CN104694838A - 一种用于钢结构工程的高韧钢及其热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于钢结构工程的高韧钢的热处理工艺，采用正火-二次正火-回火的热处理工艺，正火温度为960-990℃，二次正火温度为790-810℃，回火温度为670-690℃，得到以回火索氏体为主的组织，并通过马氏体的逆转变使钢中逆变奥氏体的数量增多，且逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，使组织更加弥散、均匀分布；同时，使碳化物析出量较大，且细小弥散；本发明在较小程度降低9Ni钢强度的同时，能大幅提高其低温冲击韧性，优化9Ni钢的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢结构工程用钢及其热处理技术，具体的说是一种用于钢结构工程的高韧钢及其热处理工艺。
背景技术
9Ni钢首先由美国国际镍公司的产品研究实验室研制成功，合金元素Ni含量在8.50-10.00wt%之间，是一种低碳调质钢。9Ni钢作为唯一可在-196℃低温条件下服役的铁素体型用钢，具有较高的屈服强度和抗拉强度、优良的低温韧性、良好的可焊性。9Ni钢必须采用适当的热处理工艺，才可以较大程度的提高其在-196℃的低温韧性。深入研究9Ni钢的热处理工艺，通过优化工艺参数，摸清热处理工艺参数和9Ni钢低温韧性的关系，对9Ni钢的应用及其发展有着重要的意义。
对于钢结构工程，有些关键部位需要用到9Ni钢，从而使9Ni钢使用率得到显著的增加，通过现有的热处理工艺，可以达到使用要求，但9Ni钢的力学性能要求，尤其是低温冲击韧性富余量不大，极大影响了9Ni钢在低温使用的安全性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中钢结构工程用钢的低温冲击韧性不足，提出一种用于钢结构工程的高韧钢及其热处理工艺，可以显著提高钢结构工程用钢的低温冲击韧性。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：
一种用于钢结构工程的高韧钢，其成分及质量百分比为：C：0.81-0.83%、Ni：9.65-9.67%、Mn：0.15-0.17%、Si：0.17-0.19%、P：0.006-0.008%、S：0.002-0.005%、Nb：0.03-0.05%、V：0.17-0.19%、Ti：0.15-0.17%、Al：0.05-0.07%、N≤0.006%、H≤0.00020%，Cu：0.012-0.015%，Cr：0.54-0.56%，Mo：0.13-0.15%，余量为Fe和不可避免的杂质；
该钢中第一相为回火索氏体，第二相为逆变奥氏体，第三相为板条马氏体，逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，在表面至1/4厚度处第二相体积百分数为11.4-11.6%，第三相体积百分数为8.5-8.7%，1/4厚度至中心第二相体积百分数为4.0-4.3%，第三相体积百分数为9.5-9.7%。
用于钢结构工程的高韧钢的热处理工艺，采用正火-二次正火-回火的热处理工艺，正火温度为960-990℃，在常化炉中进行，采用第一冷却工序冷至室温，使组织完全奥氏体化，杂质及第二相粒子回溶，细化奥氏体晶粒；二次正火温度为790-810℃，在常化炉中进行，采用第二冷却工序冷至室温，得到板条马氏体组织；回火温度为670-690℃，在回火炉中进行，采用第三冷却工序冷至室温，得到以回火索氏体为主的组织，并通过马氏体的逆转变使钢中逆变奥氏体的数量增多，且逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，使组织更加弥散、均匀分布；同时，使碳化物析出量较大，且细小弥散；
第一冷却工序：先采用水冷以12-15℃/s的冷却速率将钢冷却至720-750℃，然后空冷至650-670℃， 再采用压缩空气或雾状淬火液以9-11℃/s的冷却速率将钢冷却至420-440℃，最后采用风冷以4-6℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；
第二冷却工序：先采用水冷以11-13℃/s的冷却速率将钢冷却至620-640℃，然采用风冷以4-6℃/s的冷却速率将钢冷却至490-510℃，再采用水冷以7-9℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；
