CN106048152A - 一种提高棒材低温冲击韧性的热处理方法 - Google Patents

一种提高棒材低温冲击韧性的热处理方法 Download PDF

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Abstract

一种提高棒材低温冲击韧性的热处理方法，属热处理加工技术领域。淬火工艺：将热轧大规格棒材或热处理工件置于840～860℃的热处理炉进行加热，保温时间60～120min；然后采用水冷或油冷淬火冷却方式；回火工艺：将经过适度淬火处理的棒材或工件置于610～640℃回火炉中，保温60～120min，取出后水冷至室温。弥补油淬淬透性不足的问题，有效地提高了大尺寸螺栓的淬透性，其中抗拉强度861～944MPa，屈服强度727～804MPa，断后伸长率达到19.5～21.8％，断面收缩率Z为59～64％，‑100℃冲击吸收功Akv为27～50.1J。毛坯工件的抗拉强度943MPa，屈服强度818MPa，断后伸长率达到18.3％，断面收缩率Z为63％，‑100℃冲击吸收功Akv为33J。

Description

一种提高棒材低温冲击韧性的热处理方法
技术领域
本发明属热处理加工技术领域，特别是涉及一种提高棒材低温冲击韧性的热处理方法。
背景技术
随着环保问题的日益突出，能源供应的渐趋紧张，风力发电作为一种清洁的可再生能源的发电方式，已越来越受到重视，使得风电行业快速发展。风力发电已经不仅仅局限在陆地平台发展，正在向海洋平台迈进。随着风电行业的发展，风力发电设备用高强度螺栓的生产也面临着前所未有的挑战，风电装机容量的扩大，对高强低温螺栓性能指标的要求也越来越高，不仅要求其具有高的强度，同时对塑性和低温韧性要求也越来越高。高强度低温用螺栓用钢要求严苛(-101℃的Akv低温冲击功≥27J)，通常要求针对毛坯试样进行淬火+回火热处理，获得良好的低温韧性，生产难度较大。对于规格尺寸小的螺栓，通常采用油淬的冷却方式即能获得良好的力学性能；而规格尺寸较大的螺栓，采用常规冷却方式往往不能使材料获得理想的组织和性能，由于直径规格大导致1/4处的淬透性明显低于表面的淬透性，导致低温冲击韧性不合格率大幅增加。经常会出现未淬透、组织不均匀等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高棒材低温冲击韧性的热处理方法，克服了上述经常会出现未淬透、组织不均匀等现有技术的不足之处。
本热处理工艺主要是提高大规格尺寸螺栓用钢-100℃的低温冲击韧性。与CN102851479B的水淬油冷双液淬火冷却方式不同，且低温冲击韧性优于该专利的热处理工艺-40℃的低温冲击韧性。该热处理工艺不仅能起到细化晶粒的作用，有效地提高大尺寸螺栓的淬透性，而且能减少和防止大尺寸螺栓的淬火变形及开裂倾向，同时该热处理工艺处理的螺栓具有高强度的同时具有较高的塑性和良好的-100℃低温冲击韧性。经本发明所述热处理工艺处理后的整体大规格棒材获得良好的力学性能，高强度螺栓获得抗拉强度≥860MPa，屈服强度≥725MPa，断后伸长率≥18％，断面收缩率Z≥59％，-100℃冲击吸收功Akv≥27J。
本发明不同于常规淬火工艺油淬至室温，是使淬火工件温度降至Ms～100℃范围内，主要目的是为克服现有技术的淬透性不足问题，尤其是大规格棒材1/4D之处的淬透性，通过适度冷却，使得心部保留一定比例的残余奥氏体，同时心部一定的温度有助于后续回火过程中实现1/4D和心部的Cr、C等合金元素的进一步扩散，从而后续过程中通过回火后快冷，残余奥氏体发生相变，可以弥补油淬淬透性不足的问题，有效地提高了大尺寸螺栓的淬透性，达到提高强度和低温韧性的目的。该工艺在热处理淬火加热保温后采用适度油冷淬火冷却方式。具体热处理工艺步骤及控制的技术参数如下：
(1)用于制造螺栓的原材料为合金结构钢(简称合结钢)，其质量百分比组成为：C：0.38～0.48％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.75～1.0％，S≤0.025％，P≤0.025％，Cr：0.9～1.1％，Mo：0.15～0.25％；
(2)适度淬火工艺：将热轧大规格棒材或热处理工件置于840～860℃的热处理炉进行加热，根据不同尺寸规格的热处理经验，确定保温时间60～120min；然后采用适度水冷或油冷淬火冷却方式，即将加热工件从淬火炉中取出放入室温的油(或室温的水)中，冷却3～10min(或0.5～2.5min)使工件温度降至Ms(相变点测定320℃)～100℃范围内(不同于常规淬火工艺淬火至室温)，然后快速取出；
(3)回火工艺：将经过适度淬火处理的棒材或工件置于610～640℃回火炉中，保温60～120min，取出后水冷至室温。
经上述热处理工艺处理后，使得心部保留一定比例的残余奥氏体，同时心部一定的温度有助于后续回火过程中实现1/4D和心部的Cr、C等合金元素的进一步扩散，从而在后续过程中通过回火后快冷，残余奥氏体发生相变，进而弥补油淬淬透性不足的问题，有效地提高了大尺寸螺栓的淬透性，达到提高强度和低温韧性的目的。经本发明所述热处理工艺处理后的整体大规格棒材获得良好的力学性能，其中抗拉强度861～944MPa，屈服强度727～804MPa，断后伸长率达到19.5～21.8％，断面收缩率Z为59～64％，-100℃冲击吸收功Akv为27～50.1J。毛坯工件的抗拉强度943MPa，屈服强度818MPa，断后伸长率达到18.3％，断面收缩率Z为63％，-100℃冲击吸收功Akv为33J，均优于对比例(常规工艺)的低温冲击韧性。
