CN104017952B - 一种低合金高强钢制品的节约型免回火强韧化工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低合金高强钢制品的节约型免回火强韧化工艺方法，包含钢材冶炼及成型、高温加热和保温和冷却及等温处理工艺三个步骤，本工艺方法适用于C‑Mn系低合金高强钢。与现有技术相比，本发明提供了一种工艺简单、适宜大规模生产且具有良好强韧性配合的低合金高强钢制品的制备工艺，其特点在于从高温下的控制冷却和中断冷却并在冷却终止温度下进行保温的强韧化制造工艺。相对于传统的淬火回火工艺，该工艺简化了淬火获得马氏体和马氏体+贝氏体复相组织，然后再进行回火处理的工艺，相对Q‑P‑T工艺而言，本工艺具有更适宜于规模化生产的可操作性，简化了由P工艺立即升温到T工艺的过程，使生产更容易操作。

Description

一种低合金高强钢制品的节约型免回火强韧化工艺方法

技术领域

本发明属于低合金钢加工技术领域，涉及一种低合金高强钢制品的制造方法，特别是一种针对低合金高强钢热轧板材、管材、钢轨、棒材或铸件的节约型强韧化热加工工艺方法。

背景技术

高强韧性热轧板材、管材、钢轨、棒材等低合金钢制品在工程机械、车辆制造、石油、浆体管道以及桥梁工程中有广泛的用途。为获得理想的强度和韧性，一般采用合理的合金化和相应的热处理工艺，其中淬火-回火是一种常见的针对钢铁材料强韧化的热处理工艺，该工艺是指将工件加热到奥氏体单相区保温一段时间后，淬火至室温，然后升高到某一合适的温度进行回火处理，一般会得到回火马氏体+残余奥氏体或马氏体+碳化物的组织，或者马氏体-贝氏体复相组织基础上分布一定量碳化物的组织，使工件具有较好的强度和一定的韧性。热轧板材及管材则采用热轧和控轧控冷的方法来获得相应的微观组织，一般适用于珠光体类型组织或针状贝氏体组织，这种方法只能制造强度约1000MPa的钢制品。更高的强度则需要淬火和回火工艺，这样增加了工序和生产成本。2006年 Speer J.G提出了一种淬火-碳分配新工艺，即Q-P工艺。（Materials Science and Engineering 2006, A 438-440:25-34），利用碳在马氏体和残余奥氏体组织之间的再分配而控制残余奥氏体含量来提高强度和塑性，但该技术要求钢中不含碳化物形成元素来抑制碳化物的析出。2007年，徐祖耀（《热处理》，2007，22(1):1-11) 提出针对含碳化物形成元素Mo、Nb钢的强韧化工艺，即“淬火- 分配-回火工艺”（以下简称Q-P-T）工艺。该技术通过淬火+分配-回火两个步骤可获得具有良好强塑性配合的马氏体-残余奥氏体-碳化物复相组织。该工艺将工件加热到奥氏体区保温一段时间后，淬冷至马氏体开始温度（Ms）和结束温度（Mf）之间的某个温度, 保温很短的间后，再升温到约400℃进行短时间保温，实现碳扩散到奥氏体中得到更多的室温稳定的富碳残余奥氏体，同时碳化物从马氏体中析出产生析出强化以提高工件的强塑积（MPa％）。但是在Q-P-T工艺中，由于分配-回火时间很短（以秒计），淬火过程中的内应力并未充分释放，冲击韧性很低；另一方面，从规模化生产的角度，当工件尺寸较大时，这种短暂的淬火+分配工艺不能使工件内外温度均匀，结果造成相变的不一致性，由淬火温度立即回升到分配-回火温度、以及极短的分配-回火时间在大生产中都较难实现。这些缺点制约了Q-P-T工艺在大生产中的应用。

发明内容

鉴于此，本发明目的在于提供一种高强度低合金钢制品强韧化的节约型热加工工艺方法。采用特殊成分设计的低合金高强钢，可达到通过工艺控制调控微观组织和力学性能、不需要重新加热回火、所述方法将工件抗张强度减少10%以上，实现材料强韧性显著提高并充分消除工件内应力的效果。本发明工艺程序简单，易于规模化操作，可配合板材、管材、钢轨、棒材的控轧控冷技术使用，适宜于大尺寸构件的工业化生产。该工艺省去了冷却后需要单独回火的步骤，有效节约了工艺成本。经过本发明工艺处理的钢材具有理想的强韧性，特别是冲击韧性。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是，提供一种低合金高强钢制品的节约型免回火强韧化工艺方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：钢材冶炼及成型

