的影响可以近似如下式表达［14］：度分别选为860、890、920、950、980℃。通过AN－SYS模拟试验超厚板冷却过程得到心部平均冷速约为1℃／s，而实验室实测空冷的平均冷速约为0．85℃／s，两者冷速相近，因此本研究采用空冷来模拟超厚板心部的实际冷却过程。试验从试制超厚钢板心部取样（拉伸样：18mm×18mm×220mm，冲击样：13mm×13mm×175mm），然后采用空冷来模拟超厚板心部的实际淬火冷却过程，各淬火试样均在620℃回火，然后空冷（AC）。在900、920℃下，分别保温1、3和10h，对比研究不同保温时间下超厚板的综合力学性能。此外，采用不同的2次淬火温度配合来研究2次淬火工艺对超厚板心部性能的影响（见表2）。经不同热处理后的试样，按照国家标准GB／T228—2002和GB229—2007要求，进行室温拉伸和－40℃夏比（V型）冲击试验；并对不同热处理工艺下的试样进行光学显微组织观察（OM）和扫描观察（SEM）。

2试验结果与分析

2．1奥氏体化温度的影响模拟试验超厚板心部力学性能如图1所示，从结果看，随着淬火温度的升高，抗拉强度、屈服强度和低温冲击功先升高，然后降低；在890℃左右达到最高值，高于或低于这个临界温度，强度和韧性都有所降低，尤其是韧性变化较为明显。这是由于超厚板厚度较大，其心部的冷速较低，在慢冷情况下，容易形成粒状贝氏体，影响该位置的强度和韧性。而且对于粒状贝氏体，由于含有大量M／A岛，屈强比（YR）一般较低，试验钢的显微组织观察结果也证实了这一点。由图1可见，随奥氏体化温度的升高，屈强比先升后降，在890℃左右达到峰值。从屈强比的提高可间接判断，在该温度条件下，形成的粒状贝氏体数量比其他温度少，淬透性相对好于其他温度，因此强韧性相对较好。

2．2奥氏体化保温时间的影响为了研究奥氏体化保温时间对超厚板性能的影响，本文主要模拟研究了超厚板心部在900和920℃时，不同奥氏体化保温时间下的力学性能，如图2所示。从结果可见，对于钢板心部，屈服强度随保温时间延长的变化呈现先升高后下降2个阶段，并在3h处出现峰值。900℃时，屈服强度增幅约40MPa，920℃时，屈服强度增幅约35MPa，且900℃时的屈服强度高于920℃时的屈服强度。随保温时间延长，钢板心部低温韧性显著提高900℃时，保温3h的低温韧性比1h增加了约10J而保温10h和1h相当。920℃时，保温3h的冲击功是1h的2．5倍，增加了约43J；而保温10h比1h增加了约26J。其原因在于，一定奥氏体温度下，适当延长保温时间，合金元素溶解得更充分，提高了过冷奥氏体的稳定性［14］，使得试验钢具有更高的淬透性，从而使得其心部在冷速很慢的情况下也能得到更多的淬透组织。但是保温时间太长，B在晶界的固溶偏聚过量，将恶化试验钢的淬透性，从而导致心部性能变差。

2．3循环淬火的影响不同循环淬火温度配合下的模拟心部性能如图3所示，从图中可以得出，无论一次淬火温度为1000、940还是920℃，二次淬火温度在900℃时，试验钢模拟心部的强度及韧性都是最优。在二次淬火温度为900℃时，随着一次淬火温度的升高，屈服强度和冲击韧性都有所降低，其中韧性降低尤为明显。从强度角度看，经920和900℃两次淬火后的屈服强度和900℃一次淬火后的屈服强度相当；从韧性角度看，经920和900℃两次淬火后的冲击功明显高于其他处理温度的冲击功，呈现出最优值。综合比较可得，一次淬火温度选为920℃、二次淬火温度选为900℃时，能获得最优的心部强韧性能。

2．4显微组织观察对经不同热处理过程后的试验钢微观组织进行了观察，如图4所示。由图可见，860℃淬火时形成大量的粒状贝氏体，可见大块的M／A岛状组织，如图4（a）。随着温度的升高，在900和920℃时大块岛状组织得以分解，粒状贝氏体减少，并出现一定量的板条状下贝氏体，如图4（b）和（d）。当温度进一步升高到950℃时，晶粒逐渐变得粗大，大块的岛状组织再次出现，如图4（c）。所以试验钢在900～920℃淬火后性能相对较好。从900℃下不同保温时间的金相组织看，保温3h与保温1h相比，晶粒并没有明显长大，粒状组织更为细小和弥散，如图4（d）和（f），扫描观察也显示出这一特点，如图5；而保温10h后，晶粒相对变得粗大，并伴有少量的大块的粒状组织，如图4（g）。故保温3h后，试验钢力学性能有所优化，而保温时间过分延长力学性能反而变差。经两次淬火后，模拟心部组织出现清晰的板条状，粒状组织明显减少，如图4（e），说明有一定量的下贝氏体，故其力学性能显著提高。

