CN108728727A - 一种低合金高强度钢的二次淬火热处理方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低合金高强度钢的二次淬火热处理方法及其应用，针对Ni‑Cu‑Mo型低合金高强度钢进行二次淬火热处理，第一次淬火以使其完全奥氏体化，再进行第二次淬火和回火，最终获得马氏体/针状铁素体的复相组织，从而实现综合性能的提升，进而推进其在实际中的应用。

Description

一种低合金高强度钢的二次淬火热处理方法及其应用
技术领域
本发明属Ni-Cu-Mo型低合金高强度钢生产技术领域，更加具体地说，特别涉及一种二次淬火热处理方法及其应用。
背景技术
低合金高强度钢是为了适应大型工程构件(如船舶、桥梁、压力容器及管道等)减轻结构重量、提高服役可靠性等需求而发展起来的。它具有强度高、韧性好、可焊性及耐腐蚀性能优越等特点，用作结构材料可节约钢材1/3-2/3，且其使用寿命可比普碳钢高出几倍甚至几十倍。其成分特点为：碳含量低(＜0.20％)，通过微合金元素Ni、Cu、Mo、Cr、Ti等添加(总量不超过3％)，实现细化晶粒及增强固溶强化和析出强化的作用，从而改善了钢的性能。由于合金元素含量较低，在保证高性能的同时，其焊接性能也非常优异。随着科技不断发展，对低合金高强度钢的使用要求也不断提高，不仅要求较高强度，同时其塑性韧性、屈强比等性能要求也日益严苛。因此，通过开发更先进的处理工艺，发展精细组织控制技术，在低合金高强度钢研究及应用领域有着相当重要的作用。“淬火+回火”是低合金高强度钢的常用热处理工艺之一，通过该工艺可以获得高强度马氏体板条组织。这种热处理方法可以有效提高Ni-Cu-Mo型低合金高强度钢的拉伸强度和屈服强度，但是其冲击韧性相对较低。此外，“淬火+回火”工艺处理后试样的屈强比过高，一般在0.9以上。材料的屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比，是表征材料塑性的参数。对于(核电/火电)压力容器及深海管线来说，屈强比越大，材料屈服后至断裂的塑性范围越小，因此断裂的风险越大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，旨在解决低合金高强度钢“淬火+回火”工艺导致的冲击韧性偏低、屈强比偏高的问题，同时尽可能避免拉伸强度和屈服强度的损失。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种低合金高强度钢的二次淬火热处理方法，第一次淬火温度高于Ac3温度，使其完全奥氏体化；二次淬火温度在Ac1-Ac3温度之间；最后再进行回火处理，以获得马氏体/针状铁素体的复相组织。
其中Ac3温度为亚共析钢加热时，完全奥氏体化的温度；Ac1温度为钢加热时，开始形成奥氏体的温度。
在进行热处理时，热处理工艺流程为：将样品加热至900±10℃并保温30±10分钟，水淬至室温20—25摄氏度；随后再次加热至740℃～800℃，保温50±10分钟，水淬至室温20—25摄氏度；最后在650±10℃回火120±20min。
在升温时，选择自室温20—25摄氏度以每分钟10—15摄氏度的速度升温。
本发明的二次淬火热处理方法在改善Ni-Cu-Mo型低合金高强度钢性能中的应用。
Ni-Cu-Mo型低合金高强度钢化学组分如下：按照重量百分比计(wt％)，C≤0.017，Si为0.25～0.50，Mn为0.80～1.20，Cr≤0.30，Mo为0.25～0.50，Ni为1.00～1.30，Cu为0.50～0.80，Nb为0.015～0.045，N≤0.020，Al≤0.050，Fe为余量。
在进行应用时，通过改变二次淬火温度来改善Ni-Cu-Mo型低合金高强度钢性能。
利用本发明的二次淬火热处理钢材，二次淬火温度显著影响钢材最终的力学性能。图3、4、5分别为二次淬火温度对强度、屈强比及冲击功的影响。与常规“淬火+回火”工艺相比，采用本发明获得的拉伸与屈服强度降低，但是屈强比显著低于常规工艺，且冲击功显著高于常规工艺。例如在二次淬火温度为740℃条件下，屈强比相较于传统工艺下降约7.6％，冲击功提升38％。随着二次淬火温度的升高，拉伸强度与屈服强度均升高，屈强比升高，冲击功先略为上升后快速下降。可见，根据钢材服役条件及使用要求，可通过改变二次淬火温度来实现性能的最佳匹配。本发明采用的二次淬火方法不同于传统的低合金高强度钢淬火工艺，其与传统淬火+回火工艺相比，本发明可实现屈强比和冲击功的显著提升，且通过调整淬火温度，可实现性能的最佳匹配。
附图说明
图1是现有技术中常规“淬火+回火”工艺(900℃保温30分钟淬火+650℃回火2小时)处理后的金相组织照片。
图2是本发明技术方案中不同二次淬火温度下试样的金相组织，其中(a)淬火温度740℃，(b)淬火温度760℃，(c)淬火温度780℃，(d)淬火温度800℃。
