淬火工艺对含B低合金超厚钢板淬透性能的影响

D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.11.011 第35卷第11期 北京科技大学学报 Vol.35 No.11 2013年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2013 淬火工艺对含B低合金超厚钢板淬透性能的影响 王小勇)，苏航1)，潘涛)凶，李向阳2)，王华3) 1)钢铁研究总院工程用钢研究所，北京1000812)中国钢研科技集团，北京100081 3)鞍钢股份有限公司，鞍山114021 ☒通信作者，E-mail:pantao(@nercast.com 摘要通过Jominy试验模拟含B低合金超厚钢板的淬火过程，测得不同淬火工艺下实验钢的硬度分布曲线，并借助 光学显微镜、俄歇电子能谱等技术手段对低冷速条件下实验钢的显微组织及B晶界偏聚进行了观察和分析.发现在温 度不高于920℃条件下，提高淬火温度或适当延长保温时间可显著改善超厚板的淬透性，且在此条件下合适的两次循环 淬火可以获得更为理想的淬透性.温度高于920℃后，单次淬火或两次循环淬火均不利于实验钢的淬透性能的改善. 关键词低合金钢：厚钢板：淬火：淬透性：晶界偏聚：硼 分类号TG156.3 Effect of quench process on the hardenability of low alloy ultra-heavy plate steel containing boron WANG Xiao-yong,SU Hang),PAN Tao),LI Xiang-yang),WANG Hua) 1)Division of Engineering Steel,Central Iron Steel Research Institute,Beijing 100081,China 2)China Iron Steel Research Institute Group,Beijing 100081,China 3)Angang Steel Company Limited,Anshan 114021,China X Corresponding author,E-mail:pantao@nercast.com ABSTRACT The hardenability curves of low alloy ultra-heavy plate steel containing boron under different quench processes were obtained by Jominy end quenching test.Under low cooling rate conditions,the microstructures of the ultra-heavy plate steel were observed by optical microscopy (OM)and the grain boundary segregation of boron was tested by auger electronic spectroscopy (AES).It is demonstrated that at the quenching temperature not higher than 920 C,the ultra-heavy plate steel has a better hardenability when the quenching temperature is higher or the holding time is properly longer,and a more perfect hardenability is got by appropriate double quenching.However,when the quenching temperature is higher than 920 C,the hardenability of the ultra-heavy plate steel deteriorates sharply by using single or double quenching. KEY WORDS low alloy steel;plate steel;quenching;hardenability;grain boundary segregation;boron 随着造船、海上采油、石油天然气运输、能素，微量的添加即能获得良好的效果，可部分替 源工业和机械工业的发展，调质型高强度、高韧代Ni、Cr、Mo等昂贵的合金元素.因而B被广 性的超厚板在造船、海上采油平台等大型结构的建 泛应用于各类对淬透性能有特殊要求的商业钢中， 造中广泛应用，如海洋平台用齿条板（厚度>100 尤其是厚板和超厚板.有研究指出2,5-习，B对钢 mm).大厚度和高性能要求这类超厚板具有良好的 淬透性的改善与其在钢中固溶和在奥氏体晶界偏聚 淬透性，从而获得理想的截面性能.大量研究1-司 有关，并存在一个理想的固溶B量（质量分数为 表明，B是最经济和最有效提高钢的淬透性能的元 0.0003%0.0005%),高于或低于这一理想含量，都 收稿日期：2012-09-30

第 35 卷 第 11 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 11 2013 年 11 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov. 2013 淬火工艺对含 B 低合金超厚钢板淬透性能的影响 王小勇1)，苏 航1)，潘 涛1) ，李向阳2)，王 华3) 1) 钢铁研究总院工程用钢研究所，北京 100081 2) 中国钢研科技集团，北京 100081 3) 鞍钢股份有限公司，鞍山 114021 通信作者，E-mail: pantao@nercast.com 摘 要 通过 Jominy 试验模拟含 B 低合金超厚钢板的淬火过程，测得不同淬火工艺下实验钢的硬度分布曲线，并借助 光学显微镜、俄歇电子能谱等技术手段对低冷速条件下实验钢的显微组织及 B 晶界偏聚进行了观察和分析. 发现在温 度不高于 920 ℃条件下，提高淬火温度或适当延长保温时间可显著改善超厚板的淬透性，且在此条件下合适的两次循环 淬火可以获得更为理想的淬透性. 温度高于 920 ℃后，单次淬火或两次循环淬火均不利于实验钢的淬透性能的改善. 