宽厚板热处理工艺研究

发布者: 发布时间:2017/4/18 10:46:26 阅读:次 【字体:

   主要合金元素对钢热处理的影响

  C作为钢中重要的元素之一,其含量直接影响钢的硬度、韧性、强度、淬硬性和焊接性能。含碳量高,硬度高,但韧性差,热处理开裂倾向大,焊接性较差;含碳量过低,硬度低,淬硬性、耐磨性差。

  Si在钢中不形成碳化物,而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。Si提高钢中固溶体的强度;但Si含量过高,钢的过热敏感性大。

  Mn是扩大奥氏体相区的元素,随其含量的增加,不但降低共析温度,还降低共析点的含碳量。因此,在相同含碳量及冷却速度下,随着钢中含Mn量的增加,显微组织中的珠光体不但细化,而且数量亦增多.从而导致钢的强度和硬度升高,能显著提高钢的淬透性。Mn的不利一面是增大钢的过热敏感性,晶粒易粗大;另外,还增大回火脆性。

  Cr含量对材料的强度、塑性和低温冲击韧性均有较大影响,这是由于Cr能固溶于铁素体和奥氏体中,与钢中的C形成多种碳化物。Cr固溶于奥氏体时,可提高钢的淬透性。当Cr与C形成

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  宽厚板热处理工艺简介

  热处理是通过不同的加热制度、保温时间、及冷却速度,使钢的成分与组织发生扩散、再结晶的变化,也可促进或阻止其组织与成分的转变、析出,以期达到所要求的组织和性能。

  钢板热处理的目的是提高钢板强度、改善韧性与焊接性、清除内应力、防止白点、降低脆性与表面硬度。热轧性能不稳时,热处理还可调整其性能,挽救性能不合格所造成的损失。热处理不当会造成钢板下表面划伤,冷却不匀会引起钢板变形及淬火钢板的不平直。另外,还会增加能耗、提高成本费用等。

  中厚钢板热处理的主要方式有正火(常化)、调质(淬火+高温回火)、正火+控冷、正火+回火、回火、退火、直接淬火(DQ)、直接淬火+回火等。

  其中,处理量最大的是正火板,包括正火+回火,大约占所有热处理产品的70%左右;其次是调质板,占15%左右;其它如回火等占15%。

  正火(Normalizing )也叫常化或正常化,是将钢材或钢件加热到Ac3(或Accm)以上适当温度,保温适当时间后在空气中冷却,得到珠光体类组织的热处理工艺。其目的在于使上一道工序中产生的非正常组织(如铁素体晶粒粗大、魏氏组织、带状组织、非铁素体+珠光体组织产物等亚共析钢组织缺陷)通过重结晶、均匀化组织予以改善(对低碳钢为细小等轴铁素体+均匀分布的块状珠光体组织),从而改善其力学性能和工艺性能。

  正火可以作为预备热处理,也可以作为最终热处理。对机加工零件的结构钢来说,正火多半作为预备热处理,为随后的切削加工和最终热处理做组织准备;对低碳低合金钢板来说,正火都是作为最终热处理,使钢板具有所要求的组织,从而使其具有所要求的力学性能和工艺性能。

  钢板正火处理后晶粒细、碳化物分布均匀,力学性能良好。正火工艺可使目前普遍应用的以Nb、V、Ti等强碳氮化物形成元素的低(微)合金高强度钢板的延伸、低温冲击韧性和冷弯性能大幅改善。

  但值得注意的是,正火在提高热轧低碳低合金钢板的工艺性能的同时,往往降低钢的强度,屈服强度和抗拉强度一般降低20~50MPa,对于控轧控冷钢板严重的可降低80~120MPa。因此,为保证钢板的交货性能,在正火钢板成分设计时,应不同于一般控轧控冷钢板,可适当增加C、Mn等固溶强化元素以提高强度(注意碳当量指标不要过但这两项指标高),虽然热轧后钢板的延伸率或冲击功有所降低,在正火处理后会有大幅提高。

  调质(淬火+高温回火)

  淬火(Quenching )是把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上,保温并随之以大于临界冷却速度(Vc)冷却,以得到介稳状态的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺方法。目的:提高强度、硬度、耐磨性。