图3是本发明技术方案中淬火温度对拉伸强度及屈服强度的影响示意图。
图4是本发明技术方案中淬火温度对屈强比的影响示意图。
图5是本发明技术方案中淬火温度对冲击功的影响示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。采用如下性能测试相关标准进行测试：(1)拉伸：GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法；(2)冲击：GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法；(3)屈强比：屈服强度/拉伸强度的比值，其中屈服强度和拉伸强度的测试方法由GB/T 228.1-2010给出。使用日本奥林巴斯GX-FSL金相显微镜进行金相表征。
表1 Ni-Cu-Mo型低合金高强度钢材化学成分
组分 含量(wt.％)
C ≤0.017
Si 0.25～0.50
Mn 0.80～1.20
Cr ≤0.30
Mo 0.25～0.50
Ni 1.00～1.30
Cu 0.50～0.80
Nb 0.015～0.045
N ≤0.020
Al ≤0.050
Fe 余量
实施例1：
取表1所示成分的钢材经900℃、保温30分钟奥氏体化处理后，水淬至室温(20—25摄氏度)；再次加热至800℃，随后水淬至室温；加热至650℃，回火2小时，冷却至室温。
采用该工艺处理后的试样，屈强比由0.920降低至0.884，冲击功由83J提升至90J。
实施例2：
取表1所示成分的钢材经900℃、保温30分钟奥氏体化处理后，水淬至室温；再次加热至780℃，随后水淬至室温；加热至650℃，回火2小时，冷却至室温。
采用该工艺处理后的试样，屈强比由0.920降低至0.861，冲击功由83J提升至123J。
实施例3：
取表1所示成分的钢材经900℃、保温30分钟奥氏体化处理后，水淬至室温；再次加热至760℃，随后水淬至室温；加热至650℃，回火2小时，冷却至室温。
采用该工艺处理后的试样，屈强比由0.920降低至0.858，冲击功由83J提升至142J。
实施例4：
取表1所示成分的钢材经900℃、保温30分钟奥氏体化处理后，水淬至室温；再次加热至740℃，随后水淬至室温；加热至650℃，回火2小时，冷却至室温。
采用该工艺处理后的试样，屈强比由0.920降低至0.855，冲击功由83J提升至134J。
依照本发明内容记载进行工艺参数调整，均可实现针对Ni-Cu-Mo型低合金高强度钢的性能改善。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低合金高强度钢的二次淬火热处理方法，其特征在于，第一次淬火温度高于Ac3温度，使其完全奥氏体化；二次淬火温度在Ac1-Ac3温度之间；最后再进行回火处理，以获得马氏体/针状铁素体的复相组织；其中Ac3温度为亚共析钢加热时，完全奥氏体化的温度；Ac1温度为钢加热时，开始形成奥氏体的温度。
2.根据权利要求1所述的一种低合金高强度钢的二次淬火热处理方法，其特征在于，低合金高强度钢为Ni-Cu-Mo型低合金高强度钢，化学组分如下：按照重量百分比计(wt％)，C≤0.017，Si为0.25～0.50，Mn为0.80～1.20，Cr≤0.30，Mo为0.25～0.50，Ni为1.00～1.30，Cu为0.50～0.80，Nb为0.015～0.045，N≤0.020，Al≤0.050，Fe为余量；在进行热处理时，热处理工艺流程为：将样品加热至900±10℃并保温30±10分钟，水淬至室温；随后再次加热至740℃～800℃，保温50±10分钟，水淬至室温；最后在650±10℃回火120±20min。
3.如权利要求1所述的二次淬火热处理方法在改善Ni-Cu-Mo型低合金高强度钢性能中的应用，其特征在于，改变二次淬火温度来改善Ni-Cu-Mo型低合金高强度钢性能，Ni-Cu-Mo型低合金高强度钢，化学组分如下：按照重量百分比计(wt％)，C≤0.017，Si为0.25～0.50，Mn为0.80～1.20，Cr≤0.30，Mo为0.25～0.50，Ni为1.00～1.30，Cu为0.50～0.80，Nb为0.015～0.045，N≤0.020，Al≤0.050，Fe为余量。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，在进行热处理时，热处理工艺流程为：将样品加热至900±10℃并保温30±10分钟，水淬至室温；随后再次加热至740℃～800℃，保温50±10分钟，水淬至室温；最后在650±10℃回火120±20min。
5.根据权利要求1或者2所述的一种低合金高强度钢的二次淬火热处理方法，其特征在于，在升温时，选择自室温20—25摄氏度以每分钟10—15摄氏度的速度升温。
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