第三冷却工序：先采用风冷以5-7℃/s的冷却速率将钢冷却至510-530℃，再采用水冷以11-13℃/s的冷却速率将钢冷却至370-390℃，最后采用压缩空气或雾状淬火液以7-9℃/s的冷却速率将钢冷却至室温。
本发明的有益效果是：本发明通过成分限定及热处理工艺，一方面，逆变奥氏体在马氏体板条晶间呈薄片状析出，分布均匀；另一方面，提高逆变奥氏体的热稳定性，从而使晶界和基体韧化，可以显著提用于钢结构工程的钢低温冲击韧性，同时不降低或者稍微降低强度。总之，本发明通过热处理工艺改变组织形态，使逆变奥氏体在马氏体板条晶间呈薄片状析出，且分布均匀，进而提高逆变奥氏体的热稳定性，从而使晶界和基体韧化。
具体实施方式
实施例 1
本实施例是一种用于钢结构工程的高韧钢，其成分及质量百分比为：C：0.81%、Ni：9.65%、Mn：0.15%、Si：0.17%、P：0.006%、S：0.002%、Nb：0.03%、V：0.17%、Ti：0.15%、Al：0.05%、N：0.006%、H：0.00020%，Cu：0.012%，Cr：0.54%，Mo：0.13%，余量为Fe和不可避免的杂质；该钢中第一相为回火索氏体，第二相为逆变奥氏体，第三相为板条马氏体，逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，在表面至1/4厚度处第二相体积百分数为11.4%，第三相体积百分数为8.5%，1/4厚度至中心第二相体积百分数为4.0%，第三相体积百分数为9.5%。
本实施例的用于钢结构工程的高韧钢的热处理工艺，采用正火-二次正火-回火的热处理工艺；正火温度为960℃，在常化炉中进行，采用第一冷却工序冷至室温，使组织完全奥氏体化，杂质及第二相粒子回溶，细化奥氏体晶粒；二次正火温度为790℃，在常化炉中进行，采用第二冷却工序冷至室温，得到板条马氏体组织；回火温度为670℃，在回火炉中进行，采用第三冷却工序冷至室温，得到以回火索氏体为主的组织，并通过马氏体的逆转变使钢中逆变奥氏体的数量增多，且逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，使组织更加弥散、均匀分布；同时，使碳化物析出量较大，且细小弥散；其中，第一冷却工序：先采用水冷以12℃/s的冷却速率将钢冷却至720℃，然后空冷至650℃， 再采用压缩空气或雾状淬火液以9℃/s的冷却速率将钢冷却至420℃，最后采用风冷以4℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；第二冷却工序：先采用水冷以11℃/s的冷却速率将钢冷却至620℃，然采用风冷以4℃/s的冷却速率将钢冷却至490℃，再采用水冷以7℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；第三冷却工序：先采用风冷以5℃/s的冷却速率将钢冷却至510℃，再采用水冷以11℃/s的冷却速率将钢冷却至370℃，最后采用压缩空气或雾状淬火液以7℃/s的冷却速率将钢冷却至室温。
本实施例所制造的用于钢结构工程的高韧钢的屈服强度为590-630MPa、抗拉强度为680-720MPa、延伸率为26.0-30.0%、冲击功为200-230J。
实施例 2
本实施例是一种用于钢结构工程的高韧钢，其成分及质量百分比为：C：0.82%、Ni：9.66%、Mn：0.16%、Si：0.18%、P：0.007%、S：0.003%、Nb：0.04%、V：0.18%、Ti：0.16%、Al：0.06%、N：0.002%、H：0.0001%，Cu：0.013%，Cr：0.55%，Mo：0.14%，余量为Fe和不可避免的杂质；该钢中第一相为回火索氏体，第二相为逆变奥氏体，第三相为板条马氏体，逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，在表面至1/4厚度处第二相体积百分数为11.5%，第三相体积百分数为8.6%，1/4厚度至中心第二相体积百分数为4.2%，第三相体积百分数为9.6%。