关键词 低合金钢；厚钢板；淬火；淬透性；晶界偏聚；硼 分类号 TG156.3 Effect of quench process on the hardenability of low alloy ultra-heavy plate steel containing boron WANG Xiao-yong1), SU Hang1),PAN Tao1) , LI Xiang-yang2), WANG Hua3) 1) Division of Engineering Steel, Central Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081, China 2) China Iron & Steel Research Institute Group, Beijing 100081, China 3) Angang Steel Company Limited, Anshan 114021, China Corresponding author, E-mail: pantao@nercast.com ABSTRACT The hardenability curves of low alloy ultra-heavy plate steel containing boron under different quench processes were obtained by Jominy end quenching test. Under low cooling rate conditions, the microstructures of the ultra-heavy plate steel were observed by optical microscopy (OM) and the grain boundary segregation of boron was tested by auger electronic spectroscopy (AES). It is demonstrated that at the quenching temperature not higher than 920 ℃, the ultra-heavy plate steel has a better hardenability when the quenching temperature is higher or the holding time is properly longer, and a more perfect hardenability is got by appropriate double quenching. However, when the quenching temperature is higher than 920 ℃, the hardenability of the ultra-heavy plate steel deteriorates sharply by using single or double quenching. KEY WORDS low alloy steel; plate steel; quenching; hardenability; grain boundary segregation; boron 随着造船、海上采油、石油天然气运输、能 源工业和机械工业的发展，调质型高强度、高韧 性的超厚板在造船、海上采油平台等大型结构的建 造中广泛应用，如海洋平台用齿条板 (厚度＞ 100 mm). 大厚度和高性能要求这类超厚板具有良好的 淬透性，从而获得理想的截面性能. 大量研究 [1−5] 表明，B 是最经济和最有效提高钢的淬透性能的元 素，微量的添加即能获得良好的效果，可部分替 代 Ni、Cr、Mo 等昂贵的合金元素. 因而 B 被广 泛应用于各类对淬透性能有特殊要求的商业钢中， 尤其是厚板和超厚板. 有研究指出 [2,5−7]，B 对钢 淬透性的改善与其在钢中固溶和在奥氏体晶界偏聚 有关，并存在一个理想的固溶 B 量 (质量分数为 0.0003%∼0.0005%)，高于或低于这一理想含量，都 收稿日期：2012-09-30 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.011

第11期 王小勇等：淬火工艺对含B低合金超厚钢板淬透性能的影响 ·1479· 会降低钢的淬透性.但是，B具有很高的化学活性， 国家标准GB/T225一2006执行，选用直径25mm, 在钢中除固溶外，主要以BN和M23(C,B)6等硼化 长度为100mm的带凸缘的试样.所用试样均经 物的形式存在8-10，从而影响钢中固溶B量，进 过900℃正火预处理，模拟淬火工艺如表1所示. 而影响钢的淬透性.研究发现7,11-1，钢中固溶B Jominy试验结束后，对试样进行洛氏硬度(HRC) 量与其受热历史密切相关，故欲获得理想的固溶B 测试，获得淬透性曲线.在距离试样淬火末端60mm 量，需要合理的热处理工艺加以配合 处横断面取样，试样经磨抛、并采用饱和苦味酸水 Jominy试验（末端淬火）是表征钢的淬透性能 溶液腐蚀后在LeicaMEF4M光学显微镜(OM)上 的常用方法1.因此，本文通过测定超厚板在不同 进行金相观察.此外，对于超厚板，心部冷速较低 淬火条件下的Jominy试验硬度曲线，借助光学显 但其性能尤为关键，因此探究B在低冷速条件下 微镜、俄歇电子能谱等技术手段对显微组织及B的 对淬透性的作用具有重要意义.故选用普通试样在 晶界偏聚进行了观察和分析，进而探讨热处理制度 880、900、920和940℃下一次淬火，然后分别在 对其淬透性能的影响. 880℃下二次淬火，并通过空冷来模拟端淬试样低 冷速段（距淬火末端60mm以上）的冷却过程，再 1实验材料与方法 将淬火试样加工成带V型缺口的俄歇试样（φ3.6 实验材料为工业试制生产的120mm以上的 mm×31.7mm),并在液氮下深冷处理后打断获得沿 超厚钢板，其主要化学成分（质量分数，%）为 晶断面，然后利用ULVAC-PHⅢ公司生产的PHⅢI-7O0 C0.15,Si0.2,Cr0.3,Mn1.2,B0.001,Ni+Mo< 纳米扫描俄歇系统(AES)分析研究不同淬火工艺条 3.0,Ti+V<0.3,AL<0.1,Fe余量 件下B的晶界偏聚. 通过Jominy试验模拟钢板的淬火过程，参照 表1模拟淬火工艺参数 Table 1 Parameters of the simulated quench process 第一次淬火温度/℃(Jominy试验) 保温时间/min 第二次淬火温度/℃(Jominy试验) 保温时间/min 840 30 860 30 880 30 880.860,840 30 900* 30 880,860,840 30 920 30 900,880,860 30 940 30 920,900.880 30 注：*该温度增加一组保温1h试样以对比研究. 在关于硼的晶界偏聚行为的表征方法中，B径 2 实验结果 迹显微技术(PTA)曾被国内外的研究者广泛采用， 2.1单次淬火与实验钢的淬透性 并建立了较为完善的B径迹显微技术7-1.此外， 对模拟单次淬火的Jominy试样进行了洛氏硬 由于俄歇电子能谱技术具有很高的空间分辨率，且 对试样无破坏，在P、C、B等元素的偏聚研究中得 度测试，获得Jominy曲线.