CN101126119A - 大型港机用30Mn280轨道方钢冷拉形变时效热处理工艺 - Google Patents

大型港机用30Mn280轨道方钢冷拉形变时效热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大型港机用30Mn280轨道方钢冷拉形变时效热处理工艺，首先，将热轧方钢坯采用连续式炉正火热处理，正火热处理温度860－880℃，保温时间40分钟±5分钟，空冷至室温，然后，第一道冷拉，延伸系数μ控制在1.04－1.05，再第二道连拉至80*80成品尺寸时进行时效热处理，总延伸系数μ控制在1.09－1.1，时效热处理温度400－450℃，保温时间90分钟±10分钟，空冷。本发明工艺既能满足轨道方钢要求具有很高的强度指标、硬度和耐磨性能，又具有良好塑性指标A5，Ψ的良好的综合力学性能，还能满足轨道方钢较高的尺寸精度和表面质量要求。

Description

大型港机用30Mn280轨道方钢冷拉形变时效热处理工艺
技术领域
本发明涉及一种集装箱起重港口设备用轨道方钢，尤其是涉及一种大型港机用30Mn280轨道方钢的冷拉形变时效热处理新工艺。属轧钢热处理复合技术领域。
背景技术
大型港口机械设备，其30Mn280轨道方钢是主要承受移动吊车全部重量的关键部件之一。吊运负荷要通过轨道方钢传递到大型钢结构上再传递到地面，为了长期平稳的运行，轨道方钢应有精确的尺寸，具有良好的综合力学性能和耐磨性能，36m长的轨道由数支方钢焊接成整体轨道，还应具有良好的焊接工艺性能，以满足焊接接头的强度要求。轨道方钢其碳含量较低，锰钢具有较好的焊接工艺性能。为具有良好耐磨性能，技术条件规定硬度不小于HB220。采用冷拉工艺能够得到较高的尺寸精度和表面质量。为达到硬度要求，如采用Q+T工艺，由于加热温度高，淬火加回火，表面会氧化、淬火应力大造成变形，使轨道方钢达不到尺寸精度的要求，表面质量下降。
以下为30Mn280轨道方钢的使用要求及技术条件：
一、化学成份(见表一)
  化学成份％
  c   Mn   Si   S   P
  0.27-0.34   1.4-1.8   0.17-0.37   ≤0.035   ≤0.035
表一、轨道方钢化学成份表
二、尺寸允许偏差
A             80mm  0 +1.0mm同一组批产品偏差不大于0.2mm
r             3-4mm
弯曲度        不大于1mm/2m
波浪度        不大于±1mm/2m
扭曲          不大于1mm/m
三、硬度要求，表面硬度不小于HB220。
四、低倍组织
轨道方钢一般疏松、中心疏松、偏析均不大于二级，不允许有缩孔残余、气泡、裂纹、翻皮、夹杂和白点存在。
五、表面质量
方钢表面应洁净、无氧化膜，不允许有裂缝、折叠、结疤、夹杂存在，允许少量拉痕刮伤凹坑存在，其深度应不大于0.08mm。
六、方钢坯应采用经过精炼的优质钢材，其含O2量＜15PPM，确保轨道方钢具有良好的综合力学性能。适合长时间重负荷的工作，吊车起重负荷都要经轨道方钢再传递到钢结构和地面。所以要求具有良好的综合力学性能。既有高的强度，又具有良好的塑性性能。
七、轨道方钢长时间重负荷承受滚轮的磨擦，吊车车轮长期在轨道上运行，必须具良好的耐磨性能，保持轨道方钢的尺寸精度，使吊车平稳运行确保吊车的安全性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种既能满足轨道方钢要求具有很高的强度指标、硬度和耐磨性能，又具有良好塑性指标A5，Ψ的良好的综合力学性能，还能满足轨道方钢较高的尺寸精度和表面质量要求的大型港机用30Mn280轨道方钢冷拉形变时效热处理工艺。
本发明的目的是这样实现的：一种大型港机用30Mn280轨道方钢冷拉形变时效热处理工艺，其特征在于：首先，将热轧方钢坯采用连续式炉正火热处理，正火热处理温度860-880℃，保温时间40分钟±5分钟，空冷至室温，然后，第一道冷拉，延伸系数μ控制在1.04-1.05，再第二道连拉至80*80成品尺寸时进行时效热处理，总延伸系数μ控制在1.09-1.1，时效热处理温度400-450℃，保温时间90分钟±10分钟，空冷。
本发明通过反复试验分析采用冷拉形变时效热处理新工艺，它把冷拉形变强化和时效强化叠加在一起试验强化的组合方式，研究确定获得良好的硬度效果、耐磨性能和综合力学性能的工艺参数，新工艺其时效温度较低，无氧化皮产生，保持良好的表面质量，不会改变冷拉的尺寸精度。使工件强化，提高硬度和耐磨性能，成品平均硬度HB238完全符合技术条件硬度不小于HB220的要求。同时具有良好的综合力学性能。使轨道方钢符合重负荷长时期的工况要求。
