CN109161670B - 一种tmcp工艺q550d低温快速回火的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法，所述热处理方法包括加热、保温和冷却工序；所述加热工序，钢板从室温状态直接进入无氧化辊底式热处理炉内，炉内加热段炉温采用由高到低的炉温梯度设置，1和2加热区炉温为550℃、3和4加热区炉温为530℃、5和6加热区炉温为500℃；所述保温工序，7‑12区保温温度为450℃，保温时间系数为1.0～1.3min/mm；所述冷却工序，空冷至室温。本发明解决了现有技术所存在的回火温度过高，在炉时间过长，产能较低的问题，钢种各项力学性能指标均达到GB/T 1591－2008《低合金高强度结构钢》要求。

Description

一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法
技术领域
本发明属于金属热处理领域，具体涉及一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法。
背景技术
Q550D具有高强度、高韧性、低屈强比、良好的抗疲劳性能和焊接性能，主要运用于煤矿机械行业、工程机械领域和冶金装备制造等领域。
目前国内Q550D生产工艺主要有TMCP+回火和调质两种工艺，TMCP+回火工艺具有流程短、生产节奏快、生产成本低的优势。国内钢厂TMCP+回火工艺生产的Q550D回火温度普遍在550-650℃，回火的总时间系数普遍为3.5-5.0min/mm。如湘钢Q550D回火加热温度为550℃，回火总加热时间系数为3.0-3.5 min/mm；南阳汉冶Q550D回火加热温度为680℃，回火总时间系数为4.0 min/mm；济钢的Q550D加热温度为630℃，总的加热时间系数为3.0min/mm。
综上所述，现有Q550D的回火工艺的主要思路如下：
Q550D热轧组织主要为粒状贝氏体和少量板条贝氏体，其组织特征为B-F基体+多边形铁素体，B-F基体上分布有M-A岛、细小的碳氮化物和微小合金粒子，其强度硬度高，塑形和韧性较差。通过高温长时间充分回火，主要发生以下变化：（1）释放钢中的组织应力和残余应力，保证加工过程中钢板的尺寸稳定；（2）将组织中对提高强度有很大作用的高密度位错、条状碳化物、残奥氏和M-A岛充分的分解为不连续的碳化物质点并弥散分布在B-F基体和晶界处；（3）贝氏体合并、变宽、最后大部分呈多边形状。以上这些变化对钢板的加工性能提升、强度和硬度的降低、冲击和韧性的提升都有很好作用。
国内主流钢厂回火主要在无氧化辐射管加热炉进行，但辐射管加热时普遍存在加热段每个炉区的炉温设置不合理、保温段炉温设置偏高、保温时间设置过长，这导致了Q550D热处理周期长，生产效率低，生产成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法，该发明在确保Q550D钢板强度满足GB/T 1591的同时，通过降低回火的加热温度，同时匹配相应的加热时间来解决了现有技术所存在的回火温度较高，在炉时间过长，产能较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法，所述热处理方法包括加热、保温和冷却工序；热处理采用无氧化辊底式热处理炉加热，炉体分为12个区，其中1-6区为加热段、7-12区为保温段，所述保温工序，7-12区保温温度为450±10℃，保温时间系数1.0～1.3min/mm。
本发明所述保温工序，7-12区保温温度为450℃。
本发明所述加热工序，钢板从室温状态直接进入无氧化辊底式热处理炉内，加热段炉温采用由高到低的炉温梯度设置，1和2加热区炉温为550±10℃、3和4加热区炉温为530±10℃、5和6加热区炉温为500±10℃。
本发明所述加热工序，钢板从室温状态直接进入无氧化辊底式热处理炉内，加热段炉温采用由高到低的炉温梯度设置，1和2加热区炉温为550℃、3和4加热区炉温为530℃、5和6加热区炉温为500℃。
本发明所述加热工序，加热时间系数0.8～1.0min/mm
本发明所述冷却工序，采用空冷，冷却至室温。
本发明所述热处理方法生产的Q550D钢化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.04～0.09%、Mn：1.4～1.7%、Nb：0.04～0.065%、P≤0.015%、S≤0.015%、Cr：0.15～0.30%、Ti：0.01～0.03%、Mo：0.15～0.30%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述热处理方法生产的钢板厚度为20～50mm，显微组织为回火贝氏体。
本发明所述热处理方法生产的钢板性能指标：屈服强度570～670MPa、抗拉强度700～790MPa、延伸率19～24%、-20℃冲击功290～360J、180冷弯（b=2a、d=3a）不开裂。
本发明所述热处理方法板坯在炉时间缩短23～40%。
本发明在确保Q550D钢板强度满足GB/T 1591的同时，实现低温快速回火的目的，主要是基于热处理过程中组织转变原理，本发明主要原理如下：