结果（图1(a)显示：在 到广泛应用20-23].其原理20-21在于：原子在外 840~940℃之间，实验钢的淬透性随着温度升高而 增加，在920℃出现峰值；温度高于920℃后，钢 加电子束作用下，不同能级的电子激发跃迁，引发 的淬透性有所降低.延长保温时间可获得更为优越 俄歇效应，产生出俄歇电子：且不同元素在俄歇效 的淬透性，900℃时保温1h比0.5h的淬透性更优. 应中所发出的俄歇电子具有其特征能量，收集这些 硬度值不小于30HRC的距离(D30)及距淬火端40 电子能量就能识别不同的元素或物质.结合俄歇电 子能谱，通过元素对应的峰强和相对灵敏度因子， mm处的硬度值(H40)等淬透性参数随奥氏体化温 度的变化也有类似规律（图1(b). 根据下式可实现对不同元素的定量或半定量分析. 2.2两次淬火与实验钢的淬透性 G=/∑号 (1) 对模拟两次淬火的Jominy试样进行了洛氏硬 式中C:为元素i的原子浓度，I和I分别为元素 度(HRC)测试，结果如图2所示.由图可见，当一 i和j在俄歇能谱中的峰强，S:和S,为元素i和j 次淬火温度为880℃时（图2(a)和(b),两次淬火 的相对灵敏度因子 可有效提高实验钢的淬透性，相对于单次淬火，两

第 11 期 王小勇等：淬火工艺对含 B 低合金超厚钢板淬透性能的影响 1479 ·· 会降低钢的淬透性. 但是，B 具有很高的化学活性， 在钢中除固溶外，主要以 BN 和 M23(C,B)6 等硼化 物的形式存在 [8−10]，从而影响钢中固溶 B 量，进 而影响钢的淬透性. 研究发现 [7,11−15]，钢中固溶 B 量与其受热历史密切相关，故欲获得理想的固溶 B 量，需要合理的热处理工艺加以配合. Jominy 试验 (末端淬火) 是表征钢的淬透性能 的常用方法 [16] . 因此，本文通过测定超厚板在不同 淬火条件下的 Jominy 试验硬度曲线，借助光学显 微镜、俄歇电子能谱等技术手段对显微组织及 B 的 晶界偏聚进行了观察和分析，进而探讨热处理制度 对其淬透性能的影响. 1 实验材料与方法 实验材料为工业试制生产的 120 mm 以上的 超厚钢板， 其主要化学成分 (质量分数， %) 为 C 0.15，Si 0.2，Cr 0.3，Mn 1.2，B 0.001，Ni+Mo< 3.0，Ti+V<0.3，Als<0.1，Fe 余量. 通过 Jominy 试验模拟钢板的淬火过程，参照 国家标准 GB/T225—2006 执行，选用直径 25 mm， 长度为 100 mm 的带凸缘的试样. 所用试样均经 过 900 ℃正火预处理，模拟淬火工艺如表 1 所示. Jominy 试验结束后，对试样进行洛氏硬度 (HRC) 测试，获得淬透性曲线. 在距离试样淬火末端 60 mm 处横断面取样，试样经磨抛、并采用饱和苦味酸水 溶液腐蚀后在 LeicaMEF4M 光学显微镜 (OM) 上 进行金相观察. 此外，对于超厚板，心部冷速较低 但其性能尤为关键，因此探究 B 在低冷速条件下 对淬透性的作用具有重要意义. 故选用普通试样在 880、900、920 和 940 ℃下一次淬火，然后分别在 880 ℃下二次淬火，并通过空冷来模拟端淬试样低 冷速段 (距淬火末端 60 mm 以上) 的冷却过程，再 将淬火试样加工成带 V 型缺口的俄歇试样 (φ3.6 mm×31.7 mm)，并在液氮下深冷处理后打断获得沿 晶断面，然后利用 ULVAC-PHI 公司生产的 PHI-700 纳米扫描俄歇系统 (AES) 分析研究不同淬火工艺条 件下 B 的晶界偏聚. 表 1 模拟淬火工艺参数 Table 1 Parameters of the simulated quench process 第一次淬火温度/℃ (Jominy 试验) 保温时间/min 第二次淬火温度/℃ (Jominy 试验) 保温时间/min 840 30 — — 860 30 — — 880 30 880, 860, 840 30 900∗ 30 880, 860, 840 30 920 30 900, 880, 860 30 940 30 920, 900, 880 30 注：* 该温度增加一组保温 1 h 试样以对比研究. 在关于硼的晶界偏聚行为的表征方法中，B 径 迹显微技术 (PTA) 曾被国内外的研究者广泛采用， 并建立了较为完善的 B 径迹显微技术 [17−19] . 此外， 由于俄歇电子能谱技术具有很高的空间分辨率，且 对试样无破坏，在 P、C、B 等元素的偏聚研究中得 到广泛应用 [20−23] . 其原理 [20−21] 在于：原子在外 加电子束作用下，不同能级的电子激发跃迁，引发 俄歇效应，产生出俄歇电子；且不同元素在俄歇效 应中所发出的俄歇电子具有其特征能量，收集这些 电子能量就能识别不同的元素或物质. 结合俄歇电 子能谱，通过元素对应的峰强和相对灵敏度因子， 根据下式可实现对不同元素的定量或半定量分析. Ci = Ii Si .X j Ij Sj . (1) 式中 Ci 为元素 i 的原子浓度，Ii 和 Ij 分别为元素 i 和 j 在俄歇能谱中的峰强，Si 和 Sj 为元素 i 和 j 的相对灵敏度因子. 2 实验结果 2.1 单次淬火与实验钢的淬透性 对模拟单次淬火的 Jominy 试样进行了洛氏硬 度测试，获得 Jominy 曲线. 结果 (图 1(a)) 显示：在 840∼940 ℃之间，实验钢的淬透性随着温度升高而 增加，在 920 ℃出现峰值；温度高于 920 ℃后，钢 的淬透性有所降低. 延长保温时间可获得更为优越 的淬透性，900 ℃时保温 1 h 比 0.5 h 的淬透性更优. 硬度值不小于 30 HRC 的距离 (D30) 及距淬火端 40 mm 处的硬度值 (H40) 等淬透性参数随奥氏体化温 度的变化也有类似规律 (图 1(b)). 2.2 两次淬火与实验钢的淬透性 对模拟两次淬火的 Jominy 试样进行了洛氏硬 度 (HRC) 测试，结果如图 2 所示. 由图可见，当一 次淬火温度为 880 ℃时 (图 2(a) 和 (b))，两次淬火 可有效提高实验钢的淬透性，相对于单次淬火，两

