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    寬厚板熱處理工藝研究

    發布者: 發布時間:2018/3/1 14:20:18 閱讀:次 【字體:

      1、背景簡介

      隨著中國工業技術水平的不斷發展和提高,在造船業、機械加工業、煤炭綜采、礦山機械、石油化工、橋梁建筑等行業對寬厚板的總體需求量增加的同時,對高等級高強度鋼板的需求也不斷增加。近年來,國內鋼鐵企業越來越重視高附加值、高技術含量產品的投入和生產,尤其是在目前鋼鐵行業處于低迷狀態下,高附加值產品的優勢體現更加明顯。越來越多的寬厚板生產線均配置了相關熱處理設備,并采用熱處理技術來生產高技術含量、高附加值、高市場容量的寬厚板產品。對全國寬厚板產品結構調整,提升產品市場競爭力具有重要意義。

      雖然我國中厚板生產線的裝備水平有了很大的提高,特別是近幾年我國又新建了不少現代化的中厚板生產線,采用了控制軋制和控制冷卻技術,也能生產一些高附加值的鋼板,在一定程度上可以代替熱處理,但是一些高強度的鋼板如低溫壓力容器板、電廠鍋爐板、工程機械用鋼板,耐磨鋼板等在標準中明確規定必須以熱處理狀態交貨,這就要求我們必須對寬厚板的熱處理進行研究。

      2、主要合金元素對鋼熱處理的影響

      C作為鋼中重要的元素之一,其含量直接影響鋼的硬度、韌性、強度、淬硬性和焊接性能。含碳量高,硬度高,但韌性差,熱處理開裂傾向大,焊接性較差;含碳量過低,硬度低,淬硬性、耐磨性差。

      Si在鋼中不形成碳化物,而是以固溶體的形態存在于鐵素體或奧氏體中。Si提高鋼中固溶體的強度;但Si含量過高,鋼的過熱敏感性大。

      Mn是擴大奧氏體相區的元素,隨其含量的增加,不但降低共析溫度,還降低共析點的含碳量。因此,在相同含碳量及冷卻速度下,隨著鋼中含Mn量的增加,顯微組織中的珠光體不但細化,而且數量亦增多.從而導致鋼的強度和硬度升高,能顯著提高鋼的淬透性。Mn的不利一面是增大鋼的過熱敏感性,晶粒易粗大;另外,還增大回火脆性。

      Cr含量對材料的強度、塑性和低溫沖擊韌性均有較大影響,這是由于Cr能固溶于鐵素體和奧氏體中,與鋼中的C形成多種碳化物。Cr固溶于奧氏體時,可提高鋼的淬透性。當Cr與C形成復雜碳化物并在鋼中彌散析出時,可起到彌散強化作用。但是Cr在鋼中起強化作用的同時亦使塑性有所降低,并增加回火脆性。

      就調質鋼而言,Mo含量的增加,材料的強度、塑性和低溫沖擊韌性均有較大提高。由于Mo固溶于鐵素體和奧氏體時,可使鋼的C曲線右移,從而顯著提高鋼的淬透性,而且Mo能顯著提高鋼的再結晶溫度,提高回火穩定性,調質后可獲得細晶粒的索氏體,使強韌性得到改善。當形成Mo的碳化物時,可起到彌散強化作用。當Mo含量較低時(<0.30%),主要以固溶強化、提高淬透性和回火穩定性為主。

      Ni可提高調質鋼的淬透性,并能改善鋼在低溫下的韌性,使韌脆轉變溫度下降。隨Ni含量的增加,材料的強度和塑性均有提高,特別對低溫沖擊韌性提高幅度比較大。這是由于Ni在鋼中只形成固溶體,而且固溶強化作用不明顯,而主要是通過在塑性變形時增加晶格滑移面來提高材料塑性。

      微量B能使鋼的淬透性顯著提高。目前較為一致的看法是奧氏體在淬火冷卻過程中硼原子偏聚于晶界上,降低晶界能,抑制了鐵素體的形核,推遲鐵素體的形成,同時晶界上的硼原子也阻滯晶界原子的擴散,使鐵素體在晶界上擴散形核減緩,從而增加淬透性。