a：加热时往往速度比较快，当热电偶显示到温的时候其实只是钢材的表面到温了，而心部并未到温。由于受加热炉长度的限制和生产节奏的要求，加热时间越短，钢板越快速到温，能量消耗越小，炉内即时产量越高。本发明通过模拟不同的炉温梯度设置和钢板的温度关系曲线，结合实际的生产情况，优化炉温设置工艺，将炉内加热段的温度由高到低设置成一定的梯度，保证钢板快速达到目标温度，这样加热时间系数由常规的1.2～1.5min/mm降低为0.8～1.0min/mm。
b：保温温度是影响回火组织和性能的关键工艺参数。Q550D进行回火的主要目的是释放组织应力和残余应力，降低强度和硬度，提高塑形和韧性。本发明研究不同的回火温度对组织和性能的影响：在300℃以下回火时，钢中的残余应力和内应力已经释放，但组织和钢板的性能几乎不发生变化；回火温度为400～450℃时，残奥开始分解形成黑色的碳化物并在晶界处聚集，这会造成钢强度上升，塑形和韧性下降，这也是第一类回火脆温度区间，是我们需要避开的温度区间。回火温度为450℃时，贝氏体的变宽以及M-A岛的分解，使得钢的抗拉强度降低，同时B-F基体上开始析出10nm左右的Nb、Ti等合金元素碳氮化物，这些析出物能够起到很好的沉淀强化作用，对屈服强度的提高有明显的作用，在此温度下屈服提升，抗拉下降，而TMCP态的Q550D存在屈服偏低，抗拉偏高的问题，通过450℃左右的回火，可以很好的解决这些问题。
c：保温时间是影响回火效果的重要工艺参数。本发明研究在450℃不同回火时间对组织和性能的影响：回火时间在30min左右，贝氏体组织逐渐粗化，粒状贝氏体上黑色碳化物质点也逐渐增多，在轧制过程中被拉长的原奥氏体晶界也在随着回火时间的延长而发生明显的回复，逐渐的多边形化。回火时间在30～40min时，残余奥氏体分解产生的碳化物对试验钢的强度增加与因回火时钢中的板条贝氏体变宽以及晶粒多边形化对试验钢的强度降低相互作用；而回火时间达到50min以上时，钢中的板条贝氏体变宽以及晶粒多边形化却在继续，但碳化物分解却已经结束，这样会造成强度会有所降低。根据以上试验结果，回火保温时间不宜过长，否则强度会大幅下降，但也不宜过短，否则钢中合金碳化物来不及析出，过冷组织来不及分解，不利于塑形和韧性提高。根据试验结果和实际生产效果，最终确定保温时间系数为1.0～1.3min/mm。
本发明Q550D钢产品标准参考：GB/T 1591；产品性能检测方法标准参考：拉伸性检测方法标准参考：GB/T 228.1；冲击性能检测方法标准参考：GB/T 232；冲击性能检测方法标准参考：GB/T 229。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明生产工艺回火温度低，在炉时间缩短23～40%，提高了生产产能，降低了生产成本，钢种各项力学性能指标均达到GB/T1591－2008《低合金高强度结构钢》要求。
附图说明
图1为实施例1 Q550D钢板回火后显微组织图（1000倍）；
图2为实施例2 Q550D钢板回火后显微组织图（1000倍）；
图3为实施例3 Q550D钢板回火后显微组织图（1000倍）；
图4为对比例 Q550D钢板回火后显微组织图（1000倍）。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地说明。
实施例1
本实施例Q550D钢板厚度为20mm，其化学成分组成及质量百分含量为：C：0.04%、Mn：1.7%、Nb：0.04%、P：0.015%、S：0.015%、Cr：0.15%、Ti：0.010%、Mo：0.15%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法包括加热、保温和冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）加热工序：钢板从室温状态直接进入无氧化辊底式热处理炉内，炉温设置为：1和2加热区炉温为550℃，3和4加热区炉温为530℃，5和6加热区炉温为500℃；加热时间系数0.8min/mm，即加热16min；
（2）保温工序：7-12区保温温度为450℃，保温时间系数1.0min/mm，即保温20min；
（3）冷却工序：采用空冷，冷却至室温。
本实施例Q550D钢板性能指标见表1，各项性能指标均达到GB/T 159-2008《低合金高强度结构钢》要求；Q550D钢板显微组织见图1，由图1可知回火后显微组织为回火贝氏体。
板坯在炉时间为36min(其中加热时间16min、保温时间20min），常规的回火在炉时间为60min（加热系数为3.0min/mm），采用低温快速回火的热处理方法后，加热时间缩短40%。
实施例2
本实施例Q550D钢板厚度为25mm，其化学成分组成及质量百分含量为：C：0.09%、Mn：1.4%、Nb：0.065%、P：0.010%、S：0.012%、Cr：0.23%、Ti：0.02%、Mo：0.23%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法包括加热、保温和冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）加热工序：钢板从室温状态直接进入无氧化辊底式热处理炉内，炉温设置为：1和2加热区炉温为550℃，3和4加热区炉温为530℃，5和6加热区炉温为500℃；加热时间系数0.9min/mm，即加热22.5min；