.1480 北京科技大学学报 第35卷 40 -840 60m (a) 温度/°C (b) ·-860 36 ▲一880 900 900C1h -920 一900 31 32 ◆-940 40 28 29 30 28 24 Di +H0 A27 20 20 26 0 102030405060 7080 840860880900920940 距淬火端距离/mm 退火温度/©C 图1单次淬火条件下的Jominy曲线(a)及淬透性参数(b) Fig.1 Jominy curves (a)and hardenability parameters (b)in single quenching 次淬火的Jominy曲线明显上移，且随着二次淬火温 固溶B的含量和M23(C,B)6在一定温度范围内存 度的升高，曲线上移更为显著，在880℃时曲线上移 在此消彼长的平衡关系. 最高.此外，两次淬火获得了更高的D30和H40.当 通过俄歇电子能谱测得不同淬火工艺下B的 一次淬火温度为900℃时（图2(c)和(d),Jominy 晶界偏聚量，结果如图3.由图可见，在单一淬火条 曲线、D30和H40显示，只有在二次淬火温度为 件下，晶界B偏聚量随着淬火温度的升高而增大， 880℃时才获得比单次淬火更优的淬透性能.当一 在920℃时偏聚十分明显，并获得最大值，这与单次 次淬火温度为920℃时（图2(e)和(E),两次淬火 淬火条件下的Jominy曲线所揭示的规律一致，说 并未获得更优的淬透性能，由Jominy曲线、D30o 明提高的淬火温度可以促进B的晶界偏聚，进而 和H40可见，虽然在880℃二次淬火条件下获得了 提高钢的淬透性能.晶界B偏聚量在900~920℃之 较高的淬透性，但均不如920℃单次淬火.如前所 间的急剧增大，则表明在该温度附近M23(C,B)6急 述，无论一次淬火温度高低，880℃二次淬火后均获 剧分解，固溶B量增加，从而导致品界B偏聚量 得相对优越的淬透性.但对比各一次淬火条件下， 明显增大，这和笔者的前期研究结果P4一致.文 880℃二次淬火的淬透性数据发现（图2(g)和(h), 献[⑧也有类似结论，认为B的最佳偏聚量出现在 相对于单次淬火，两次循环淬火可以显著改善钢的 M23(C,B)6急剧分解的温度附近，存在一个最佳的 淬透性能 温度范围.温度低于这一区间，M23(C,B)6未发生分 解或分解较少，固溶B量不足，无法形成有效偏聚： 3分析与讨论 而温度高于这一区间，M23(C,B)6急剧分解，则导 3.1淬火工艺对硼的晶界偏聚及实验钢淬透性的 致钢中的固溶B过量，晶界偏聚过量易引起新的 影响 硼化物（如BN)在晶界析出，从而对钢的淬透性不 对于含B钢，其淬透性能的高低取决于钢中B 利.结合Jominy曲线及俄歇电子能谱测试结果可 的固溶及其在晶界的偏聚行为.有研究认为B-B 见，本实验钢的最佳温度范围为900920℃.此外， 在晶界的偏聚能抑制多边形铁素体的形核，推迟珠 适当延长保温时间既可以促进M23(C,B)6的分解， 光体和铁素体转变，促进马氏体、贝氏体等淬透性 提高钢中的固溶B量，又能使合金元素在奥氏体 组织的形成，从而提高钢的淬透性.但同时也应注 中溶解得更加充分，提高过冷奥氏体的稳定性.因 意，发生偏聚的B首先必须是固溶于钢中的B(有 此，900℃时延长保温时间实验钢获得更为优越的 效B),这与钢中B的总含量有所区别.Tamehiro 淬透性能. 等)的研究发现，在低碳钢中，有效B的质量分 两次淬火的结果显示，在880和900℃一次 数在0.0003%0.0005%时，可获得最为理想的淬透 淬火后，增加880℃二次淬火，晶界B的偏聚量 性能.钢中的有效B量及B的偏聚行为与钢板的受 明显提高.这与两次淬火条件下的Jominy曲线的 热历史密切相关，因此钢的淬透性势必受其热处理 所揭示的规律很吻合，说明相对于一次淬火，增加 工艺的影响.文献[8,12发现，热处理工艺主要影响 880℃二次淬火有助于B的品界偏聚和淬透性能的 钢中硼化物(M23(C,B)6)的分解和析出行为，钢中 提高.但在920℃+880℃两次淬火后，B的晶界偏

· 1480 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 图 1 单次淬火条件下的 Jominy 曲线 (a) 及淬透性参数 (b) Fig.1 Jominy curves (a) and hardenability parameters (b) in single quenching 次淬火的 Jominy 曲线明显上移，且随着二次淬火温 度的升高，曲线上移更为显著，在 880 ℃时曲线上移 最高. 此外，两次淬火获得了更高的 D30 和 H40. 当 一次淬火温度为 900 ℃时 (图 2(c) 和 (d))，Jominy 曲线、D30 和 H40 显示，只有在二次淬火温度为 880 ℃时才获得比单次淬火更优的淬透性能. 当一 次淬火温度为 920 ℃时 (图 2(e) 和 (f))，两次淬火 并未获得更优的淬透性能，由 Jominy 曲线、D30 和 H40 可见，虽然在 880 ℃二次淬火条件下获得了 较高的淬透性，但均不如 920 ℃单次淬火. 如前所 述，无论一次淬火温度高低，880 ℃二次淬火后均获 得相对优越的淬透性. 但对比各一次淬火条件下， 880 ℃二次淬火的淬透性数据发现 (图 2(g) 和 (h))， 相对于单次淬火，两次循环淬火可以显著改善钢的 淬透性能. 3 分析与讨论 3.1 淬火工艺对硼的晶界偏聚及实验钢淬透性的 影响 对于含 B 钢，其淬透性能的高低取决于钢中 B 的固溶及其在晶界的偏聚行为. 有研究认为 [3−4]B 在晶界的偏聚能抑制多边形铁素体的形核，推迟珠 光体和铁素体转变，促进马氏体、贝氏体等淬透性 组织的形成，从而提高钢的淬透性. 但同时也应注 意，发生偏聚的 B 首先必须是固溶于钢中的 B(有 效 B)，这与钢中 B 的总含量有所区别. Tamehiro 等 [5] 的研究发现，在低碳钢中，有效 B 的质量分 数在 0.0003%∼0.0005%时，可获得最为理想的淬透 性能. 钢中的有效 B 量及 B 的偏聚行为与钢板的受 热历史密切相关，因此钢的淬透性势必受其热处理 工艺的影响. 文献 [8,12] 发现，热处理工艺主要影响 钢中硼化物 (M23(C,B)6) 的分解和析出行为，钢中 固溶 B 的含量和 M23(C,B)6 在一定温度范围内存 在此消彼长的平衡关系. 通过俄歇电子能谱测得不同淬火工艺下 B 的 晶界偏聚量，结果如图 3. 由图可见，在单一淬火条 件下，晶界 B 偏聚量随着淬火温度的升高而增大， 在 920 ℃时偏聚十分明显，并获得最大值，这与单次 淬火条件下的 Jominy 曲线所揭示的规律一致，说 明提高的淬火温度可以促进 B 的晶界偏聚，进而 提高钢的淬透性能. 晶界 B 偏聚量在 900∼920 ℃之 间的急剧增大，则表明在该温度附近 M23(C,B)6 急 剧分解，固溶 B 量增加，从而导致晶界 B 偏聚量 明显增大，这和笔者的前期研究结果 [24] 一致. 文 献 [8] 也有类似结论，认为 B 的最佳偏聚量出现在 M23(C,B)6 急剧分解的温度附近，存在一个最佳的 温度范围. 温度低于这一区间，M23(C,B)6 未发生分 解或分解较少，固溶 B 量不足，无法形成有效偏聚； 而温度高于这一区间，M23(C,B)6 急剧分解，则导 致钢中的固溶 B 过量，晶界偏聚过量易引起新的 硼化物 (如 BN) 在晶界析出，从而对钢的淬透性不 利. 结合 Jominy 曲线及俄歇电子能谱测试结果可 见，本实验钢的最佳温度范围为 900∼920 ℃. 此外， 适当延长保温时间既可以促进 M23(C,B)6 的分解， 提高钢中的固溶 B 量，又能使合金元素在奥氏体 中溶解得更加充分，提高过冷奥氏体的稳定性. 因 此，900 ℃时延长保温时间实验钢获得更为优越的 淬透性能. 两次淬火的结果显示，在 880 和 900 ℃一次 淬火后，增加 880 ℃二次淬火，晶界 B 的偏聚量 明显提高. 这与两次淬火条件下的 Jominy 曲线的 所揭示的规律很吻合，说明相对于一次淬火，增加 880 ℃二次淬火有助于 B 的晶界偏聚和淬透性能的 提高. 但在 920 ℃ +880 ℃两次淬火后，B 的晶界偏

