CN103627871A - 抑制和消除低合金耐热钢管中带状组织的热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供抑制和消除低合金耐热钢管中带状组织的热处理方法，该方法步骤有：对经过冶炼、轧制成低合金耐热钢管的管材取样，进行金相组织观察，并对带状组织进行评级；将热轧后的低合金耐热钢管进行机械加工，制成直径为3mm，长度为12mm的圆柱型试样，再将K型热电偶焊接在沿所述圆柱型试样长度方向的中心位置；然后以温度20～50℃/min的升温速度加热至880～910℃并保温8分钟确保圆柱型试样组织完全奥氏体化；通过喷射高速氮气将圆柱型试样以20～100℃/S的冷却速率冷却至温度600～750℃；将圆柱型试样进行空冷至室温。有益效果是采用该热处理方法，既保证了热处理后的组织为铁素体珠光体，又有效地消除热轧成型过程中所形成的带状组织，并没有大幅提高生产成本，是一种非常经济有效的处理方法。

Description

抑制和消除低合金耐热钢管中带状组织的热处理方法

技术领域

本发明属于低合金钢管的热轧生产技术领域，特别涉及一种抑制和消除低合金耐热钢管中带状组织的热处理方法。

背景技术

低合金钢经过热轧变形后，在冷却过程中极易形成带状组织。所谓的带状组织是指先共析铁素体和珠光体沿轧制方向，并以带状彼此堆叠的显微组织形态。带状组织的形成使钢材平行于轧制方向的性能与垂直于轧制方向的力学性能产生明显差异，即后者性能明显低于前者，因此带状组织被认为是一种有害组织，对于热轧钢中的带状组织需要进行严格的控制。低合金耐热如20G、SA-210Gr.C、15CrMo、12Cr1MoV等钢种经轧制变形后均发现存在不同程度的带状组织。

引起带状组织的形成的主要机制如下原因：首先，钢液在冷却过程中，会以枝晶形态凝固，由于合金元素在固相和液相中的分配系数不同，例如Mn、Cr、Mo等元素，而难以避免的会发生偏析，这就使得当钢液以枝晶生长的方式进行凝固时，合金元素在枝晶干和枝晶间区域的含量有着很大的差别，即合金元素在枝晶间区域富集，而在枝晶干区域发生贫化。

有研究结果表明带状组织与合金元素在凝固中的偏析有关。连铸钢材经过再次加热并经过轧制变形后，在合金元素富集的区域会沿轧制方向拉长并形成偏析带。在随后的冷却过程中合金元素的偏析会显著的影响过冷奥氏体的分解，需要指出的是Mn元素的偏析是引起铁素体和珠光体的带状组织形成的重要因素。众所周知，Mn会降低过冷奥氏体向铁素体的转变得温度A_r3，这样就会使得先共析铁素体优先在贫Mn区析出，即A_r3温度较高的区域，与此同时，C元素也会在在过冷奥氏体分解过程中发生再分布，即由Mn含量较低的区域向Mn含量较高的区域发生迁移，而此过程进一步加剧了贫Mn区和富Mn区的A_r3温度差异，使得铁素体沿着贫Mn区以条带状析出，随着过冷奥氏体的不断分解，最终导致条带状珠光体在富Mn区形成。

通过将钢材加热到奥氏体化温度以上进行均匀化保温处理可以减轻甚至消除合金元素的偏析，从而抑制带状组织的形成，然而有研究表明消除普通碳钢中90%的Mn元素偏析需要在1200℃保温26小时。

以上可以看出，由于合金元素缓慢的扩散速率，导致均匀化处理会大幅推高产品的生产成本，从而难以在在实际生产中得到推广和应用。除此之外，增大冷却速率也可以抑制带状组织形成。然而当冷却速率很高时，会使得过冷奥氏体转变成贝氏体或马氏体，虽然带状组织得以消除，但是改变了钢材预期所应得到的铁素体珠光体组织，为后续的机械加工，成型等工序带来较大的困难，因此冷却速率应该进行严格控制。为了既能有效地抑制带状组织的形成，又不改变钢材的铁素体珠光体组织和大幅提高生产成本的前提下，开发一种新的处理工艺来抑制低合金钢中带状组织的形成，具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的就是提供一种抑制和消除低合金耐热钢管中带状组织的热处理方法，采用有效的冷却工艺来抑制和消除经过热轧变形后所形成的铁素体珠光体带状组织，并避免过冷奥氏体由于冷速过快而发生贝氏体或马氏体转变，从而保证相应的金相组织和力学性能符合产品要求，并推进其在工业生产中的实际应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种抑制和消除低合金耐热钢管中带状组织的热处理方法，该方法包括有以下步骤：