采用常规工艺冶炼、精炼，然后连铸或模铸成钢坯或钢锭、或锻造成钢坯，再根据需要热轧成板材、管材、钢轨、棒材或熔炼后浇注成铸件；所用钢材为C-Mn系低合金高强钢；其中主要元素重量百分比为：C: 0.1-0.7wt.%，Mn: 1.6-6.5wt.%；

在此基础上，可添加以下几种合金元素： Cr: 0.01-1.5wt.% ， Si: 0.01-2.0wt.%，Mo: 0.01-1.2wt.%，Cu：0、01-1.0wt.%，A1: 0、01-2.0wt.%，Ni：0.01-1.8wt.%，B:0-0.05wt.%，V: 0-0.2wt.%，Nb：0-0.2wt.%，Ti: 0-0.2wt.%，N: 0-0.2wt.% 等其余为Fe；根据产品性能要求和生产工艺可以选择去掉一种或几种合金元素；

步骤二：高温加热和保温

根据步骤一中得到的钢材种类，高温加热保温工艺可采用以下方式中的一种：

（1）由铸坯在线轧制制备板材、管材或棒材：将上述铸坯加热到完全奥氏体化后，进行控制轧制，控制相应的变形量和终轧温度，再进行冷却；

（2）铸件或已经过离线轧制成型的制品：将制品加热到完全奥氏体化；

步骤三：冷却及等温处理工艺

冷却及等温处理工艺可选择以下工艺中的任一种：

（1）通过采用不同的冷却介质，控制冷却速度将步骤二得到的钢制品从奥氏体状态直接冷却到马氏体转变温度开始点（Ms点）以下某一温度，根据性能要求终止冷却，在冷却终止温度下等温30～300分钟后空冷到室温完成整个工艺过程；

（2）将步骤二得到的钢制品从高温奥氏体状态进行冷却，通过不同的冷却介质控制冷却速率冷却至贝氏体转变区某一温度，改变冷速，使制品在 20-180分钟内缓冷到马氏体转变温度结束点（MF点）以上某一温度后，选择在一定温度保温30-300分钟，或者不保温直接空冷到室温。

优选地，所述由奥氏体区冷却过程所用介质为水、水雾、油、流动的空气 。

与现有技术相比，本发明提供了一种工艺简单、适宜大规模生产且具有良好强韧性配合的低合金高强钢制品的制备工艺，其特点在于从高温下的控制冷却和中断冷却并在冷却终止温度下进行保温的强韧化制造工艺。相对于传统的淬火回火工艺，该工艺简化了淬火获得马氏体和马氏体+贝氏体复相组织，然后再进行回火处理的工艺，相对Q-P-T工艺而言，本工艺具有更适宜于规模化生产的可操作性，简化了由P工艺立即升温到T工艺的过程，使生产更容易操作。本工艺通过合金元素的不同配比，并利用Mn对贝氏体形成的有利作用，再结合水冷、风冷或者空冷的方式，可有目的的调控钢制品获得马氏体，贝氏体或贝马复相组织，调控残余奥氏体的含量，使材料具有较高强塑性配合的同时，还具有极佳的冲击韧性，使制品具有良好的强韧性配合。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例中变温冷却工艺温度变化示意图。

图2是本发明另一较佳实施例中高温一步冷却等温新工艺温度变化示意图。

图3是本发明另一较佳实施例中温慢冷再等温冷却工艺温度变化示意图。

具体实施方式

通过如下实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

（1）按照以下成分配料并冶炼、精炼，然后连铸或模铸成钢坯或钢锭、或锻造成钢坯。钢成分为：C: 0.45wt.%，Mn: 3.0wt.%，其余为Fe。

（2）将前述钢坯加热到1280℃保温使其完全奥氏体化，然后进行热轧或采用控制轧制的方法，控制相应的变形量并在850℃左右终轧，制成一定厚度的板材，轧后进行冷却。

（3）将步骤（2）得到的钢板在水中控制冷却到420℃，然后改变冷却速度，使该工件在180分钟内缓冷到280℃，再空冷至室温，以上方法将工件抗张强度减少10%以上。