附图说明
图1为本发明30Mn280轨道方钢的生产工艺流程图。
图2为本发明30Mn280冷拉形变硬化曲线。
图3为本发明30Mn280时效温度硬化曲线。
图4为本发明30Mn280冷拉形变时效热处理工艺曲线。
具体实施方式
参见图1，本发明为一种大型港机用30Mn280轨道方钢冷拉形变时效热处理工艺，首先，将热轧方钢坯采用连续式炉正火热处理，正火热处理温度860-880℃，保温时间40分钟±5分钟，空冷至室温，然后，第一道冷拉，延伸系数μ控制在1.04-1.05，再第二道连拉至80*80成品尺寸时进行时效热处理，总延伸系数μ控制在1.09-1.1，时效热处理温度400-450℃，保温时间90分钟±10分钟，空冷。具体论述如下。
1、热轧方钢坯的磨修
磨修是保证轨道方钢表面质量的关键工序之一。热轧方钢表面的裂纹、翘皮、凹坑等缺陷应全部磨修清除，如果这些缺陷进入冷拉工序造成裂缝等缺陷的延伸，扩大、拉毛使冷拉方钢的表面质量下降，成材率下降，并加大成品磨修的工作量，使工模具消耗上升。
2、正火热处理
a、热轧方钢坯料，轧制过程中冷却过程中温度的波动造成晶粒度不均匀，热轧组织硬度较高，直接冷拉，变形困难容易发生拉裂拉毛等缺陷，工模具消耗增加。第一道工序必须先进行热处理，细化晶粒，均匀组织，提高塑性为成品的综合力学性能准备基础条件。
b、原退火工艺。热轧方钢坯室状炉退火，工艺温度800℃，保温4h并随炉冷却，平均硬度HB175，加热温度处于二相区组织未完全奥氏体化，不能有效细化晶粒。提高材料的综合力学性能，室状炉加热要达到炉内温度均匀，加热时间一般较长，氧化较重，退火后平均硬度较低HB175。
c、正火工艺。连续式炉正火热处理同室状炉退火对比有以下特点：
正火加热温度在AC3以上，860-880℃加热保温，方钢坯完全奥氏体化，冷却后能有效细化晶粒，提高材料的综合力学性能。
正火热处理加热时间短(与室状炉退火对比)，节约燃料，减少表面氧化。
正火热处理后，方钢坯平均硬度HB190比原室状炉退火提高15个HB硬度值。在此基础硬度上经冷拉硬度可相应得到提高。
3、冷拉方钢工艺
根据工艺装备条件综合考虑确定冷拉工艺(见表二)
序号 尺寸 工序 延伸μ   平均硬度HB
  正火态   退火态
  1   83.5*83.5   正火或退火 /   190   175
  2   82*82   冷拉 1.04   208   193
  3   80*80   连拉 1.05   215   200
  4   80*80   时效热处理 /   240   /
表二方钢正火态与退火态各道工序硬度对照表
热轧方钢坯83.5*83.5经正火(退火)，磨修酸洗润滑冷拉至82*82，其延伸系数μ＝1.04，再润滑连续冷拉至80*80，延伸系数μ＝1.04，总延伸系数μ＝1.09。
冷拉方钢形变冷加工硬化(见图2)，通过第一道冷拉μ＝1.04，平均硬度提高18个HB硬度值。通过第二道连拉μ＝1.05总延伸μ＝1.09。冷加工硬化积累其平均硬度提高7～8个HB硬度值。经二道连拉平均硬度值共提高了25个HB硬度值。
从冷拉工艺过程中原始状态，正火态与退火态经冷加工硬化后，由于基础硬度的差别，冷拉后正火态对比退火态，平均硬度值高15个HB硬度值。说明无论从硬化效果，晶粒度，均匀细化效果、节能等各因素考虑，正火态作为冷拉前的预处理是合理的。
4、冷拉形变热处理工艺分析
这个工艺是把冷拉的加工强化同时效热处理硬化叠加起来的新工艺方法，冷拉晶粒滑移伸长位错密度增加形成加工硬化。时效处理中，变形的晶粒形成多边化的亚结构，通过冷拉形变及时效处理，提高了方钢的综合力学性能，提高了硬度，材料的屈强比也从0.65提高到0.90。表三列出了不同工艺状态下力学性能强度、塑性、硬度的对比。
工艺状态   力学性能 屈强比
  RmMP   ReHMP   A5％   硬度HB
正火状态   680   448   29.6   184   0.66
  660   432   28.2   191   0.65
冷连拉状态   869   677   19.8   211   0.78
  897   738   18.6   217   0.82
冷拉形变时效状态   840   779   20.4   241   0.92
  830   740   17.9   236   0.89
表三方钢不同工艺状态性能对比表
这个工艺的特点是时效热处理温度较低，不会发生氧化，从而保证了轨道方钢的表面质量和尺寸精度。
