G12MnMo7-4钢异常组织分析及调质工艺优化

常有余，宋仲明，李富燕，苟春林

（中车长江铜陵车辆有限公司，安徽 铜陵 244100）

G12MnMo7-4钢为德国标准焊接性能良好的高强度钢，执行SEW 520-1990标准。在某型铸件的生产过程中，采用910℃保温3.5 h预正火，890～910℃保温3 h急冷淬火+580℃保温3 h回火工艺进行调质处理。调质后金相检验时，部分试样发现局部出现异常组织。

淬火钢在500～650℃回火时，渗碳体（Fe3C）聚集成较大颗粒，同时马氏体针状形态消失，形成多边铁素体，这种铁素体与渗碳体的机械混合物称为回火索氏体[1]。而生产铸件取样观察显微组织时发现淬火后马氏体的特征依然大量保留，且局部出现保留长束的马氏体特征的回火组织，与产品技术条件要求的回火索氏体无法严格对应，对生产和检验判定工作造成困难。本文通过对异常组织试样的化学成分、力学性能、显微组织进行检测分析，研究异常组织产生原因。同时对该钢种试样分别在不同温度进行淬火和回火试验，进行工艺优化。

1 异常组织试样分析

G12MnMo7-4钢铸件调质后异常组织见图1中灰色部位，深色部位为回火索氏体组织，且整体组织不均匀。利用PDA-7000型直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示。该钢种属于低碳合金钢，合金元素含量较高，且添加一定量的Mo元素。

表1 异常组织试样的化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of the abnormal microstructure specimen（mass fraction，%）

图1 G12MnMo7-4钢铸件调质后的显微组织Fig.1 Microstructure of the G12MnMo7-4 steel casting after quenching and tempering

采用CMT万能材料试验机，PTM2100-C1型摆锤式冲击试验机对一次调质后有异常组织的试样进行性能分析，结果见表2。可见该钢种屈强强度（以Rp0.2计）和低温冲击吸收能量远高于SEW 520-1990要求，综合性能良好。

表2 异常组织试样的力学性能Table 2 Mechanical properties of the abnormal microstructure specimen

采用显微硬度测试仪对组织中回火索氏体区域（见图2（a））和异常组织区域（见图2（b））进行显微硬度检测，硬度测量结果见图3。可见正常的回火索氏体区域硬度明显高于异常组织区域，异常组织区域显微硬度平均值较正常区域低40 HV0.2。

图2 异常组织试样硬度检测点Fig.2 Hardness test points of the abnormal microstructure specimen

图3 异常组织试样的硬度Fig.3 Hardness of the abnormal microstructure specimen

采用扫描电镜对G12MnMo7-4钢调质组织进行观察，结果如图4所示。由图4可见，其组织中存在重新结晶的不规则铁素体晶粒，以及保留板条马氏体特征的回火组织，异常组织晶粒粗大且保留了板条马氏体的形态，而正常组织为细小均匀的回火索氏体。通常，合金马氏体在高温回火时，铁素体往往难以再结晶，仍然保持条片状形貌，其上分布着粒状碳化物，这种组织常被称为回火索氏体[2]。另有研究表明[3]P91钢经淬火+高温回火后，得到回火托氏体组织。由于这种钢中含有大量合金元素，阻碍再结晶，故淬火板条状马氏体在高温回火时，铁素体尚没有发生再结晶，仍然保持着板条状形貌[3]。

图4 G12MnMo7-4钢调质组织Fig.4 Microstructure of the G12MnMo7-4 steel after quenching and tempering

参考ZG25MnCrNiMo金相图谱[4]，调质组织中存在一部分保留马氏体特征的回火组织仍定义为回火索氏体，而粗大组织定义为过热组织。李国宝等[5]利用TEM等手段研究Cr在低碳钢中作用时发现，回火后，尤其是在较长的保温时间下，基体中析出大量含Cr的碳化物，这些碳化物形貌不规则，且主要以链状的聚集状态沿晶界析出。因此G12MnMo7-4钢的调质组织仍属于回火索氏体范畴。而其局部异常组织产生是因为G12MnMo7-4钢属低碳合金钢，铸件中难免存在局部元素偏析。调质温度较高时，局部产生过热组织，因此需要进行调质工艺优化。

2 工艺优化措施研究

由于G12MnMo7-4钢淬火组织局部马氏体晶粒粗大，因此对同一熔炼炉次钢样经910℃保温3.5 h预

正火后，分别在870～920℃保温3 h淬火后观察淬火马氏体。图5为该钢不同温度淬火后的显微组织，组织为典型的板条状马氏体。其中910、920℃淬火马氏体晶粒粗大，890℃淬火局部存在粗大马氏体，870℃淬火后马氏体晶粒细小，是相对比较合适的淬火温度。

图5 不同温度保温3 h淬火后G12MnMo7-4钢的显微组织Fig.5 Microstructure of the G12MnMo7-4 steel quenched at different temperatures for 3 h

将870℃淬火后试样，分别在580～680℃保温3 h进行回火，分别观察回火组织形态，结果如图6所示。从图6可以看出，随着回火温度的升高，淬火组织中板条状马氏体的板条特征逐渐减弱，淬火马氏体的板条形态发生了粗化，但在很大程度上仍然保持着淬火马氏体的位向和板条形状。当回火温度达到680℃时，其中大部分板条界已经不太明显，碳化物颗粒已经明显粗化。

图6 870℃淬火不同温度回火后G12MnMo7-4钢的显微组织Fig.6 Microstructure of the G12MnMo7-4 steel quenched at 870℃and tempered at different temperatures

表3给出了870℃淬火+580℃回火后G12MnMo7-4钢的技术指标和实际试样的测量值，

表3 G12MnMo7-4钢经870℃淬火+580℃回火后的力学性能Table 3 Mechanical properties of the G12MnMo7-4 steel after 870℃quenching+580℃tempering

由表4可见，G12MnMo7-4钢调质处理后的抗拉强度及屈服强度（以Rp0.2计）分别为635 MPa和530 MPa，高出技术要求30 MPa以上。断后伸长率和低温冲击吸收能量更是远高于技术要求。

在生产中，综合考虑组织及性能要求，回火温度不能低于580℃，而在性能指标富裕时，可提高回火温度，使马氏体充分转变为回火索氏体组织，满足产品技术条件要求。G12MnMo7-4钢由于Mn含量较高，而铸钢偏析现象较为普遍，因此在热处理过程中，为防止局部组织过热长大，淬火温度的控制尤为重要。

3 结论

G12MnMo7-4钢经预正火及调质处理后，会出现晶粒粗大，保留马氏体位向的回火索氏体组织。产生异常组织的原因是：G12MnMo7-4钢属于低碳合金钢，调质淬火温度较高时，局部产生过热组织。经改进调质工艺（870℃保温3 h急冷淬火+580℃保温3 h回火）处理后，能够获得较细的回火索氏体组织，且综合性能良好，满足产品技术条件要求。