CN101503757A - 改善含铌低碳钢焊缝金属组织与综合性能的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料热处理技术领域，具体为一种改善含铌低碳钢焊缝金属组织与综合性能的热处理工艺，可使含Nb低碳钢焊缝金属获得均匀细小的铁素体和珠光体组织，以及良好的综合力学性能。将含Nb低碳钢焊缝金属随炉快速加热到Ac3+(20～70)℃，保温1.5小时～4小时完全奥氏体化后空冷，完成奥氏体向铁素体和珠光体的转变。正火处理通过细化晶粒和调整析出相的方法来实现综合力学性能的最佳化，即较高强度与较好韧塑性的组合。按本发明的正火工艺对含Nb焊缝金属进行正火处理，其综合机械性能得到明显改善，屈服强度σ0.2大于310MPa，抗拉强度σb大于500MPa，延伸率A大于34％，－20℃下标准冲击功AKv大于200J，可以用来制造要求具有较高冲击性能的零部件。
Description
技术领域
本发明属于金属材料热处理技术领域，具体为一种改善含铌(Nb)低碳钢焊缝金属组织与综合性能的热处理工艺，可使含Nb低碳钢焊缝金属获得均匀细小的铁素体和珠光体组织，以及良好的综合力学性能。
背景技术
低碳钢通过单独或复合加入微合金元素Nb、V或Ti可达到提高钢材力学性能的目的。这些微合金元素所具有的重要特性之一，就是在一定加热温度下可以固溶，而在热加工和冷却过程中，随着温度的降低又能以碳氮化物的形式析出，通过控制其析出行为，可以对钢的显微组织和机械性能产生较大的影响。在微合金钢中，由于微合金元素的加入，从而使抑制晶粒长大的方式得以实现，并成为微合金钢中最重要的细化晶粒方法之一。
目前，Nb被广泛应用在微合金钢的生产过程中，其同时具有细化晶粒和弥散强化的作用，是提高钢材强韧性最为有效的合金元素之一。对含Nb钢的研究主要集中在不同变形及冷却条件下，Nb的析出行为及其对钢材组织及性能的影响，但是关于不同焊后热处理条件下，Nb的存在形式，及其对焊缝金属组织和性能的影响还缺乏深入的了解。
对于含Nb的低碳钢焊缝金属，焊态下由于冷却速度较快，焊缝中的Nb来不及析出将固溶于基体中，起到固溶强化的作用，当对焊缝金属进行焊后去应力退火后，焊缝金属中的Nb将与C结合形成NbC析出相，但由于去应力退火的温度较低，焊缝金属中并未发生相变，因此所析出的NbC颗粒不但没有起到细化晶粒，提高焊缝金属塑性和韧性的作用，这些析出相的出现反而破坏了基体的连续性，显著恶化了焊缝金属的塑性和韧性，因此对于在要求具有较高塑性和韧性条件下使用的含Nb焊缝金属有必要对其进行正火处理以提高含Nb低碳钢焊缝金属综合性能。目前，还未见关于改善含Nb低碳钢焊缝金属组织与综合性能的热处理工艺的相关报道。
发明内容
本发明的目的是针对焊态下含Nb焊缝金属塑性和韧性较低，不能满足在要求具有较高塑性和韧性条件下使用的问题，提供一种改善含Nb低碳钢焊缝金属组织与综合性能的热处理工艺，扩大含Nb焊接材料的使用范围。
为实现本发明目的，本发明的技术方案为：
一种改善含铌低碳钢焊缝金属组织与综合性能的热处理工艺，将含Nb低碳钢焊缝金属随炉快速加热到奥氏体化温度保温一段时间后，焊缝中的焊态组织将发生完全奥氏体化，而且焊缝金属中的NbC析出相在保温过程中会阻止奥氏体晶粒长大，在随后的冷却过程中NbC析出相又会作为铁素体的核心而增大铁素体的形核率，最终得到细化的焊缝金属组织，并改善了焊缝金属的综合性能。