第11期 王小勇等：淬火工艺对含B低合金超厚钢板淬透性能的影响 ·1481· 40 60 32 (a) 温度/C (b) 80 362 880+880 880+860 50L +D 31 Hn OHH 880+840 32 40 30 28 30 880°C单次淬火台 29 0 20L 102030405060 70 8090 840 860 880 28 距淬火端距离/mm 第二次淬火温度/C 40 60 (c) 温度/C (d) 。900 36 -900+880 50 --D别 ◆ 名 -900+840 900C单次淬火 32 40 ◆ 30 30 24 29 2 28 0 1020304050607080 20 90 840 860 880 900 距淬火端距离/mm 第二次淬火温度/C 40 (e) 温度/C 60 34 ■-920 () 36太 920+900 920C单次淬火■ 士82+860 -920+880 50 33 32 40 2 20 20 31 0102030405060708090 860 880 900 920 距淬火端距离/mm 第二次淬火温度/C 40 60 (g) 温度/C (h) 33 36 880+ 50 920+880 32 940+880 40 31 30 30 女Ho >880℃单次淬火 29 20102030405060 20L 708090 880 900 920 940 距淬火端距离/mm 第一次淬火温度/C 图2 两次淬火条件下的Jominy曲线及淬透性参数.(a),(b)880℃一次淬火：(c),(d)900℃一次淬火：(e),()920℃一次淬 火：(g),(h)880℃二次淬火 Fig.2 Jominy curves and hardenability parameters in double quenching:(a),(b)the first quench temperature is 880 C;(c),(d) the first quench temperature is 900 C;(e),(f)the first quench temperature is 920 C;(g),(h)the second quench temperature is 880℃

第 11 期 王小勇等：淬火工艺对含 B 低合金超厚钢板淬透性能的影响 1481 ·· 图 2 两次淬火条件下的 Jominy 曲线及淬透性参数. (a), (b) 880 ℃一次淬火；(c), (d) 900 ℃一次淬火；(e), (f) 920 ℃一次淬 火；(g), (h) 880 ℃二次淬火 Fig.2 Jominy curves and hardenability parameters in double quenching: (a), (b) the first quench temperature is 880 ℃; (c), (d) the first quench temperature is 900 ℃; (e), (f) the first quench temperature is 920 ℃; (g), (h) the second quench temperature is 880 ℃

.1482 北京科技大学学报 第35卷 0.40 氏体化温度降低而减少.因此，从偏聚角度考虑，较 0.35 ·880C二次淬火 低温度下淬火对B的晶界偏聚贡献明显减弱，故在 0.30 ·一单次淬火 840和860℃下单次淬火时，钢的淬透性显著低于 0.25 更高温度淬火时的淬透性.但两次循环淬火，则在 0.20 一次淬火的基础上增加了一次再热和冷却过程，即 0.15 增加了一次硼化物(M23(C,B)6)的溶解和B的偏聚 0.10 过程.由于M23(C,B)6的急刷分解温度在900℃左 0.05 0.00 右，故在880℃时其未能大量分解，钢中的固溶B 880890 900910920930940 淬火温度/C 较少，增加一次淬火过程则促进M23(C,B)6的分解 图3不同淬火工艺下晶界B的偏聚 以及B的固溶与偏聚，故此时两次淬火均获得更为 Fig.3 Segregation of boron on grain boundaries under dif- 优越的淬透性.而且温度较高偏聚更为充分，因此 ferent quench processes 随温度升高Jominy曲线上移，淬透性增大.而一次 淬火温度较高时(900和920℃)，M23(C,B)6急剧 聚量反而明显下降，低于920℃单次淬火和其他温 度下的两次淬火，这与Jominy曲线所揭示的规律 分解，钢中的固溶B量增加.增加一次淬火过程则 一致，也解释了920℃+880℃两次淬火后，钢的 使得B的晶界偏聚加剧，但同时经循环淬火后晶粒 淬透性降低的原因.有研究可得出类似结论，认为 明显细化（图4），从而使得品界偏聚量又得以削弱. 合适的两次淬火可以提高钢的淬透性，但过高温度 两者共同作用使得900℃一次淬火后，880℃二次 的一次淬火将促进BN的析出，降低钢中的有效B 淬火时晶界偏聚量最大且优于900℃一次淬火，而 量，进而对钢的淬透性能不利 其他温度下二次淬火B的晶界偏聚较低，淬透性也 另外，文献3,25]从B的偏聚特征分析认为， 较低.经920℃一次淬火后，所有的二次淬火都未 高温奥氏体化且慢冷的情况下，B以非平衡偏聚为 能获得更高的晶界偏聚量，淬透性都有所降低，且 主，非平衡偏聚在冷却过程中发生，其偏聚量随奥 随二次淬火温度降低而下降更为明显 50μm 50m 图4距淬火端60mm处的原始奥氏体晶粒.(a)920℃单次淬火：(b)920℃+880℃两次淬火 Fig.4 Prior austenite grains in the tested steel at the distance of 60 mm from the quenched end:(a)single quenching at 920 C; (b)920℃+880℃quenching 3.2循环淬火对实验钢组织和性能的影响 火后的力学性能发现（图5），虽然920℃+880℃两 循环淬火对晶粒的细化作用在超细晶钢的研 次淬火后的淬透性数据略低于920℃单次淬火，但 究中早有报道26).本文在对比单次淬火和两次循 其屈服强度和冲击韧性却优于920℃单次淬火.由 环淬火试样的奥氏体晶粒尺寸也发现，经两次循环 组织变化规律可以推定，循环淬火对晶粒的细化作 淬火后，奥氏体晶粒明显细化（图4）.相对于920℃ 用是产生这一差异主要原因.这说明钢的淬透性并 一次淬火，经920℃+880℃两次淬火后，奥氏体 不等同于强韧性，良好的淬透性是获得理想强韧性 品粒尺寸迅速由25m下降为16um.晶粒细化则 的条件之一，但最佳强韧性的获得还取决于钢中组 弱化了B的晶界偏聚，进而对钢的淬透性能带来不 织亚结构等其他因素. 利影响.在对比实验钢在经单次淬火和两次循环淬