本发明的创新点是：本发明不同于常规淬火工艺油淬至室温，而是使工件温度降至Ms～100℃范围内，主要目的是为克服现有技术的淬透性不足问题，尤其是大规格棒材1/4D之处的淬透性，通过适度冷却，使得心部保留一定比例的残余奥氏体，同时心部一定的温度有助于后续回火过程中实现1/4D和心部的Cr、C等合金元素的进一步扩散，从而后续过程中通过回火后快冷，残余奥氏体发生相变，从而弥补油淬淬透性不足的问题，有效地提高大尺寸螺栓的淬透性，达到提高强度和低温韧性的目的。
附图说明
图1是本发明的实施例1热处理工艺处理后的边部显微组织(淬火温度860℃，油淬3min)。
图2是本发明的实施例1热处理工艺处理后的1/4D部显微组织(淬火温度860℃，油淬3min)。
图3是本发明的实施例1热处理工艺处理后的心部显微组织(淬火温度860℃，油淬3min)。
图4是本发明的实施例3热处理工艺处理后的1/4D部显微组织(淬火温度860℃，油淬10min)。
图5是低温冲击功Akv-100℃＝47J时的断口显微组织(淬火温度860℃，油淬3min)。
具体实施方式
实施例1：
1)合结钢棒材的内控化学成分：C：0.41％，Si：0.29％，Mn：0.92％，S：0.004％，P：0.012％，Cr：0.95％，Mo：0.18％，Fe余量。
2)对上述成分的铸坯在常规加热后进行粗轧和精轧，轧制规格为Φ56mm，控制终轧温度在：850～900℃；
3)将热轧大规格棒材或热处理工件置于840～860℃的热处理炉进行加热，根据不同规格的热处理经验，确定保温时间90～120min；然后采用适度油冷淬火冷却方式，即将加热工件从淬火炉中取出放入油中(室温)，冷却3～10min，使工件温度降至Ms(相变点测定320℃)～200℃范围内(不同于常规淬火工艺淬火至室温)，然后快速取出；
4)回火工艺：将经过适度淬火处理的棒材或工件置于610～640℃回火炉中，保温90～120min，取出后水冷至室温；
实施例2：
1)合结钢棒材的内控化学成分：C：0.40％，Si：0.24％，Mn：0.90％，S：0.003％，P：0.013％，Cr：1.0％，Mo：0.18％，Fe余量。
2)对上述成分的铸坯在常规加热后进行粗轧和精轧，轧制规格为Φ56mm，控制终轧温度在：850～900℃；
3)将热轧大规格棒材或热处理工件置于860℃的热处理炉进行加热，根据不同规格的热处理经验，确定保温时间90～120min；然后采用适度水冷淬火冷却方式，即将加热工件从淬火炉中取出放入油中(室温)，冷却2.5min，使工件温度降至Ms(相变点测定320℃)～150℃范围内，然后快速取出；
4)回火工艺：将经过适度淬火处理的棒材或工件置于640℃回火炉中，保温120min，取出后水冷至室温；
实施例3：
1)合结钢棒材的内控化学成分：C：0.40％，Si：0.22％，Mn：0.90％，S：0.005％，P：0.010％，Cr：1.0％，Mo：0.18％，Fe余量。
2)对上述成分的铸坯在常规加热后进行粗轧和精轧，轧制规格为Φ47mm，控制终轧温度在：850～900℃；
3)将热轧大规格棒材或热处理工件置于840～860℃的热处理炉进行加热，根据不同规格的热处理经验，确定保温时间90～120min；然后采用适度油冷淬火冷却方式，即将加热工件从淬火炉中取出放入油中(室温)，冷却3～10min，使工件温度降至Ms(相变点测定320℃)～100℃范围内，然后快速取出；
4)回火工艺：将经过适度淬火处理的棒材或工件置于610～640℃回火炉中，保温100～120min，取出后水冷至室温；
实施例4：
1)合结钢棒材的内控化学成分：C：0.40％，Si：0.24％，Mn：0.90％，S：0.003％，P：0.013％，Cr：1.0％，Mo：0.18％，Fe余量。
2)对上述成分的铸坯在常规加热后进行粗轧和精轧，轧制规格为Φ56mm，控制终轧温度在：850～900℃；
3)将热轧大规格棒材按照标准切取毛坯小试样，置于860℃的热处理炉进行加热，确定保温时间60min；然后采用适度油冷淬火冷却方式，即将加热工件从淬火炉中取出放入油中(室温)，冷却3min，使工件温度降至Ms(相变点测定320℃)～100℃范围内，然后快速取出；
4)回火工艺：将经过适度淬火处理的棒材或工件置于640℃回火炉中，保温60min，取出后水冷至室温；
对比例1说明：为正常淬火工艺(整体棒材：油中淬火时间≥20min；毛坯件：油中淬火时间≥15min)和回火工艺对应的力学性能，低于本发明的低温冲击韧性；
对比例2说明：为专利CN 102851479 B的水淬油冷双液淬火冷却方式处理工艺对应的力学性能；工件是25mm的毛坯件且冲击功值是Akv-40℃，低于本发明的整体棒材处理后的Akv-100℃。
表 各实施例整体试样热处理工艺及力学性能汇总
除上述实施例外，本发明还可以有针对其他钢种的实施方式。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。
综上所述，本发明提供了一种提高棒材低温冲击韧性的热处理工艺，不同于常规淬火工艺淬火至室温，而是使工件温度降至Ms～100℃范围内，主要目的是为克服现有技术的淬透性不足问题，尤其是大规格棒材1/4D之处的淬透性，通过适度冷却，使得心部保留一定比例的残余奥氏体，同时心部一定的温度有助于后续回火过程中实现1/4D和心部的Cr、C等合金元素的进一步扩散，从而后续过程中通过回火后快冷，残余奥氏体发生相变，可以弥补油淬淬透性不足的问题，有效地提高了大尺寸螺栓的淬透性，达到提高强度和低温韧性的目的。经本发明所述热处理工艺处理后获得的合结钢整体热处理大规格棒材获得抗拉强度861～944MPa，屈服强度727～804MPa，断后伸长率达到19.5～21.8％，断面收缩率Z为59～64％，-100℃冲击吸收功Akv为27～50.1J。毛坯工件获得抗拉强度941～948MPa，屈服强度816～830MPa，断后伸长率达到18.3～18.7％，断面收缩率Z为61～63％，-100℃冲击吸收功AKv为27～33J，均优于对比例(常规工艺)的低温冲击韧性。