所述改善含Nb低碳钢焊缝金属组织与综合性能的热处理工艺，包括以下工艺步骤：将含Nb低碳钢焊缝金属随炉快速加热到Ac3+(20～70)℃保温一段时间后冷却至室温；
含Nb低碳钢焊缝金属随炉加热时的加热速率不小于1℃/min，优选范围为1～10℃/min；
所述保温时间为1.5小时～4小时；
冷却时在空气中冷却至室温，冷却速度保证不小于2℃/min，优选范围为2～16℃/min，以得到均匀细小的铁素体和珠光体组织。
本发明中，Ac3是指完全奥氏体化温度。
本发明的原理如下：
本发明采用焊后进行正火处理，通过调整正火工艺的温度和时间，使焊缝金属内的组织转变为较为细小的等轴铁素体与少量珠光体的混合组织，提高焊缝金属强度和韧塑性。将含Nb低碳钢焊缝金属随炉快速加热到Ac3+(20～70)℃，保温1.5小时～4小时完全奥氏体化后空冷，完成奥氏体向铁素体和珠光体的转变。正火处理通过细化晶粒和调整析出相的方法来实现综合力学性能的最佳化，即较高强度与较好韧塑性的组合。按本发明的正火工艺对含Nb焊缝金属进行正火处理，其综合机械性能得到明显改善，屈服强度σ0.2大于310MPa，抗拉强度σb大于500MPa，延伸率A大于34％，-20℃下标准冲击功AKv大于200J，可以用来制造要求具有较高冲击性能的零部件。
本发明所具有以下优点：
1、本发明从控制焊缝金属焊后不同热处理工艺出发，通过改变焊缝金属组织和析出相大小及析出温度，来调整焊缝金属强度和韧塑性。根据含Nb低碳钢焊缝金属不同温度及保温时间条件下微观组织演变特征，通过选择合适的热处理工艺，获得了均匀细小的铁素体和珠光体组织，以及良好的综合力学性能。
2、本发明所有采用的热处理工艺参数均可以实现工业应用。
3、本发明可以显著提高含Nb焊缝金属的塑性和韧性，进一步提高了含Nb焊缝金属的安全可靠性，扩大含Nb焊接材料的使用范围。
附图说明：
图1为本发明含Nb低碳钢焊缝金属的正火热处理工艺示意图。
图2为实施例1的焊缝金相组织。
图3为实施例2的焊缝金相组织。
图4为比较例1的焊缝金相组织。
图5为比较例2的焊缝金相组织。
图6为比较例3的焊缝金相组织。
图7为比较例4的焊缝金相组织。
图8为比较例5的焊缝金相组织。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但不够成对本发明的任何限制。
本发明所使用的热处理设备无特殊要求，普通电阻炉即可。本发明中含Nb低碳钢焊缝金属的化学成分见表1。经测试，试棒成分的Ac3为880℃。试棒焊缝金属使用富氩基二氧化碳焊方法焊得，焊接试验条件见表2，母材为S355J2G3钢。
表1 含Nb低碳钢焊缝金属的化学成分(质量分数，％)
| 元素 | C | Si | Mn | P | S | Nb | Fe |
| 成分规范 | 0.04～0.13 | 0.50～1.10 | 1.10～1.60 | ≤0.025 | ≤0.015 | 0.020～0.080 | 余量 |
| 试棒成分 | 0.078 | 0.70 | 1.38 | 0.009 | 0.008 | 0.048 | 余量 |
表2 以下实施例和比较例测试结果的焊接试验条件
上表中，tMAG/135的含义是熔化极活性气体保护焊。
实施例1：
热处理工艺：将含Nb低碳钢焊缝金属以4℃/min快速加热到920℃保温2小时后空冷(冷却速度一般为12℃/min左右)。焊缝金相组织见图2，性能测试数据见表3。
实施例2：