1）对经过冶炼、轧制成钢管的低合金耐热钢管取样，进行金相组织观察，并对带状组织按照国家标准GB/T13299-91进行评级；

2）将热轧后的低合金耐热钢管进行机械加工，制成直径为3mm，长度为12mm的圆柱型试样，通过热膨胀试验机进行处理：首先将K型热电偶焊接在沿所述圆柱型试样长度方向的中心位置，用于测量圆柱型试样的温度变化；然后以温度20～50℃/min的升温速度加热至880～910℃并保温8分钟，以确保圆柱型试样组织完全奥氏体化；随后通过喷射高速氮气将圆柱型试样以20～100℃/S的冷却速率冷却至温度600～630℃；然后将圆柱型试样进行空冷至室温。

本发明的效果是通过快速冷却的热处理方法来消除带状组织，既保证了热处理后的组织为铁素体珠光体，又能有效地消除热轧成型过程中所形成的带状组织，同时没有大幅提高生产成本，是一种非常经济有效的处理工艺，特别对带状组织有要求的低合金热轧管材、板材等的工业化生产，具有广泛的应用前景。与热轧后钢管相比，经过以20～100℃/S快速冷却处理后的样品其带状组织级别显著降低。证明了该工艺对于消除带状组织的有效性。对于同成分而规格不同的热轧钢管，采用快速冷却处理工艺均可以有效地抑制或消除带状组织的产生，这表明该方法在生产过程具有通用性和有效性。

附图说明

图1为经热轧成型后SA-210Gr.C钢管中的铁素体珠光体带状组织；

图2为本发明的快速冷却处理过程中试样的温度-时间变化曲线；

图3为本发明的快速冷却速率与带状组织级别的关系；

图4为本发明的快速冷却温度与带状组织级别的关系。

图5a为本发明的经过20℃/S快速冷却处理的SA-210Gr.C试样的金相组织；

图5b为本发明的经过50℃/S快速冷却处理的SA-210Gr.C试样的金相组织；

图5c为本发明的经过100℃/S快速冷却处理的SA-210Gr.C试样的金相组织；

具体实施方式

结合附图对本发明的抑制和消除低合金耐热钢管中带状组织的热处理方法加以说明。

本发明的抑制和消除低合金耐热钢管中带状组织的热处理方法，该方法包括有以下步骤：

1）对经过冶炼、轧制成钢管的低合金耐热钢管取样，进行金相组织观察，并对带状组织按照国家标准GB/T13299-91进行评级；

2）将热轧后的低合金耐热钢管管进行机械加工，制成直径为3mm，长度为12mm的圆柱型试样，通过热膨胀试验机进行处理：首先将K型热电偶焊接在沿所述圆柱型试样长度方向的中心位置，用于测量圆柱型试样的温度变化；然后以温度20～50℃/min的升温速度加热至880～910℃并保温8分钟，以确保圆柱型试样组织完全奥氏体化；随后通过喷射高速氮气将圆柱型试样以20～100℃/S的冷却速率冷却至温度600～630℃；然后将圆柱型试样进行空冷至室温。

以SA-210Gr.C低合金耐热钢管为例详细加以说明：

SA-210Gr.C低合金耐热钢管是经过冶炼、轧制成管材后，取样进行金相组织观察，并对带状组织按照国家标准GB/T13299-91进行评级，结果为4级，如图1所示，样品中存在严重的铁素体珠光体带状组织。将热轧后的SA-210Gr.C钢管机械加工成直径为3mm，长度为12mm的圆柱型试样，通过热膨胀试验机进行处理：首先将K型热电偶焊接在沿长度方向的中心位置，用于测量试样的温度变化。然后以20～50℃/min的升温速度加热至880～910℃并保温8分钟以确保组织完全奥氏体化，随后通过喷射高速氮气将样品以20～100℃/S的冷却速率冷却至600～630℃，然后将样品进行空冷至室温。所述快速冷却速率通过调节氮气的流量及压力由计算机自动控制。

通过金相组织观察并对带状组织评级测定可以有效抑制带状组织形成的快速冷却速率为20～100℃/S，而对样品停止快速冷却的温度范围为600～630℃。经过热膨胀曲线测定SA-210Gr.C钢的A_c3温度约为860℃。图2为测定的样品温度随时间的变化曲线。样品经过加热到A_c3温度以上，并保温8分钟以确保组织完全奥氏体化，随后对样品喷射高速氮气，当样品冷却到设定温度后再进行空冷。需要指出的是样品温度数据由计算机经过一定的时间间隔（每0.2秒采集一次）自动采集，由于在实施快速冷却过程中较大的冷却速率，样品的温度点较为稀疏，如图2快速冷却区域的温度变化。

不同冷却速率对于带状组织级别的关系如图3所示，图中试样的快速冷却温度为600～630℃，随着冷却速率的增大，带状组织级别显著降低。快速冷却温度是影响该工艺有效性的另一个重要因素，如果停止快速冷却的温度较高，则不能有效的消除带状组织，而此温度过低则会形成马氏体组织。图4为快速冷却温度与所形成带状组织级别的关系。图中试样的冷却速率为100℃/S,由图中可以看出，停止快速冷却温度较高时（高于650℃），试样中仍然存在较为严重的带状组织，级别大于3级，随着冷却温度的降低，带状组织级别也不断降低，低于630℃时则带状组织得以成功消除。