（2）保温工序：7-12区保温温度为450℃，保温时间系数1.2min/mm，即保温30min；
（3）冷却工序：采用空冷，冷却至室温。
本实施例Q550D钢板性能指标见表1，各项性能指标均达到GB/T 159-2008《低合金高强度结构钢》要求；Q550D钢板显微组织见图2，由图2可知回火后显微组织为回火贝氏体。
板坯在炉时间为52.5min(其中加热时间22.5min、保温时间30min），常规的回火在炉时间为75min（加热系数为3.0min/mm），采用低温快速回火的热处理方法后，加热时间缩短30%。
实施例3
本实施例Q550D钢板厚度为50mm，其化学成分组成及质量百分含量为：C：0.07%、Mn：1.7%、Nb：0.065%、P：0.008%、S：0.010%、Cr：0.30%、Ti：0.03%、Mo：0.30%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法包括加热、保温和冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）加热工序：钢板从室温状态直接进入无氧化辊底式热处理炉内，炉温设置为：1和2加热区炉温为550℃，3和4加热区炉温为530℃，5和6加热区炉温为500℃；加热时间系数1.0min/mm，即加热50min；
（2）保温工序：7-12区保温温度为450℃，保温时间系数1.3min/mm，即保温65min；
（3）冷却工序：采用空冷，冷却至室温。
本实施例Q550D钢板性能指标见表1，各项性能指标均达到GB/T 159-2008《低合金高强度结构钢》要求；Q550D钢板显微组织见图3，由图3可知回火后显微组织为回火贝氏体。
板坯在炉时间为115min(其中加热时间50min、保温时间65min），常规的回火在炉时间为150min（加热系数为3.0min/mm），采用低温快速回火的热处理方法后，加热时间缩短23%。
实施例4
本实施例Q550D钢板厚度为30mm，其化学成分组成及质量百分含量为：C：0.06%、Mn：1.45%、Nb：0.055%、P：0.010%、S：0.011%、Cr：0.158%、Ti：0.014%、Mo：0.19%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法包括加热、保温和冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）加热工序：钢板从室温状态直接进入无氧化辊底式热处理炉内，炉温设置为：1和2加热区炉温为540℃，3和4加热区炉温为520℃，5和6加热区炉温为490℃；加热时间系数0.9min/mm，即加热27min；
（2）保温工序：7-12区保温温度为440℃，保温时间系数1.1min/mm，即保温33min；
（3）冷却工序：采用空冷，冷却至室温。
本实施例Q550D钢板性能指标见表1，各项性能指标均达到GB/T 159-2008《低合金高强度结构钢》要求；回火后显微组织为回火贝氏体（回火组织图同实施例1-3，故省略）。
板坯在炉时间为60min(其中加热时间27in、保温时间33min），常规的回火在炉时间为90min（加热系数为3.0min/mm），采用低温快速回火的热处理方法后，加热时间缩短33%。
实施例5
本实施例Q550D钢板厚度为40mm，其化学成分组成及质量百分含量为：C：0.07%、Mn：1.63%、Nb：0.060%、P：0.008%、S：0.012%、Cr：0.23%、Ti：0.022%、Mo：0.25%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法包括加热、保温和冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）加热工序：钢板从室温状态直接进入无氧化辊底式热处理炉内，炉温设置为：1和2加热区炉温为560℃，3和4加热区炉温为540℃，5和6加热区炉温为510℃；加热时间系数1.0min/mm，即加热40min；
（2）保温工序：7-12区保温温度为460℃，保温时间系数1.2min/mm，即保温48min；
（3）冷却工序：采用空冷，冷却至室温。
本实施例Q550D钢板性能指标见表1，各项性能指标均达到GB/T 159-2008《低合金高强度结构钢》要求；回火后显微组织为回火贝氏体（回火组织图同实施例1-3，故省略）。
板坯在炉时间为88min(其中加热时间40min、保温时间48min），常规的回火在炉时间为120min（加热系数为3.0min/mm），采用低温快速回火的热处理方法后，加热时间缩短27%。
实施例6