      3、 寬厚板熱處理工藝簡介

      熱處理是通過不同的加熱制度、保溫時間、及冷卻速度,使鋼的成分與組織發生擴散、再結晶的變化,也可促進或阻止其組織與成分的轉變、析出,以期達到所要求的組織和性能。

      鋼板熱處理的目的是提高鋼板強度、改善韌性與焊接性、清除內應力、防止白點、降低脆性與表面硬度。熱軋性能不穩時,熱處理還可調整其性能,挽救性能不合格所造成的損失。熱處理不當會造成鋼板下表面劃傷,冷卻不勻會引起鋼板變形及淬火鋼板的不平直。另外,還會增加能耗、提高成本費用等。

      中厚鋼板熱處理的主要方式有正火(;)、調質(淬火+高溫回火)、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,處理量最大的是正火板,包括正火+回火,大約占所有熱處理產品的70%左右;其次是調質板,占15%左右;其它如回火等占15%。

      3.1 正火

      正火(Normalizing )也叫;蛘;,是將鋼材或鋼件加熱到Ac3(或Accm)以上適當溫度,保溫適當時間后在空氣中冷卻,得到珠光體類組織的熱處理工藝。其目的在于使上一道工序中產生的非正常組織(如鐵素體晶粒粗大、魏氏組織、帶狀組織、非鐵素體+珠光體組織產物等亞共析鋼組織缺陷)通過重結晶、均勻化組織予以改善(對低碳鋼為細小等軸鐵素體+均勻分布的塊狀珠光體組織),從而改善其力學性能和工藝性能。

      正火可以作為預備熱處理,也可以作為最終熱處理。對機加工零件的結構鋼來說,正火多半作為預備熱處理,為隨后的切削加工和最終熱處理做組織準備;對低碳低合金鋼板來說,正火都是作為最終熱處理,使鋼板具有所要求的組織,從而使其具有所要求的力學性能和工藝性能。

      鋼板正火處理后晶粒細、碳化物分布均勻,力學性能良好。正火工藝可使目前普遍應用的以Nb、V、Ti等強碳氮化物形成元素的低(微)合金高強度鋼板的延伸、低溫沖擊韌性和冷彎性能大幅改善。

      但值得注意的是,正火在提高熱軋低碳低合金鋼板的工藝性能的同時,往往降低鋼的強度,屈服強度和抗拉強度一般降低20~50MPa,對于控軋控冷鋼板嚴重的可降低80~120MPa。因此,為保證鋼板的交貨性能,在正火鋼板成分設計時,應不同于一般控軋控冷鋼板,可適當增加C、Mn等固溶強化元素以提高強度(注意碳當量指標不要過但這兩項指標高),雖然熱軋后鋼板的延伸率或沖擊功有所降低,在正火處理后會有大幅提高。

      3.2 調質(淬火+高溫回火)

      淬火(Quenching )是把鋼加熱到臨界點Ac1或Ac3以上,保溫并隨之以大于臨界冷卻速度(Vc)冷卻,以得到介穩狀態的馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝方法。目的:提高強度、硬度、耐磨性。

      淬火后的鋼隨著溫度的升高,其內部組織結構會發生馬氏體的分解、殘余奧氏體的轉變、碳化物的轉變、α相狀態的變化及碳化物的聚集長大等一系列過程,稱為回火(Tempering );鼗鸢礈囟确譃榈蜏鼗鼗、中溫回火和高溫回火,分別得到回火馬氏體、回火托氏體和回火索氏體組織。目的:減少或消除淬火應力,提高韌性和塑性,獲得硬度、強度、塑性和韌性的適當配合。

      調質即淬火+高溫回火,近年來,超級鋼、超低碳貝氏體鋼等生產技術蓬勃發展,許多傳統調質處理生產的屈服強度450MPa以上的鋼板利用超細晶等技術已經可以生產,但對于壓力容器、石油儲罐、橋梁、軍工等重要結構鋼板,很多標準和用戶還是要求鋼板以調質狀態交貨。因此,一條現代化的調質鋼板生產線對于提高中厚鋼板廠的產品檔次是不可或缺的。