实验用SA-210Gr.C钢的化学成分见表1。原料经电炉冶炼、炉外精炼、连铸等工序后，采用环形炉加热、穿孔、连轧、定径等工艺生产成为管材，在冷床空冷至室温。该钢种在室温下的组织为铁素体珠光体。

下表为SA-210Gr.C钢的化学成分：

取一定长度工业化生产的SA-210Gr.C管材，并机械加工成圆柱试样，试样尺寸为直径3mm，长度为12mm；清洗干燥后通过热膨胀实验机进行加热和快速冷却处理。

通过计算机设定程序为：以30～50℃/min的加热速率，将样品升温到880～910℃并保温8分钟以确保组织完全奥氏体化，随后通过喷射高速氮气将样品以20～100℃/S的冷却速率将样品冷却至600～630℃，然后进行空冷至室温。其中快速冷却速率通过调节氮气的流量及压力由计算机自动控制。

实施例1：

切取一定长度的SA-210Gr.C管材，管材尺寸（外径×壁厚）为57×7mm，对轧态管材进行带状组织评级为4.5级，然后机械加工成圆柱试样。将试样通过热膨胀试验机以30℃/min的升温速率加热至880℃，并进行保温8分钟。然后通过向样品喷射高速氮气以20℃/S进行快速冷却至620℃，随后将样品空冷至室温。

将经过上述处理的样品沿轴向锯切，然后用树脂镶嵌、研磨、抛光并利用化学侵蚀，在光学显微镜下进行金相组织观察，并按照国家标准GB/T13299-91进行带状组织评级。评级结果为1.5级，如图5a所示，可以看出带状组织明显减轻。对试样进行显微硬度检测，维氏硬度值为172，符合铁素体珠光体组织的硬度值，说明样品在冷却过程中没有发生贝氏体或马氏体转变。

实施例2：

切取一定长度的SA-210Gr.C管材，管材尺寸（外径×壁厚）为51×7mm，对轧态管材进行带状组织评级为4.5级，然后机械加工成圆柱试样。将试样通过热膨胀试验机以40℃/min的升温速率加热至890℃，并进行保温8分钟。然后通过向样品喷射高速氮气以50℃/S进行快速冷却至630℃，随后将样品空冷至室温。

将经过上述处理的样品沿轴向锯切，然后用树脂镶嵌、研磨、抛光并利用化学侵蚀，在光学显微镜下进行金相组织观察，并按照国家标准GB/T13299-91进行带状组织评级。评级结果为0级，如图5b所示，可以看出带状组织得以完全消除。对试样进行显微硬度检测，测得的硬度值为175，符合铁素体珠光体组织的硬度值，说明样品在冷却过程中没有发生贝氏体或马氏体转变。

实施例3：

切取一定长度的SA-210Gr.C管材，管材尺寸（外径×壁厚）为57×4mm，对轧态管材进行带状组织评级为5级，然后机械加工成圆柱试样。将试样通过热膨胀试验机以50℃/min的升温速率加热至910℃，并进行保温8分钟。然后通过向样品喷射高速氮气以100℃/S进行快速冷却至600℃，随后将样品空冷至室温。

将经过上述处理的样品沿轴向锯切，然后用树脂镶嵌、研磨、抛光并利用化学侵蚀，在光学显微镜下进行金相组织观察，按照国家标准GB/T13299-91进行带状组织评级。评级结果为0级，如图5c所示，可以看出样品中没有形成带状组织。对试样进行显微硬度检测，测得的硬度值为174，符合铁素体珠光体组织的硬度值。经过上述快速冷却处理后，样品中的带状组织被有效的消除，并且没有发生贝氏体或马氏体转变。

本发明的抑制和消除热轧低合金钢中铁素体珠光体带状组织的热处理方法，已通过实施例进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明的内容、精神和范围内对本文所述的制作方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明的技术。所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，均被视为包括在本发明思想、范围和内容中。

Claims (1)

1.一种抑制和消除低合金耐热钢管中带状组织的热处理方法，该方法包括有以下步骤：

1）对经过冶炼、轧制成钢管的低合金耐热钢管取样，进行金相组织观察，并对带状组织按照国家标准GB/T13299-91进行评级；

2）将热轧后的低合金耐热钢管管进行机械加工，制成直径为3mm，长度为12mm的圆柱型试样，通过热膨胀试验机进行处理：首先将K型热电偶焊接在沿所述圆柱型试样长度方向的中心位置，用于测量圆柱型试样的温度变化；然后以温度20～50℃/min的升温速度加热至880～910℃并保温8分钟，以确保圆柱型试样组织完全奥氏体化；随后通过喷射高速氮气将圆柱型试样以20～100℃/S的冷却速率冷却至温度600～630℃；然后将圆柱型试样进行空冷至室温。

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