· 1482 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 图 3 不同淬火工艺下晶界 B 的偏聚 Fig.3 Segregation of boron on grain boundaries under dif￾ferent quench processes 聚量反而明显下降，低于 920 ℃单次淬火和其他温 度下的两次淬火，这与 Jominy 曲线所揭示的规律 一致，也解释了 920 ℃ +880 ℃两次淬火后，钢的 淬透性降低的原因. 有研究 [15] 得出类似结论，认为 合适的两次淬火可以提高钢的淬透性，但过高温度 的一次淬火将促进 BN 的析出，降低钢中的有效 B 量，进而对钢的淬透性能不利. 另外，文献 [3,25] 从 B 的偏聚特征分析认为， 高温奥氏体化且慢冷的情况下，B 以非平衡偏聚为 主，非平衡偏聚在冷却过程中发生，其偏聚量随奥 氏体化温度降低而减少. 因此，从偏聚角度考虑，较 低温度下淬火对 B 的晶界偏聚贡献明显减弱，故在 840 和 860 ℃下单次淬火时，钢的淬透性显著低于 更高温度淬火时的淬透性. 但两次循环淬火，则在 一次淬火的基础上增加了一次再热和冷却过程，即 增加了一次硼化物 (M23(C,B)6) 的溶解和 B 的偏聚 过程. 由于 M23(C,B)6 的急剧分解温度在 900 ℃左 右，故在 880 ℃时其未能大量分解，钢中的固溶 B 较少，增加一次淬火过程则促进 M23(C,B)6 的分解 以及 B 的固溶与偏聚，故此时两次淬火均获得更为 优越的淬透性. 而且温度较高偏聚更为充分，因此 随温度升高 Jominy 曲线上移，淬透性增大. 而一次 淬火温度较高时 (900 和 920 ℃)，M23(C,B)6 急剧 分解，钢中的固溶 B 量增加. 增加一次淬火过程则 使得 B 的晶界偏聚加剧，但同时经循环淬火后晶粒 明显细化 (图 4)，从而使得晶界偏聚量又得以削弱. 两者共同作用使得 900 ℃一次淬火后，880 ℃二次 淬火时晶界偏聚量最大且优于 900 ℃一次淬火，而 其他温度下二次淬火 B 的晶界偏聚较低，淬透性也 较低. 经 920 ℃一次淬火后，所有的二次淬火都未 能获得更高的晶界偏聚量，淬透性都有所降低，且 随二次淬火温度降低而下降更为明显. 图 4 距淬火端 60 mm 处的原始奥氏体晶粒. (a) 920 ℃单次淬火；(b) 920 ℃ +880 ℃两次淬火 Fig.4 Prior austenite grains in the tested steel at the distance of 60 mm from the quenched end: (a) single quenching at 920 ℃; (b) 920 ℃ +880 ℃ quenching 3.2 循环淬火对实验钢组织和性能的影响 循环淬火对晶粒的细化作用在超细晶钢的研 究中早有报道 [26] . 本文在对比单次淬火和两次循 环淬火试样的奥氏体晶粒尺寸也发现，经两次循环 淬火后，奥氏体晶粒明显细化 (图 4). 相对于 920 ℃ 一次淬火，经 920 ℃ +880 ℃两次淬火后，奥氏体 晶粒尺寸迅速由 25 µm 下降为 16 µm. 晶粒细化则 弱化了 B 的晶界偏聚，进而对钢的淬透性能带来不 利影响. 在对比实验钢在经单次淬火和两次循环淬 火后的力学性能发现 (图 5)，虽然 920 ℃ +880 ℃两 次淬火后的淬透性数据略低于 920 ℃单次淬火，但 其屈服强度和冲击韧性却优于 920 ℃单次淬火. 由 组织变化规律可以推定，循环淬火对晶粒的细化作 用是产生这一差异主要原因. 这说明钢的淬透性并 不等同于强韧性，良好的淬透性是获得理想强韧性 的条件之一，但最佳强韧性的获得还取决于钢中组 织亚结构等其他因素

第11期 王小勇等：淬火工艺对含B低合金超厚钢板淬透性能的影响 ·1483· 160 700 [6]Maitrepierre P.Thivellier D,Tricot R.Influence of boron 140 690 on the decomposition of austenite in low carbon alloyed 120 680 steels.Metall Trans A.1975,6(2):287 100 920C单次淬火 [7]Titova T I,Shulgan N A,Malykhina I Y.Effect of boron microalloying on the structure and hardenability of build- 80H 650y ing steel.Met Sci Heat Treat,2007,49(1):39 60 640 [8]Watanabe S,Ohtani H,Kunitake T.The influence of dis- 40 630 -一-40C冲击功 solution and precipitation behavior of M23(C,B)6 on the 20 一▲一屈服强度 620 hardenability of boron steels.Trans ISIJ,1983,23(2):120 0 ☐610 840860 880900920 9Imanaka M,Terasima H,Siga C,et al.Relationship be- 920°C一次淬火后的二次淬火温度/C tween distribution of boron and quenching hardenabil- ity of boron-bearing 80 kgf/mm2 grade steel plate in di- 图5不同淬火工艺下实验钢的力学性能 rect quenching and tempering process.Tetsu-to-Hagane, Fig.5 Mechanical properties of the test steel under different 1988,74(1):167 quench processes [10]Kaneko H,Nishizawa T,Chiba A.Borides and carbides in the system of Fe-B-C.J Jpn Inst Met,1966,30(3):263 4结论 [11]Choi Y S,Kim S J,Park I M,et al.Boron distribution in a low-alloy steel.Met Mater,1997,3(2):118 (1)淬火工艺对含B低合金超厚钢板的淬透 [12 Watanabe S,Ohtani H,Kunitake T.The influence of hot 性具有显著影响.