Claims (2)

1.一种提高棒材低温冲击韧性的热处理方法，其特征在于：具体热处理工艺步骤及控制的技术参数如下：
(1)用于制造螺栓的原材料为合金结构钢，其质量百分比组成为：C：0.38～0.48％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.75～1.0％，S≤0.025％，P≤0.025％，Cr：0.9～1.1％，Mo：0.15～0.25％，余量为Fe；
(2)淬火工艺：将热轧大规格棒材或热处理工件置于840～860℃的热处理炉进行加热，保温时间60～120min；然后采用油冷淬火冷却方式，即将加热工件从淬火炉中取出放入室温的油中，冷却3～10min使工件温度降至Ms～100℃范围内然后快速取出；
(3)回火工艺：将经过淬火处理的棒材或工件置于610～640℃回火炉中，保温60～120min，取出后水冷至室温；
经上述热处理工艺处理后，高强度螺栓获得抗拉强度≥860MPa，屈服强度≥725MPa，断后伸长率≥18％，断面收缩率Z≥59％，-100℃的冲击吸收功Akv-100℃≥27J。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：淬火工艺：将热轧大规格棒材或热处理工件置于840～860℃的热处理炉进行加热，保温时间60～120min；然后采用水冷方式，即将加热工件从淬火炉中取出放入室温的水中，冷却0.5～2.5min使工件温度降至Ms～100℃，然后取出快速放入回火炉中。
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