本实施例的用于钢结构工程的高韧钢的热处理工艺，采用正火-二次正火-回火的热处理工艺；正火温度为970℃，在常化炉中进行，采用第一冷却工序冷至室温，使组织完全奥氏体化，杂质及第二相粒子回溶，细化奥氏体晶粒；二次正火温度为800℃，在常化炉中进行，采用第二冷却工序冷至室温，得到板条马氏体组织；回火温度为680℃，在回火炉中进行，采用第三冷却工序冷至室温，得到以回火索氏体为主的组织，并通过马氏体的逆转变使钢中逆变奥氏体的数量增多，且逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，使组织更加弥散、均匀分布；同时，使碳化物析出量较大，且细小弥散；其中，第一冷却工序：先采用水冷以13℃/s的冷却速率将钢冷却至730℃，然后空冷至660℃， 再采用压缩空气或雾状淬火液以10℃/s的冷却速率将钢冷却至430℃，最后采用风冷以5℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；第二冷却工序：先采用水冷以12℃/s的冷却速率将钢冷却至630℃，然采用风冷以5℃/s的冷却速率将钢冷却至500℃，再采用水冷以8℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；第三冷却工序：先采用风冷以6℃/s的冷却速率将钢冷却至520℃，再采用水冷以12℃/s的冷却速率将钢冷却至380℃，最后采用压缩空气或雾状淬火液以8℃/s的冷却速率将钢冷却至室温。
本实施例所制造的用于钢结构工程的高韧钢的屈服强度为670-710MPa、抗拉强度为700-740MPa、延伸率为21.0-25.0%、冲击功为180-210J。
实施例 3
本实施例是一种用于钢结构工程的高韧钢，其成分及质量百分比为：C：0.83%、Ni：9.67%、Mn：0.17%、Si：0.19%、P：0.008%、S：0.005%、Nb：0.05%、V：0.19%、Ti：0.17%、Al：0.07%、N：0.002%、H：0.0001%，Cu：0.015%，Cr：0.56%，Mo：0.15%，余量为Fe和不可避免的杂质；该钢中第一相为回火索氏体，第二相为逆变奥氏体，第三相为板条马氏体，逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，在表面至1/4厚度处第二相体积百分数为11.6%，第三相体积百分数为8.7%，1/4厚度至中心第二相体积百分数为4.3%，第三相体积百分数为9.7%。
本实施例的用于钢结构工程的高韧钢的热处理工艺，采用正火-二次正火-回火的热处理工艺；正火温度为990℃，在常化炉中进行，采用第一冷却工序冷至室温，使组织完全奥氏体化，杂质及第二相粒子回溶，细化奥氏体晶粒；二次正火温度为810℃，在常化炉中进行，采用第二冷却工序冷至室温，得到板条马氏体组织；回火温度为690℃，在回火炉中进行，采用第三冷却工序冷至室温，得到以回火索氏体为主的组织，并通过马氏体的逆转变使钢中逆变奥氏体的数量增多，且逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，使组织更加弥散、均匀分布；同时，使碳化物析出量较大，且细小弥散；其中，第一冷却工序：先采用水冷以15℃/s的冷却速率将钢冷却至750℃，然后空冷至670℃， 再采用压缩空气或雾状淬火液以11℃/s的冷却速率将钢冷却至440℃，最后采用风冷以6℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；第二冷却工序：先采用水冷以13℃/s的冷却速率将钢冷却至640℃，然采用风冷以6℃/s的冷却速率将钢冷却至510℃，再采用水冷以9℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；第三冷却工序：先采用风冷以7℃/s的冷却速率将钢冷却至530℃，再采用水冷以13℃/s的冷却速率将钢冷却至390℃，最后采用压缩空气或雾状淬火液以9℃/s的冷却速率将钢冷却至室温。
本实施例所制造的用于钢结构工程的高韧钢的屈服强度为640-680MPa、抗拉强度为670-710MPa、延伸率为20.0-24.0%、冲击功为150-180J。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于钢结构工程的高韧钢，其特征在于：其成分及质量百分比为：C：0.81-0.83%、Ni：9.65-9.67%、Mn：0.15-0.17%、Si：0.17-0.19%、P：0.006-0.008%、S：0.002-0.005%、Nb：0.03-0.05%、V：0.17-0.19%、Ti：0.15-0.17%、Al：0.05-0.07%、N≤0.006%、H≤0.00020%，Cu：0.012-0.015%，Cr：0.54-0.56%，Mo：0.13-0.15%，余量为Fe和不可避免的杂质；