单一淬火条件下，当温度不高于 rolling and heat treatments on the distribution of boron 920℃时，提高淬火温度或适当延长保温时间均有 in steel.Trans Iron Steel Inst Jpn,1983,23:31 利于B的晶界偏聚和实验钢淬透性能的改善：随温 [13]Banerji S K,Morral J E.Boron in Steel.The Metallurgi- 度进一步提高，B的晶界偏聚量和钢的淬透性能均 cal Society of AIME,1980 下降 [14]Watanabe S,Ohtani H.Precipitation behavior of boron (②)两次循环淬火可以有条件地改善钢的淬透 in high strength steel.Trans Iron Steel Inst Jpn,1983. 性能.相对于单次淬火，在一次淬火温度不高于 23(1):38 920℃时，合理的两次循环淬火可促进B的晶界 [15]Habu R,Miyata M,Tamukai S,et al.Improvement of hardenability of steel containing aluminum and boron by 偏聚，显著提高钢的淬透性：但当一次淬火温度高 double quenching.Trans Iron Steel Inst Jpn,1983,23(2): 于920℃后，由于晶粒的显著细化，晶界B的偏 176 聚量降低，两次循环淬火反而不利于提高钢的淬透 [16]Cui Z Q,Tan Y C.Metallography and Heat Treatment 性. 2nd Ed.Beijing:China Machine Press,2007 (崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理2版.北京：机械工业 参考文献 出版社，2007) [17]He X L,Chu Y Y.The application of 10B(n,a)7Li fission [1]Paju M.Effects of boron protection methods on properties reaction to study boron behaviour in materials.J Phys of steel.Ironmaking Steelmaking,1992,19(6):495 D,1983,16(6):1145 [2]Melloy G F,Slimmon P R,Podgursky P P.Optimizing [18]He X L,Chu YY,Zhang X L,et al.Boron distribution the boron effect.Metall Trans,1973.4(10):2279 in steels.Acta Metall Sin,1977,13(4):235 [3]Asahi H.Effects of Mo addition and austenitizing temper- (贺信莱，褚幼义，张秀林，等.硼在钢中的分布.金属学报 ature on hardenability of low alloy B-added steels.ISIJ 1977,13(4):235) mt.2002,42(10):1150 [19]Wu P,Yu D Y,He X L.Image manipulation and measure- [4]Hara T,Asahi H,Uemori R,et al.Role of combined addi- ment of boron autoradiograph pictures.Phys Erp,2005, tion of niobium and boron and of molybdenum and boron 25(10):21 on hardnenability in low carbon steels.ISIJ Int,2004, (俣平，于栋友，贺信莱.硼径迹显微照相技术图像分析软 44(8):1431 件设计.物理实验，2005,25(10)：21) [5]Tamehiro H,Murata M,Ryuichi H,et al.Optimum [20]John F W,John W.An Introduction to Surface Analysis microalloying of niobium and boron in HSLA steel for by XPS and AES.New York:John Wiley Sons,2003 thermomechanical processing.Trans Iron Steel Inst Jpn,[21]Carlson T.Photoelectron and Auger Spectroscopy.New 1987,27:120 York:Plenum Press,1975

第 11 期 王小勇等：淬火工艺对含 B 低合金超厚钢板淬透性能的影响 1483 ·· 图 5 不同淬火工艺下实验钢的力学性能 Fig.5 Mechanical properties of the test steel under different quench processes 4 结论 (1) 淬火工艺对含 B 低合金超厚钢板的淬透 性具有显著影响. 单一淬火条件下，当温度不高于 920 ℃时，提高淬火温度或适当延长保温时间均有 利于 B 的晶界偏聚和实验钢淬透性能的改善；随温 度进一步提高，B 的晶界偏聚量和钢的淬透性能均 下降. (2) 两次循环淬火可以有条件地改善钢的淬透 性能. 相对于单次淬火， 在一次淬火温度不高于 920 ℃时，合理的两次循环淬火可促进 B 的晶界 偏聚，显著提高钢的淬透性；但当一次淬火温度高 于 920 ℃后，由于晶粒的显著细化，晶界 B 的偏 聚量降低，两次循环淬火反而不利于提高钢的淬透 性. 