热处理工艺：将含Nb低碳钢焊缝金属以4℃/min快速加热到920℃保温3.5小时后空冷(冷却速度一般为12℃min左右)。焊缝金相组织见图3，性能测试数据见表3。
比较例1：
焊后未进行任何热处理，焊缝金相组织见图4，性能测试数据见表3。
比较例2：
焊后消应力热处理工艺：将含Nb低碳钢焊缝金属以3℃/min快速加热到590℃保温3小时后炉冷。焊缝金相组织见图5，性能测试数据见表3。
焊后进行590℃消应力处理，由于温度较低焊缝组织较焊态组织无明显变化，但焊缝金属的强度明显增高、韧塑性显著降低。
比较例3：
热处理工艺：将含Nb低碳钢焊缝金属以4℃/min快速加热到920℃保温0.5小时后空冷。焊缝金相组织见图6，性能测试数据见表3。
比较例4：
热处理工艺：将含Nb低碳钢焊缝金属以4℃/min快速加热到1020℃保温2小时后空冷。焊缝金相组织见图7，性能测试数据见表3。
比较例5：
热处理工艺：将含Nb低碳钢焊缝金属以4℃/min快速加热到1200℃保温2小时后空冷。焊缝金相组织见图8，性能测试数据见表3。
表3 实施例和比较例的试验测试结果：
| 实施例及试验项目 | 焊缝金属的屈服强度，MPa | 焊缝金属的抗拉强度，MPa | 焊缝金属的延伸率，％ | 焊缝金属-20℃时的冲击功AKv，J |
| 实施例1 | 320 | 505 | 34.5 | 206 |
| 实施例2 | 320 | 503 | 34.4 | 203 |
| 比较例1 | 505 | 640 | 27.0 | 46 |
| 比较例2 | 610 | 705 | 22.0 | 26 |
| 比较例3 | 315 | 505 | 34.5 | 173 |
| 比较例4 | 350 | 520 | 33.5 | 27 |
| 比较例5 | 480 | 635 | 28.0 | 8 |
从实施例1、2、比较例1-5、图2-8及表3可以看出：
采用本发明设计的含Nb低碳钢焊缝金属的热处理工艺，实施例1焊缝金属内的组织为较为细小的等轴铁素体与少量珠光体的混合组织，强度适中，塑性和韧性较高；实施例2的焊缝金属组织、强度、塑性及韧性均与实施例1相当。比较例1的焊缝金属组织为焊态下的柱晶组织，强度偏高，塑性和韧性偏低；比较例2的焊缝金属组织仍为焊态下的柱晶组织，强度很高，塑性和韧性很低；比较例3的焊缝金属组织为仍保留焊态下的柱晶组织取向，强度适中，塑性较高，韧性比实施例1低；比较例4的焊缝金属组织为铁素体、贝氏体和少量珠光体的混合组织，强度较高，塑性适中，韧性很低；比较例5的焊缝金属组织为贝氏体和铁素体的混合组织，强度很高，塑性和韧性很低。
Claims (4)
1、一种改善含铌低碳钢焊缝金属组织与综合性能的热处理工艺，其特征在于，包括以下工艺步骤：
将含Nb低碳钢焊缝金属随炉加热到Ac3+(20～70)℃保温，待焊缝金属完全奥氏体化后，冷却至室温。
2、根据权利要求1所述的改善含铌低碳钢焊缝金属组织与综合性能的热处理工艺，其特征在于，含Nb低碳钢焊缝金属随炉加热时的加热速率不小于1℃/min。
3、根据权利要求1所述的改善含铌低碳钢焊缝金属组织与综合性能的热处理工艺，其特征在于，含Nb低碳钢焊缝金属的保温时间为1.5小时～4小时。
4、根据权利要求1所述的改善含铌低碳钢焊缝金属组织与综合性能的热处理工艺，其特征在于，冷却时在空气中冷却至室温，冷却速度保证不小于2℃/min。
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