该钢中第一相为回火索氏体，第二相为逆变奥氏体，第三相为板条马氏体，逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，在表面至1/4厚度处第二相体积百分数为11.4-11.6%，第三相体积百分数为8.5-8.7%，1/4厚度至中心第二相体积百分数为4.0-4.3%，第三相体积百分数为9.5-9.7%。
2.如权利要求1所述的用于钢结构工程的高韧钢，其特征在于：其成分及质量百分比为：C：0.81%、Ni：9.65%、Mn：0.15%、Si：0.17%、P：0.006%、S：0.002%、Nb：0.03%、V：0.17%、Ti：0.15%、Al：0.05%、N：0.006%、H：0.00020%，Cu：0.012%，Cr：0.54%，Mo：0.13%，余量为Fe和不可避免的杂质；
该钢中第一相为回火索氏体，第二相为逆变奥氏体，第三相为板条马氏体，逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，在表面至1/4厚度处第二相体积百分数为11.4%，第三相体积百分数为8.5%，1/4厚度至中心第二相体积百分数为4.0%，第三相体积百分数为9.5%。
3.如权利要求1所述的用于钢结构工程的高韧钢，其特征在于：其成分及质量百分比为：C：0.82%、Ni：9.66%、Mn：0.16%、Si：0.18%、P：0.007%、S：0.003%、Nb：0.04%、V：0.18%、Ti：0.16%、Al：0.06%、N：0.002%、H：0.0001%，Cu：0.013%，Cr：0.55%，Mo：0.14%，余量为Fe和不可避免的杂质；
该钢中第一相为回火索氏体，第二相为逆变奥氏体，第三相为板条马氏体，逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，在表面至1/4厚度处第二相体积百分数为11.5%，第三相体积百分数为8.6%，1/4厚度至中心第二相体积百分数为4.2%，第三相体积百分数为9.6%。
4.如权利要求1所述的用于钢结构工程的高韧钢，其特征在于：其成分及质量百分比为：C：0.83%、Ni：9.67%、Mn：0.17%、Si：0.19%、P：0.008%、S：0.005%、Nb：0.05%、V：0.19%、Ti：0.17%、Al：0.07%、N：0.002%、H：0.0001%，Cu：0.015%，Cr：0.56%，Mo：0.15%，余量为Fe和不可避免的杂质；
该钢中第一相为回火索氏体，第二相为逆变奥氏体，第三相为板条马氏体，逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，在表面至1/4厚度处第二相体积百分数为11.6%，第三相体积百分数为8.7%，1/4厚度至中心第二相体积百分数为4.3%，第三相体积百分数为9.7%。
5.如权利要求1-4中任一权利要求所述的用于钢结构工程的高韧钢的热处理工艺，采用正火-二次正火-回火的热处理工艺，其特征在于：所述正火温度为960-990℃，在常化炉中进行，采用第一冷却工序冷至室温，使组织完全奥氏体化，杂质及第二相粒子回溶，细化奥氏体晶粒；所述二次正火温度为790-810℃，在常化炉中进行，采用第二冷却工序冷至室温，得到板条马氏体组织；所述回火温度为670-690℃，在回火炉中进行，采用第三冷却工序冷至室温，得到以回火索氏体为主的组织，并通过马氏体的逆转变使钢中逆变奥氏体的数量增多，且逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，使组织更加弥散、均匀分布；同时，使碳化物析出量较大，且细小弥散；
所述第一冷却工序：先采用水冷以12-15℃/s的冷却速率将钢冷却至720-750℃，然后空冷至650-670℃， 再采用压缩空气或雾状淬火液以9-11℃/s的冷却速率将钢冷却至420-440℃，最后采用风冷以4-6℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；
所述第二冷却工序：先采用水冷以11-13℃/s的冷却速率将钢冷却至620-640℃，然采用风冷以4-6℃/s的冷却速率将钢冷却至490-510℃，再采用水冷以7-9℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；
所述第三冷却工序：先采用风冷以5-7℃/s的冷却速率将钢冷却至510-530℃，再采用水冷以11-13℃/s的冷却速率将钢冷却至370-390℃，最后采用压缩空气或雾状淬火液以7-9℃/s的冷却速率将钢冷却至室温。