冷拉形变时效从表三可以看出能有效强化方钢的力学性能，使强度、硬度得到有效的提高，从而提高了耐磨性能。同时，塑性指标延伸率A5冷连拉状态与成品时效热处理状态基本相同，延伸率平均为19.2％都达到较高的水平。冷拉形变时效热处理新工艺能够获得优良的强度和塑性性能，具有良好的综合力学性能。
冷拉形变时效热处理工艺参数，时效温度的确定，图3显示了不同时效温度下不同形变量的时效处理硬化对比曲线。
从图3看到当30Mn2轨道方钢正火态形变为0时，时效热处理后硬度基本不变；而当形变量为9％，时效温度变化，硬化效果随之变化，从0-500℃硬化增加；500-600℃，时效硬化减小。可以确定，400-450℃时效温度硬化效果稳定良好，在形变9％状态平均硬度可提高25个HB硬度值，超过500℃时效硬化效果迅速下降。
冷拉形变时效热处理还与形变量有关系。从图2显示延伸系数μ＝1.04冷加工硬化小；延伸系数μ＝1.09时，冷加工硬化增加，时效处理后硬度也高。时效热处理的工艺按排应按排在连拉到80*80成品尺寸时进行。因为，第一道冷拉后时效处理方钢硬度升高，不利于第二道连拉的进行，拉力增加，应力增加，工模具容易损坏。成品方钢80*80进行时效硬化效果更好。
冷拉形变时效热处理工艺曲线如图4。
成品质量分析：
1、成品硬度
a、冷拉形变时效热处理成品硬度(随机)и＝12
HB    256  231  237  256  223  245
      226  233  238  235  241  231
硬度平均值HB238。
b、室状炉退火冷连拉成品硬度(随机)и＝12
HB 201  199  209  198  201  207
209  198   204  190  192  207
硬度平均值HB201。
冷拉形变时效热处理新工艺比一般生产连拉工艺平均硬度提高37个HB硬度值，符合技术条件，硬度不小于HB220的要求。
2、良好的综合力学性能。现将国标GBT3077调质工艺标准数据同冷拉形变时效热处理新工艺对比(见表四)
  项目   RmMP   ReHMPa   A5％   Ψ％   HB
新工艺   848   779   20.4   56.3   241
  830   740   17.9   57.6   236
  GB/T3077-1999   785   635   12   45   ≤207
表四综合力学性能对照比
冷拉形变时效热处理方钢综合力学性同国标GB/T3077-1999调质性能对比，可以看出新工艺的强度、屈服、硬度均比国标值高，抗拉强度提高7％，屈服强度提高20％，硬度提高15％，同时塑性指标延伸率，断面收缩率也得到明显提高。延伸率A5比国标提高60％，断面收缩率提高26％。
新工艺的强度硬度得到提高，同时A5，Ψ，塑性指标也得到明显提高，具有良好的综合力学性能。
3、良好的表面质量和尺寸精度
加强原材料的质量控制采用精炼的优质钢材，加强方钢坯的磨修。时效温度较低表面无氧化，保持了冷拉的精确尺寸和表面质量。生产中统计表明凡经过方钢坯磨修的成品轨道方钢均获得良好的表面质量和尺寸精度。
结论：
1、冷拉形变时效热处理新工艺在大型港机轨道方钢上的应用，成功解决了材料获得良好综合力学性能、硬度、尺寸精度、表面质量满足了轨道方钢严格的技术条件。
2、港口大吊车用轨道方钢采用冷拉形变时效热处理新工艺的工艺流程设计合理，工艺参数稳定，成品质量数据稳定，实际使用效果良好。
3、严格控制钢坯质量，控制冷拉形变时效工艺参数是保证轨道方钢的表面质量和内在质量的关键，能有效提高轨道方钢的综合力学性能，耐磨性能成材率和表面质量。

Claims (2)

1.一种大型港机用30Mn280轨道方钢冷拉形变时效热处理工艺，其特征在于：首先，将热轧方钢坯采用连续式炉正火热处理，正火热处理温度860-880℃，保温时间40分钟±5分钟，空冷至室温，然后，第一道冷拉，延伸系数μ控制在1.04-1.05，再第二道连拉至80*80成品尺寸时进行时效热处理，总延伸系数μ控制在1.09-1.1，时效热处理温度400-450℃，保温时间90分钟±10分钟，空冷。
2.根据权利要求1所述的一种大型港机用30Mn280轨道方钢冷拉形变时效热处理工艺，其特征在于：首先，将83.5mm*83.5mm热轧方钢坯采用连续式炉正火热处理，正火热处理温度860-880℃，保温时间40分钟±5分钟，空冷至室温，然后，第一道冷拉至82mm*82mm，再第二道连拉至80*80成品尺寸时进行时效热处理，时效热处理温度400-450℃，保温时间90分钟±10分钟，空冷。
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