      調質代表鋼種有油罐鋼SPV490Q、14MnNbq、軍工板921、模具鋼P20等。目前,調質熱處理線都是采用輥底式爐快速出爐后面配套輥壓式淬火機。

      3.3 正火+控冷(+回火)

      ;癄t除處理“雙高”產品外,另一大作用是挽救很多熱軋后延伸或沖擊不合產品,減少改判率。但隨之而來的一個問題是一些延伸、沖擊不合需挽救的產品本身強度富裕量小,容易導致處理后強度反而不合。這除了在正火溫度、時間上可以做一些調整外,還可以應用正火+控冷(+回火)工藝。

      為防止很多鋼板正火后強度大幅降低,目前國內武鋼、舞鋼、重鋼、太鋼等都開發了正火+控制冷卻的工藝,利用爐后淬火機或簡易水冷設施等進行正火后弱水冷(水霧等)的工藝,可較好地彌補鋼板的強度損失,依據太鋼經驗,鋼板強度可提高10MPa。對于控制冷卻后鋼板性能波動較大的鋼種或ASTM (美國材料與試驗協會)中規定正火后加速冷卻必須回火的鋼種還可應用正火+控冷+回火工藝。

      3.4 正火+回火

      在鍋爐壓力容器鋼板處理中采用較多,尤其是Cr-Mo鋼多采用正火+高溫回火。

      3.5 淬火+低溫回火

      對于耐磨鋼等要求表面硬度較高的鋼種多采用淬火+低溫回火。

      3.6 在線直接淬火(DQ)+回火

      該技術是20世紀90年代以來發展的新技術。利用軋后的直接淬火設施(30mm以下較容易)實施鋼板在線直接淬火,然后進行離線的回火處理,可大大節約熱處理成本。目前在生產高強度低碳貝氏體鋼、油罐鋼等鋼種時采用較多。

      4、Q550D回火工藝研究

      Q550D采用Cr-Mo-V-Nb-Ti合金體系。圖4-1是TMCP工藝后鋼板金相組織。

      圖4-1 Q550D軋態組織

      由組織可看出,鋼板組織為貝氏體和少量鐵素體,晶粒尺寸細小,由于冷速快,依稀可見原始奧氏體晶界。

      為了研究回火溫度對力學性能的影響,對軋態鋼板取樣,分別進行450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、800℃、850℃,保溫30min回火試驗,對回火后鋼板進行力學性能和沖擊性能檢驗,在光學顯微鏡下觀察金相組織。圖4-2、圖4-3 分別為回火溫度對力學性能和沖擊性能的影響。

      圖4-2回火溫度對力學性能的影響

      從圖4-2可以看出,隨著回火溫度的升高,屈服強度整體呈現出先上升再下降的過程:其中,550℃之前緩慢上升,550℃到650℃之間顯著上升,650℃以后逐漸下降,在650℃時屈服強度達到610MPa。主要是因為在回火過程中,會有各種碳化物的析出,,550℃之前碳化物析出緩慢,超過600℃后,碳化物析出加快,加上軋制過程中的大量形變位錯被保留下來,由于位錯密度高,碳化物形核率高,導致析出的碳化物細小,屈服強度顯著提高。超過700℃后,已經開始組織轉變,強度自然迅速下降。

      抗拉強度整體呈現下降的趨勢,但下降緩慢,回火溫度每升高50℃,抗拉強度只下降5-10Mpa,抗回火性能良好,這是TMCP+T工藝的一個顯著特點。延伸率在500℃后呈現出逐步上升的趨勢,650℃時達到17%。

      圖4-3回火溫度對沖擊功的影響

      由圖4-3可看出,隨著溫度的升高,沖擊功呈現升高下降再升高的趨勢,在650℃時達到258J,遠遠大于標準規定的47J。圖4-4為不同回火溫度后鋼板金相組織。

      (a) 550℃+30min

      (b) 650℃+30min

      (c) 850℃+30min

      圖4-4不同回火溫度后鋼板金相組織

      綜上所述,Q550D鋼板在650℃左右回火,保溫30min可達到強度、塑性和韌性的良好匹配,完全滿足標準和用戶要求。

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