1、背景簡(jiǎn)介
隨著中國(guó)工業(yè)技術(shù)水平的不斷發(fā)展和提高，在造船業(yè)、機(jī)械加工業(yè)、煤炭綜采、礦山機(jī)械、石油化工、橋梁建筑等行業(yè)對(duì)寬厚板的總體需求量增加的同時(shí)，對(duì)高等級(jí)高強(qiáng)度鋼板的需求也不斷增加。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)越來(lái)越重視高附加值、高技術(shù)含量產(chǎn)品的投入和生產(chǎn)，尤其是在目前鋼鐵行業(yè)處于低迷狀態(tài)下，高附加值產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)更加明顯。越來(lái)越多的寬厚板生產(chǎn)線均配置了相關(guān)熱處理設(shè)備，并采用熱處理技術(shù)來(lái)生產(chǎn)高技術(shù)含量、高附加值、高市場(chǎng)容量的寬厚板產(chǎn)品。對(duì)全國(guó)寬厚板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，提升產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。
雖然我國(guó)中厚板生產(chǎn)線的裝備水平有了很大的提高，特別是近幾年我國(guó)又新建了不少現(xiàn)代化的中厚板生產(chǎn)線，采用了控制軋制和控制冷卻技術(shù)，也能生產(chǎn)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(qiáng)度的鋼板如低溫壓力容器板、電廠鍋爐板、工程機(jī)械用鋼板，耐磨鋼板等在標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定必須以熱處理狀態(tài)交貨，這就要求我們必須對(duì)寬厚板的熱處理進(jìn)行研究。
2、主要合金元素對(duì)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(qiáng)度、淬硬性和焊接性能。含碳量高，硬度高，但韌性差，熱處理開(kāi)裂傾向大，焊接性較差；含碳量過(guò)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(tài)存在于鐵素體或奧氏體中。Si提高鋼中固溶體的強(qiáng)度；但Si含量過(guò)高，鋼的過(guò)熱敏感性大。
Mn是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，隨其含量的增加，不但降低共析溫度，還降低共析點(diǎn)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(xì)化，而且數(shù)量亦增多．從而導(dǎo)致鋼的強(qiáng)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(guò)熱敏感性，晶粒易粗大；另外，還增大回火脆性。
Cr含量對(duì)材料的強(qiáng)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(shí)，可提高鋼的淬透性。當(dāng)Cr與C形成復(fù)雜碳化物并在鋼中彌散析出時(shí)，可起到彌散強(qiáng)化作用。但是Cr在鋼中起強(qiáng)化作用的同時(shí)亦使塑性有所降低，并增加回火脆性。
就調(diào)質(zhì)鋼而言，Mo含量的增加，材料的強(qiáng)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(shí)，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(jié)晶溫度，提高回火穩(wěn)定性，調(diào)質(zhì)后可獲得細(xì)晶粒的索氏體，使強(qiáng)韌性得到改善。當(dāng)形成Mo的碳化物時(shí)，可起到彌散強(qiáng)化作用。當(dāng)Mo含量較低時(shí)(<0.30%)，主要以固溶強(qiáng)化、提高淬透性和回火穩(wěn)定性為主。
Ni可提高調(diào)質(zhì)鋼的淬透性，并能改善鋼在低溫下的韌性，使韌脆轉(zhuǎn)變溫度下降。隨Ni含量的增加，材料的強(qiáng)度和塑性均有提高，特別對(duì)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(qiáng)化作用不明顯，而主要是通過(guò)在塑性變形時(shí)增加晶格滑移面來(lái)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(guò)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(shí)晶界上的硼原子也阻滯晶界原子的擴(kuò)散，使鐵素體在晶界上擴(kuò)散形核減緩，從而增加淬透性。
3、 寬厚板熱處理工藝簡(jiǎn)介
熱處理是通過(guò)不同的加熱制度、保溫時(shí)間、及冷卻速度，使鋼的成分與組織發(fā)生擴(kuò)散、再結(jié)晶的變化，也可促進(jìn)或阻止其組織與成分的轉(zhuǎn)變、析出，以期達(dá)到所要求的組織和性能。
鋼板熱處理的目的是提高鋼板強(qiáng)度、改善韌性與焊接性、清除內(nèi)應(yīng)力、防止白點(diǎn)、降低脆性與表面硬度。熱軋性能不穩(wěn)時(shí)，熱處理還可調(diào)整其性能，挽救性能不合格所造成的損失。熱處理不當(dāng)會(huì)造成鋼板下表面劃傷，冷卻不勻會(huì)引起鋼板變形及淬火鋼板的不平直。另外，還會(huì)增加能耗、提高成本費(fèi)用等。
中厚鋼板熱處理的主要方式有正火(常化)、調(diào)質(zhì)(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(chǎn)品的70％左右；其次是調(diào)質(zhì)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，是將鋼材或鋼件加熱到Ac3(或Accm)以上適當(dāng)溫度，保溫適當(dāng)時(shí)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(chǎn)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(chǎn)物等亞共析鋼組織缺陷)通過(guò)重結(jié)晶、均勻化組織予以改善(對(duì)低碳鋼為細(xì)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(xué)性能和工藝性能。
正火可以作為預(yù)備熱處理，也可以作為最終熱處理。對(duì)機(jī)加工零件的結(jié)構(gòu)鋼來(lái)說(shuō)，正火多半作為預(yù)備熱處理，為隨后的切削加工和最終熱處理做組織準(zhǔn)備；對(duì)低碳低合金鋼板來(lái)說(shuō)，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(xué)性能和工藝性能。
鋼板正火處理后晶粒細(xì)、碳化物分布均勻，力學(xué)性能良好。正火工藝可使目前普遍應(yīng)用的以Nb、V、Ti等強(qiáng)碳氮化物形成元素的低(微)合金高強(qiáng)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(shí)，往往降低鋼的強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度一般降低20～50MPa，對(duì)于控軋控冷鋼板嚴(yán)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(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)不同于一般控軋控冷鋼板，可適當(dāng)增加C、Mn等固溶強(qiáng)化元素以提高強(qiáng)度(注意碳當(dāng)量指標(biāo)不要過(guò)但這兩項(xiàng)指標(biāo)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(huì)有大幅提高。