参 考 文 献 [1] Paju M. Effects of boron protection methods on properties of steel. Ironmaking Steelmaking, 1992, 19(6): 495 [2] Melloy G F, Slimmon P R, Podgursky P P. Optimizing the boron effect. Metall Trans,1973, 4(10): 2279 [3] Asahi H. Effects of Mo addition and austenitizing temper￾ature on hardenability of low alloy B-added steels. ISIJ Int, 2002, 42(10): 1150 [4] Hara T, Asahi H, Uemori R, et al. Role of combined addi￾tion of niobium and boron and of molybdenum and boron on hardnenability in low carbon steels. ISIJ Int, 2004, 44(8):1431 [5] Tamehiro H, Murata M, Ryuichi H, et al. Optimum microalloying of niobium and boron in HSLA steel for thermomechanical processing. Trans Iron Steel Inst Jpn, 1987, 27: 120 [6] Maitrepierre P, Thivellier D, Tricot R. Influence of boron on the decomposition of austenite in low carbon alloyed steels. Metall Trans A, 1975, 6(2): 287 [7] Titova T I, Shulgan N A, Malykhina I Y. Effect of boron microalloying on the structure and hardenability of build￾ing steel. Met Sci Heat Treat, 2007, 49(1): 39 [8] Watanabe S, Ohtani H, Kunitake T. The influence of dis￾solution and precipitation behavior of M23(C,B)6 on the hardenability of boron steels. Trans ISIJ, 1983, 23(2):120 [9] Imanaka M, Terasima H, Siga C, et al. Relationship be￾tween distribution of boron and quenching hardenabil￾ity of boron-bearing 80 kgf/mm2 grade steel plate in di￾rect quenching and tempering process. Tetsu-to-Hagane, 1988,74(1):167 [10] Kaneko H, Nishizawa T, Chiba A. Borides and carbides in the system of Fe-B-C. J Jpn Inst Met, 1966, 30(3): 263 [11] Choi Y S, Kim S J, Park I M, et al. Boron distribution in a low-alloy steel. Met Mater, 1997, 3(2): 118 [12] Watanabe S, Ohtani H, Kunitake T. The influence of hot rolling and heat treatments on the distribution of boron in steel. Trans Iron Steel Inst Jpn, 1983, 23: 31 [13] Banerji S K, Morral J E. Boron in Steel. The Metallurgi￾cal Society of AIME, 1980 [14] Watanabe S, Ohtani H. Precipitation behavior of boron in high strength steel. Trans Iron Steel Inst Jpn, 1983, 23(1): 38 [15] Habu R, Miyata M, Tamukai S, et al. Improvement of hardenability of steel containing aluminum and boron by double quenching. Trans Iron Steel Inst Jpn, 1983, 23(2): 176 [16] Cui Z Q, Tan Y C. Metallography and Heat Treatment. 2nd Ed. Beijing: China Machine Press, 2007 (崔忠圻, 覃耀春. 金属学与热处理. 2 版. 北京: 机械工业 出版社, 2007) [17] He X L, Chu Y Y. The application of 10B(n,α) 7Li fission reaction to study boron behaviour in materials. J Phys D, 1983, 16(6): 1145 [18] He X L, Chu Y Y, Zhang X L, et al. Boron distribution in steels. Acta Metall Sin, 1977, 13(4): 235 (贺信莱, 褚幼义, 张秀林, 等. 硼在钢中的分布. 金属学报, 1977, 13(4): 235) [19] Wu P, Yu D Y, He X L. Image manipulation and measure￾ment of boron autoradiograph pictures. Phys Exp, 2005, 25(10): 21 (吴平, 于栋友, 贺信莱. 硼径迹显微照相技术图像分析软 件设计. 物理实验, 2005, 25(10): 21) [20] John F W, John W. An Introduction to Surface Analysis by XPS and AES. New York: John Wiley & Sons, 2003 [21] Carlson T. Photoelectron and Auger Spectroscopy. New York: Plenum Press, 1975

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