温度变化趋势如图1所示。

实施例2

（1）按照以下成分配料并冶炼、精炼，然后连铸或模铸成钢坯或钢锭、或锻造成钢坯。钢成分为：C: 0.21wt.%，Mn: 2.3wt.%，Cr: 1.0wt.%，Si: 0.5wt.%, Mo: 0.40wt.%, V: 0.2wt.%，Nb：0.04wt.%，其余为Fe。

（2）将前述钢坯加热到1250℃左右保温使其完全奥氏体化，然后进行热轧，采用控制轧制的方法，控制相应的变形量并在900℃左右终轧成一定厚度的板材，轧后进行冷却。

（3）将步骤（2）得到的钢坯在水中控制冷却到250℃，然后中断冷却；随后使该工件在250℃保温120分钟，然后再空冷至室温，以上方法将工件抗张强度减少10%以上。

温度变化趋势如图2所示。

实施例3

（1）按照以下成分配料并冶炼、精炼，然后连铸或模铸成钢坯或钢锭、或锻造成钢坯。钢成分为：C: 0.6wt.%，Mn: 6.5wt.%，其余为Fe。

（2）将前述钢坯加热到1280℃保温使其完全奥氏体化，然后进行热轧或采用控制轧制的方法，控制相应的变形量并在850℃左右终轧，制成一定厚度的板材，轧后进行冷却。

（3）将步骤（2）得到的钢板在空气中控制冷却到420℃，然后改变冷却速度，使该工件在180分钟内缓冷到210℃并保温60分钟后，再空冷至室温，以上方法将工件抗张强度减少15%左右。

温度变化趋势如图3所示。

实施例4

（1）按照以下成分配料并冶炼、精炼，然后连铸或模铸成钢坯或钢锭、或锻造成钢坯。钢成分为：C: 0.2wt.%，Mn: 2.5wt.%，Mo: 0.8wt.%，B:0.04wt.%，Nb：0.15wt.%，Ti: 0.15wt.%，N: 0.05wt.%，其余为Fe。

（2）将前述钢坯加热到1250℃左右保温使其完全奥氏体化，然后进行热轧，采用控制轧制的方法，控制相应的变形量并在900℃左右终轧成一定厚度的板材，轧后进行冷却。

（3）将步骤（2）得到的钢坯在吹风条件下控制冷却到200℃，然后中断冷却；随后使该工件在200℃保温120分钟，然后再空冷至室温，以上方法将工件抗张强度减少10%以上。

温度变化趋势如图2所示。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种低合金高强钢制品的节约型免回火强韧化工艺方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：钢材冶炼及成型

采用常规工艺冶炼、精炼，然后连铸或模铸成钢坯或钢锭、或锻造成钢坯，再根据需要热轧成板材、管材、钢轨、棒材或熔炼后浇注成铸件，所用钢材为C-Mn系低合金高强钢；

步骤二：高温加热和保温

根据步骤一中得到的钢材种类，高温加热保温工艺可采用以下方式中的一种：

(1)由铸坯在线轧制制备板材、管材或棒材：将上述铸坯加热到1250℃保温完全奥氏体化后，进行控制轧制，控制相应的变形量和终轧温度，在900℃终轧再进行冷却；

(2)铸件或已经过离线轧制成型的制品：将制品加热到完全奥氏体化；

步骤三：冷却及等温处理工艺

冷却及等温处理工艺可选择以下工艺中的任一种：

(1)通过采用不同的冷却介质，控制冷却速度将步骤二得到的钢制品从奥氏体状态直接冷却到马氏体转变温度开始点(Ms点)以下的250℃，根据性能要求终止冷却，在冷却终止温度下保温120分钟后空冷到室温完成整个工艺过程；

(2)将步骤二得到的钢制品从高温奥氏体状态进行冷却，通过不同的冷却介质控制冷却速率冷却至贝氏体转变区某一温度，改变冷速，使制品在20-180分钟内缓冷到马氏体转变温度结束点(MF点)以上某一温度后，选择在一定温度保温30-300分钟，或者不保温直接空冷到室温。

2.根据权利要求1所述低合金高强钢制品的节约型免回火强韧化工艺方法，其特征在于，所述由奥氏体区冷却过程所用介质为水、水雾、油、自然流动的风或者吹风或者淬火介质。