3. 2 調(diào)質(zhì)(淬火+高溫回火)
淬火（Quenching ）是把鋼加熱到臨界點(diǎn)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(wěn)狀態(tài)的馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝方法。目的：提高強(qiáng)度、硬度、耐磨性。
淬火后的鋼隨著溫度的升高，其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生馬氏體的分解、殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變、碳化物的轉(zhuǎn)變、α相狀態(tài)的變化及碳化物的聚集長(zhǎng)大等一系列過(guò)程，稱為回火(Tempering )。回火按溫度分為低溫回火、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(yīng)力，提高韌性和塑性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合。
調(diào)質(zhì)即淬火+高溫回火，近年來(lái)，超級(jí)鋼、超低碳貝氏體鋼等生產(chǎn)技術(shù)蓬勃發(fā)展，許多傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理生產(chǎn)的屈服強(qiáng)度450MPa以上的鋼板利用超細(xì)晶等技術(shù)已經(jīng)可以生產(chǎn)，但對(duì)于壓力容器、石油儲(chǔ)罐、橋梁、軍工等重要結(jié)構(gòu)鋼板，很多標(biāo)準(zhǔn)和用戶還是要求鋼板以調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨。因此，一條現(xiàn)代化的調(diào)質(zhì)鋼板生產(chǎn)線對(duì)于提高中厚鋼板廠的產(chǎn)品檔次是不可或缺的。
調(diào)質(zhì)代表鋼種有油罐鋼SPV490Q、14MnNbq、軍工板921、模具鋼P(yáng)20等。目前，調(diào)質(zhì)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(jī)。
3. 3 正火+控冷(+回火)
常化爐除處理“雙高”產(chǎn)品外，另一大作用是挽救很多熱軋后延伸或沖擊不合產(chǎn)品，減少改判率。但隨之而來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是一些延伸、沖擊不合需挽救的產(chǎn)品本身強(qiáng)度富裕量小，容易導(dǎo)致處理后強(qiáng)度反而不合。這除了在正火溫度、時(shí)間上可以做一些調(diào)整外，還可以應(yīng)用正火+控冷(+回火)工藝。
為防止很多鋼板正火后強(qiáng)度大幅降低，目前國(guó)內(nèi)武鋼、舞鋼、重鋼、太鋼等都開(kāi)發(fā)了正火+控制冷卻的工藝，利用爐后淬火機(jī)或簡(jiǎn)易水冷設(shè)施等進(jìn)行正火后弱水冷(水霧等)的工藝，可較好地彌補(bǔ)鋼板的強(qiáng)度損失，依據(jù)太鋼經(jīng)驗(yàn)，鋼板強(qiáng)度可提高10MPa。對(duì)于控制冷卻后鋼板性能波動(dòng)較大的鋼種或ASTM (美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì))中規(guī)定正火后加速冷卻必須回火的鋼種還可應(yīng)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(duì)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(shù)是20世紀(jì)90年代以來(lái)發(fā)展的新技術(shù)。利用軋后的直接淬火設(shè)施(30mm以下較容易)實(shí)施鋼板在線直接淬火，然后進(jìn)行離線的回火處理，可大大節(jié)約熱處理成本。目前在生產(chǎn)高強(qiáng)度低碳貝氏體鋼、油罐鋼等鋼種時(shí)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(tài)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(xì)小，由于冷速快，依稀可見(jiàn)原始奧氏體晶界。
為了研究回火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響，對(duì)軋態(tài)鋼板取樣，分別進(jìn)行450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、800℃、850℃，保溫30min回火試驗(yàn)，對(duì)回火后鋼板進(jìn)行力學(xué)性能和沖擊性能檢驗(yàn)，在光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織。圖4-2、圖4-3 分別為回火溫度對(duì)力學(xué)性能和沖擊性能的影響。
圖4-2回火溫度對(duì)力學(xué)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(qiáng)度整體呈現(xiàn)出先上升再下降的過(guò)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(shí)屈服強(qiáng)度達(dá)到610MPa。主要是因?yàn)樵诨鼗疬^(guò)程中，會(huì)有各種碳化物的析出，，550℃之前碳化物析出緩慢，超過(guò)600℃后，碳化物析出加快，加上軋制過(guò)程中的大量形變位錯(cuò)被保留下來(lái)，由于位錯(cuò)密度高，碳化物形核率高，導(dǎo)致析出的碳化物細(xì)小，屈服強(qiáng)度顯著提高。超過(guò)700℃后，已經(jīng)開(kāi)始組織轉(zhuǎn)變，強(qiáng)度自然迅速下降。
抗拉強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但下降緩慢，回火溫度每升高50℃，抗拉強(qiáng)度只下降5-10Mpa，抗回火性能良好，這是TMCP＋T工藝的一個(gè)顯著特點(diǎn)。延伸率在500℃后呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢(shì)，650℃時(shí)達(dá)到17％。
圖4-3回火溫度對(duì)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(xiàn)升高下降再升高的趨勢(shì)，在650℃時(shí)達(dá)到258J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(dá)到強(qiáng)度、塑性和韌性的良好匹配，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求。
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