6.如权利要求5所述的用于钢结构工程的高韧钢的热处理工艺，其特征在于：所述正火温度为960℃，在常化炉中进行，采用第一冷却工序冷至室温，使组织完全奥氏体化，杂质及第二相粒子回溶，细化奥氏体晶粒；所述二次正火温度为790℃，在常化炉中进行，采用第二冷却工序冷至室温，得到板条马氏体组织；所述回火温度为670℃，在回火炉中进行，采用第三冷却工序冷至室温，得到以回火索氏体为主的组织，并通过马氏体的逆转变使钢中逆变奥氏体的数量增多，且逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，使组织更加弥散、均匀分布；同时，使碳化物析出量较大，且细小弥散；
所述第一冷却工序：先采用水冷以12℃/s的冷却速率将钢冷却至720℃，然后空冷至650℃， 再采用压缩空气或雾状淬火液以9℃/s的冷却速率将钢冷却至420℃，最后采用风冷以4℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；
所述第二冷却工序：先采用水冷以11℃/s的冷却速率将钢冷却至620℃，然采用风冷以4℃/s的冷却速率将钢冷却至490℃，再采用水冷以7℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；
所述第三冷却工序：先采用风冷以5℃/s的冷却速率将钢冷却至510℃，再采用水冷以11℃/s的冷却速率将钢冷却至370℃，最后采用压缩空气或雾状淬火液以7℃/s的冷却速率将钢冷却至室温。
7.如权利要求5所述的用于钢结构工程的高韧钢的热处理工艺，其特征在于：所述正火温度为970℃，在常化炉中进行，采用第一冷却工序冷至室温，使组织完全奥氏体化，杂质及第二相粒子回溶，细化奥氏体晶粒；所述二次正火温度为800℃，在常化炉中进行，采用第二冷却工序冷至室温，得到板条马氏体组织；所述回火温度为680℃，在回火炉中进行，采用第三冷却工序冷至室温，得到以回火索氏体为主的组织，并通过马氏体的逆转变使钢中逆变奥氏体的数量增多，且逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，使组织更加弥散、均匀分布；同时，使碳化物析出量较大，且细小弥散；
所述第一冷却工序：先采用水冷以13℃/s的冷却速率将钢冷却至730℃，然后空冷至660℃， 再采用压缩空气或雾状淬火液以10℃/s的冷却速率将钢冷却至430℃，最后采用风冷以5℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；
所述第二冷却工序：先采用水冷以12℃/s的冷却速率将钢冷却至630℃，然采用风冷以5℃/s的冷却速率将钢冷却至500℃，再采用水冷以8℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；
所述第三冷却工序：先采用风冷以6℃/s的冷却速率将钢冷却至520℃，再采用水冷以12℃/s的冷却速率将钢冷却至380℃，最后采用压缩空气或雾状淬火液以8℃/s的冷却速率将钢冷却至室温。
8.如权利要求5所述的用于钢结构工程的高韧钢的热处理工艺，其特征在于：所述正火温度为990℃，在常化炉中进行，采用第一冷却工序冷至室温，使组织完全奥氏体化，杂质及第二相粒子回溶，细化奥氏体晶粒；所述二次正火温度为810℃，在常化炉中进行，采用第二冷却工序冷至室温，得到板条马氏体组织；所述回火温度为690℃，在回火炉中进行，采用第三冷却工序冷至室温，得到以回火索氏体为主的组织，并通过马氏体的逆转变使钢中逆变奥氏体的数量增多，且逆转奥氏体主要分布在板条马氏体边界，使组织更加弥散、均匀分布；同时，使碳化物析出量较大，且细小弥散；
所述第一冷却工序：先采用水冷以15℃/s的冷却速率将钢冷却至750℃，然后空冷至670℃， 再采用压缩空气或雾状淬火液以11℃/s的冷却速率将钢冷却至440℃，最后采用风冷以6℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；
所述第二冷却工序：先采用水冷以13℃/s的冷却速率将钢冷却至640℃，然采用风冷以6℃/s的冷却速率将钢冷却至510℃，再采用水冷以9℃/s的冷却速率将钢冷却至室温；
所述第三冷却工序：先采用风冷以7℃/s的冷却速率将钢冷却至530℃，再采用水冷以13℃/s的冷却速率将钢冷却至390℃，最后采用压缩空气或雾状淬火液以9℃/s的冷却速率将钢冷却至室温。
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