  淬火后的钢随着温度的升高,其内部组织结构会发生马氏体的分解、残余奥氏体的转变、碳化物的转变、α相状态的变化及碳化物的聚集长大等一系列过程,称为回火(Tempering )。回火按温度分为低温回火、中温回火和高温回火,分别得到回火马氏体、回火托氏体和回火索氏体组织。目的:减少或消除淬火应力,提高韧性和塑性,获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合。

  调质即淬火+高温回火,近年来,超级钢、超低碳贝氏体钢等生产技术蓬勃发展,许多传统调质处理生产的屈服强度450MPa以上的钢板利用超细晶等技术已经可以生产,但对于压力容器、石油储罐、桥梁、军工等重要结构钢板,很多标准和用户还是要求钢板以调质状态交货。

  正火+控冷(+回火)

  常化炉除处理“双高”产品外,另一大作用是挽救很多热轧后延伸或冲击不合产品,减少改判率。但随之而来的一个问题是一些延伸、冲击不合需挽救的产品本身强度富裕量小,容易导致处理后强度反而不合。这除了在正火温度、时间上可以做一些调整外,还可以应用正火+控冷(+回火)工艺。

  为防止很多钢板正火后强度大幅降低,目前国内武钢、舞钢、重钢、太钢等都开发了正火+控制冷却的工艺,利用炉后淬火机或简易水冷设施等进行正火后弱水冷(水雾等)的工艺,可较好地弥补钢板的强度损失,依据太钢经验,钢板强度可提高10MPa。对于控制冷却后钢板性能波动较大的钢种或ASTM (美国材料与试验协会)中规定正火后加速冷却必须回火的钢种还可应用正火+控冷+回火工艺。

  正火+回火

  在锅炉压力容器钢板处理中采用较多,尤其是Cr-Mo钢多采用正火+高温回火。

  淬火+低温回火

  对于耐磨钢等要求表面硬度较高的钢种多采用淬火+低温回火。

  在线直接淬火(DQ)+回火

  该技术是20世纪90年代以来发展的新技术。利用轧后的直接淬火设施(30mm以下较容易)实施钢板在线直接淬火,然后进行离线的回火处理,可大大节约热处理成本。目前在生产高强度低碳贝氏体钢、油罐钢等钢种时采用较多。

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  Q550D回火工艺研究

  Q550D采用Cr-Mo-V-Nb-Ti合金体系。图4-1是TMCP工艺后钢板金相组织。

  图3-1 Q550D轧态组织

  由组织可看出,钢板组织为贝氏体和少量铁素体,晶粒尺寸细小,由于冷速快,依稀可见原始奥氏体晶界。

  为了研究回火温度对力match学性能的影响,对轧态钢板取样,分别进行450℃、500℃、550℃、600match℃、650℃、match700℃、800℃、850℃,保温30min回火试验,对回火后钢板进行力学性能和冲击性能检验,在光学显微镜下观察金相组织。图4-2、图4-3 分别为回火温度对力学性能和冲击性能的影响。

  图3-2回火温度对力学性能的影响

  从图4-2可以看出,随着回火温度的升高,屈服强度整体呈现出先上升再下降的过程:其中,550℃之前缓慢上升,550℃到650℃之间显著上升,650℃以后逐渐下降,在650℃时屈服强度达到610MPa。主要是因为在回火过程中,会有各种碳化物的析出,,550℃之前碳化物析出缓慢,超过600℃后,碳化物析出加快,加上轧制过程中的大量形变位错被保留下来,由于位错密度高,碳化物形核率高,导致析出的碳化物细小,屈服强度显著提高。超过700℃后,已经开始组织转变,强度自然迅速下降。

  抗拉强度整体呈现下降的趋势,但下降缓慢,回火温度每升高50℃,抗拉强度只下降5-10Mpa,抗回火性能良好,这是TMCP+T工艺的一个显著特点。延伸率在500℃后呈现出逐步上升的趋势,650℃时达到17%。

  图3-3回火温度对冲击功的影响

  由图4-3可看出,随着温度的升高,冲击功呈现升高下降再升高的趋势,在650℃时达到258J,远远大于标准规定的47J。图4-4为不同回火温度后钢板金相组织。

  (a) 550℃+30min

  (b) 650℃+30min

  (c) 850℃+30min

  图3-4不同回火温度后钢板金相组织

  综上所述,Q550D钢板在650℃左右回火,保温30min可达到强度、塑性和韧性的良好匹配,完全满足标准和用户要求

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