本实施例Q550D钢板厚度为35mm，其化学成分组成及质量百分含量为：C：0.05%、Mn：1.53%、Nb：0.051%、P：0.070%、S：0.009%、Cr：0.20%、Ti：0.012%、Mo：0.24%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法包括加热、保温和冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）加热工序：钢板从室温状态直接进入无氧化辊底式热处理炉内，炉温设置为：1和2加热区炉温为553℃，3和4加热区炉温为527℃，5和6加热区炉温为502℃；加热时间系数0.8min/mm，即加热28min；
（2）保温工序：7-12区保温温度为454℃，保温时间系数1.2min/mm，即保温42min；
（3）冷却工序：采用空冷，冷却至室温。
本实施例Q550D钢板性能指标见表1，各项性能指标均达到GB/T 159-2008《低合金高强度结构钢》要求；回火后显微组织为回火贝氏体（回火组织图同实施例1-3，故省略）。
板坯在炉时间为70min(其中加热时间28min、保温时间42min），常规的回火在炉时间为105min（加热系数为3.0min/mm），采用低温快速回火的热处理方法后，加热时间缩短33%。
对比例1
本实施例Q550D钢板厚度为25mm，其化学成分组成及质量百分含量为：C：0.08%、Mn：1.48%、Nb：0.055%、P：0.010%、S：0.010%、Cr：0.20%、Ti：0.015%、Mo：0.20%，余量为Fe和不可避免的杂质。
（1）加热工序：钢板从室温状态直接进入无氧化辊底式热处理炉内，炉内温度全部设置为650℃，加热工序：加热时间系数1.2min/mm，即加热时间为30min；
（2）保温工序：保温温度为650℃，保温时间系数1.8min/mm，即保温45min；
（3）冷却工序：采用空冷，冷却至室温。
本对比例Q550D钢板性能指标见表1，各项性能指标均达到GB/T 159-2008《低合金高强度结构钢》要求；Q550D钢板显微组织见图4，由图4可知回火后显微组织为回火贝氏体。
本对比例的板坯在炉时间为75min(其中加热时间30min、保温时间45min）。
表1 实施例1-6及对比例1中Q550D钢板性能指标
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由以上实施例可以看出，按照本发明TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法生产的Q550D钢的力学性能不仅符合GB/T 1591-2008的要求，而且同常规回火工艺生产的Q550D性能相当。钢板在炉时间较常规工艺缩短了23-40%，加热温度由650℃降低为450℃，解决了现有技术所存在的回火温度过高，在炉时间过长，产能较低的问题。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括加热、保温和冷却工序；热处理采用无氧化辊底式热处理炉加热，炉体分为12个区，其中1-6区为加热段、7-12区为保温段，所述保温工序，7-12区保温温度为450±10℃，保温时间系数1.0～1.3min/mm；所述加热工序，加热时间系数0.8～1.0min/mm，钢板从室温状态直接进入无氧化辊底式热处理炉内，加热段炉温采用由高到低的炉温梯度设置，1和2加热区炉温为550±10℃、3和4加热区炉温为530±10℃、5和6加热区炉温为500±10℃；所述热处理方法生产的Q550D钢化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.04～0.09%、Mn：1.4～1.7%、Nb：0.04～0.065%、P≤0.015%、S≤0.015%、Cr：0.15～0.30%、Ti：0.01～0.03%、Mo：0.15～0.30%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法，其特征在于，所述保温工序，7-12区保温温度为450℃。
3.根据权利要求1所述的一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法，其特征在于，所述加热工序，钢板从室温状态直接进入无氧化辊底式热处理炉内，加热段炉温采用由高到低的炉温梯度设置，1和2加热区炉温为550℃、3和4加热区炉温为530℃、5和6加热区炉温为500℃。
4.根据权利要求1所述的一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法，其特征在于，所述冷却工序，采用空冷，冷却至室温。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法生产的钢板厚度为20～50mm，显微组织为回火贝氏体。
6.根据权利要求5所述的一种TMCP工艺Q550D低温快速回火的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法生产的钢板性能指标：屈服强度570～670MPa、抗拉强度700～790MPa、延伸率19～24%、-20℃冲击功290～360J、180冷弯（b=2a、d=3a）不开裂。
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