2．5B对试验钢性能的影响本试验超厚钢板在Ni－Cr－Mo基础上，采用了微硼处理，钢的受热历史过程对钢中B的存在状态有很大影响，不同的奥氏体化温度会影响B在钢中的固溶、分布、偏聚状态和B化物的析出。对此，日本学者SeiichiWATANABE等［7］研究发现，B在晶界的偏聚显著影响着钢的淬透性能。奥氏体化温度明显影响B在晶界的偏聚行为，并存在一个临界温度。低于这个临界温度，原始冷却过程中形成的硼碳化物（M23（C，B）6）未分解或部分分解，使得偏聚于晶界的固溶硼（［B］）不足，从而使得钢的淬透性不佳，故其心部的强韧性较差。而在这个临界温度进行奥氏体化，原始冷却过程中形成的硼碳化物（M23（C，B）6）进一步分解，晶界固溶硼（［B］）量进一步增大，达到其对淬透性贡献最大的理想值，从而使得钢的淬透性提高，心部性能得到改善。奥氏体化温度高于临界温度时，原始冷却过程中形成的硼碳化物（M23（C，B）6）大量或完全分解，使得钢中偏聚于晶界的固溶硼［B］过量，从而使得钢的淬透性能降低，心部性能下降。SeiichiWATANABE等研究认为，这一临界温度为硼碳化物M23（C，B6发生急剧分解的温度，本文研究也证实了这一点。试验研究发现，经890、920、950℃淬火后，试验钢中的硼碳化物Mx（C，B）y急剧分解，见图6，由原始态（即热轧态）的1．26％下降为0．1％～0．2％；Mx（C，B）y相中的硼含量也明显下降，原始态为10×10－6，经890℃处理后降低为8×10－6，经920和950℃处理后已低于1×10－6，钢中固溶硼（［B］）量明显增加，见图6。且随着温度的升高，钢中固溶硼（［B］）量也随之增加，原始态为2×10－6，890℃处理后增加到4×10－6，920℃时为10．5×10－6，950℃时为9．5×10－6。这说明当温度高于920℃后，钢中固溶硼（［B］）量已达到饱和，极易和钢中的自由N形成BN，从而对韧性不利。根据SeiichiWATANABE等［7］的研究，钢中最佳固溶硼（［B］）的质量分数量在3×10－6～5×10－6，高于或低于这一最优范围，钢的淬透性能急剧下降。因此本试验钢在890℃时，淬透性最好，强韧性最优。根据相关研究［7］可知，奥氏体化保温时间会显著影响晶界固溶硼B的偏聚量，且存在一个最优时间。少于或多于这一最优时间，钢的淬透性都会下降。对于本成分体系下的试验钢，900℃和920℃时这一临界保温时间在3h左右。因此，保温1h的淬透性不及保温3h，而保温10h虽然合金元素溶解更为充分，但晶界硼偏聚过量，固溶硼B量过多，反而使钢的淬透性降低，心部性能有所下降。循环淬火处理可以使得钢中的合金元素溶解更加充分，进一步提高了过冷奥氏体的稳定性，且促进了B在晶界偏聚的均匀性，从而使得试验钢拥有很好的淬透性能，故其模拟心部性能较为优越。对此，日本学者RyuchiHABU等［10］也有类似的结论，以为两次淬火可以进一步改善钢的淬透性和低冷速情况下的综合力学性能，且一次淬火过程和二次淬火过程都存在一个最佳淬火温度。

3结论

1）淬火温度对Ni－Cr－Mo－B超厚钢板强韧性能有很大影响，综合超厚板心部的强韧性得到，本合金成分体系下的超厚板最佳的淬火温度区间为890～920℃。2）在一定淬火温度下，奥氏体化保温时间对Ni－Cr－Mo－B超厚钢板心部性能影响显著，适当延长奥氏体化保温时间可以获得更好的强韧匹配，本试验合金成分体系下的Ni－Cr－Mo－B超厚钢板在900℃下保温3h综合力学性能最优。3）循环淬火处理可以有效改善超厚板心部的强韧性，且一次淬火和二次淬火都存在一个最佳温度，本试验超厚板在两次淬火温度配合为920和900℃时，综合力学性能最佳。