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钢铁宽厚板热处理工艺介绍

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1、背景简介

随着中国工业技术水平的不断发展和提高,在造船业、机械加工业、煤炭综采、矿山机械、石油化工、桥梁建筑等行业对宽厚板的总体需求量增加的同时,对高等级高强度钢板的需求也不断增加。近年来,国内钢铁企业越来越重视高附加值、高技术含量产品的投入和生产,尤其是在目前钢铁行业处于低迷状态下,高附加值产品的优势体现更加明显。越来越多的宽厚板生产线均配置了相关热处理设备,并采用热处理技术来生产高技术含量、高附加值、高市场容量的宽厚板产品。对全国宽厚板产品结构调整,提升产品市场竞争力具有重要意义。

虽然我国中厚板生产线的装备水平有了很大的提高,特别是近几年我国又新建了不少现代化的中厚板生产线,采用了控制轧制和控制冷却技术,也能生产一些高附加值的钢板,在一定程度上可以代替热处理,但是一些高强度的钢板如低温压力容器板、电厂锅炉板、工程机械用钢板,耐磨钢板等在标准中明确规定必须以热处理状态交货,这就要求我们必须对宽厚板的热处理进行研究。

2、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形成复杂碳化物并在钢中弥散析出时,可起到弥散强化作用。但是Cr在钢中起强化作用的同时亦使塑性有所降低,并增加回火脆性。

就调质钢而言,Mo含量的增加,材料的强度、塑性和低温冲击韧性均有较大提高。由于Mo固溶于铁素体和奥氏体时,可使钢的C曲线右移,从而显著提高钢的淬透性,而且Mo能显著提高钢的再结晶温度,提高回火稳定性,调质后可获得细晶粒的索氏体,使强韧性得到改善。当形成Mo的碳化物时,可起到弥散强化作用。当Mo含量较低时(<0.30%),主要以固溶强化、提高淬透性和回火稳定性为主。

Ni可提高调质钢的淬透性,并能改善钢在低温下的韧性,使韧脆转变温度下降。随Ni含量的增加,材料的强度和塑性均有提高,特别对低温冲击韧性提高幅度比较大。这是由于Ni在钢中只形成固溶体,而且固溶强化作用不明显,而主要是通过在塑性变形时增加晶格滑移面来提高材料塑性

微量B能使钢的淬透性显著提高。目前较为一致的看法是奥氏体在淬火冷却过程中硼原子偏聚于晶界上,降低晶界能,抑制了铁素体的形核,推迟铁素体的形成,同时晶界上的硼原子也阻滞晶界原子的扩散,使铁素体在晶界上扩散形核减缓,从而增加淬透性。

3、 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%。

3. 1 正火

正火(Normalizing )也叫常化或正常化,是将钢材或钢件加热到Ac3(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。

3. 2 调质(淬火+高温回火)

淬火(Quenching )是把钢加热到临界点Ac1Ac3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。因此,一条现代化的调质钢板生产线对于提高中厚钢板厂的产品档次是不可或缺的。

调质代表钢种有油罐钢SPV490Q、14MnNbq、军工板921、模具钢P20等。目前,调质热处理线都是采用辊底式炉快速出炉后面配套辊压式淬火机。

3. 3 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。

3. 4 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。

3. 5 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。

3. 6 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。

4、 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4-1 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学性能的影响,对轧态钢板取样,分别进行450℃500℃550℃600℃650℃700℃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4-2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4-3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

4-4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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