CN112080703B - 一种960MPa级微残余应力高强钢板及其热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢铁热处理领域，特别涉及一种960MPa级微残余应力高强钢板及其热处理方法，其成分按重量百分比C0.15~0.20，Si0.7~1.17，Mn1.2~2.2，Al0.02~0.06，P0.015~0.02，Cr0.3~0.45，Mo0.35‑55，Nb0.02‑0.04，V0.07‑0.1，Ti0.01‑0.03，余量为Fe和不可避免的杂质，采用张力下连续热处理的方式，两次加热、两次保温和氮气加热气雾式淬火。与现有技术相比，本发明的优点是：1）淬火时使用雾冷方式，保证钢板残余应力小不会变形；产品在后续加工、制作工程中不变形，提高产品的合格率；2）得到的组织为回火索氏体；3）淬火之前，在氮气保护中缓慢冷却，内部组织均匀，淬火过程温差减小。

Description

一种960MPa级微残余应力高强钢板及其热处理方法

技术领域

本发明属于钢铁材料热处理领域，特别涉及一种960MPa级微残余应力高强钢板及其热处理方法。

背景技术

传统热轧960MPa级工程机械用高强钢是以钢卷形式生产，用户使用时需要进行矫直并经过横切、等离子切割或激光切割最后成型使用。随着板材使用强度的逐渐提高，板形成为了用户要求越来越高的一个质量指标，严重的板形缺陷可能导致用户在使用时候延迟生产、损伤加工设备、影响焊接质量等问题。这就需要对最终板形进行控制，提供给用户具有高质量板形的产品。工程机械上使用的钢材高强化趋势越来越明显，而且用量也在持续增大。带钢强度越高，带钢的内应力会越大，导致轧后开平过程和使用过程易出现大的变形且难以消除，尤其是600MPa级别以上的高强钢薄板，需要进行机械加工与热处理结合的方法消除残余应力，而先进矫直机动辄上亿元，造价昂贵，另中小企业无法承受。

残余应力是当无任何工作载荷作用的情况下存在于构件内部且在整个构件内部保持平衡的应力。热轧高强带钢在轧制、开平、热处理等工艺中都可能产生残余应力。热轧带钢内部残余应力问题实质上是板形问题。用户所希望得到的是内应力均勻分布或者无内应力且板形良好的带钢。提高热轧带钢的板形质量、消除残余应力可以减少带钢使用过程中由于形变带来的附加工序，提高生产效率和成材率，降低生产成本。解决板带生产中残余应力问题是一项具有巨大经济意义并具有非常重要的社会意义的工作。

低残余应力高强钢对提高微小工件的可靠性非常重要，申请号为201911376787.0的中国发明专利公开了一种喷丸强化后微量去除的表面修形和残余应力调控方法，通过对机械加工和喷丸强化后的零件进行表面形貌检测和残余应力检测，根据检测结果确定零件的去除量范围，根据通过多次试验获得的去除量值与残余应力需求的对应关系，在去除量范围内选择各残余应力需求对应的去除量值，并根据选取的去除量值选择相应参数的切削刀具，对零件进行微量去除加工，实现对零件表面残余应力状态进行调控；并且，通过喷丸强化-微量去除的复合工艺流程，在零件表面引入有利于提高疲劳寿命的残余应力状态，通过微量去除方式修正因喷丸强化导致的零件变形和表面粗糙度下降的问题，使得零件在满足精度要求的同时获得更高的疲劳寿命。

但是目前还很少有能去除高强钢板残余应力的热处理方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种960MPa级微残余应力高强钢板及其热处理方法，克服现有技术的不足，适用于960MPa级别微残余应力高强板的生产，得到的钢板外形尺寸符合标准要求，整体物理性能得到优化，抗拉强度为980-1150MPa，屈服强度为960-1000MPa，延伸率为≥14%；在钢板淬火的不同阶段，通过控制水和空气在钢板淬火过程中，高压空气将水雾化成极细小的水滴，打破钢板表面的水蒸汽膜，提高冷却能力；在淬火过程钢板温度接近马氏体相变点时，降低水流量，提高空气压力及流量，使钢板表面与中心温差小，降低淬火后钢板变形量和残余应力，保证钢板板型控制精度及钢板塑性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案实现：

一种960MPa级微残余应力高强钢板，其特征在于：其化学成分按重量百分比为C0.15~0.20，Si0.7~1.17，Mn1.2~2.2，Al0.02~0.06，P0.015~0.02，Cr0.3~0.45，Mo0.35-0.55，Nb0.02-0.04，V0.07-0.1，Ti0.01-0.03，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述一种960MPa级微残余应力高强钢板的热处理方法，采用张力下连续热处理的方式，两次加热、两次保温和氮气加热气雾式淬火，具体包括以下步骤：

1）上卷开卷：将钢卷运至全自动液压开卷机开卷，钢板厚度为3-10mm，板宽800~1900mm；

2）校平矫直：钢板由九辊矫直机校平，平整度≤5mm；

3）人工对焊：将校平后钢板接入生产线，并对卷头进行人工对焊定位；

4）活套：钢板经过拉伸式活套进入水平缓冲区，活套缓冲距离40~220m；

5）第一感应加热炉加热：钢板在张力牵引下经第一感应加热炉进行在线连续热处理，采用中频感应加热器，在2min之内温度由室温提升达到700℃；

6）氮气保护电阻炉保温：在电阻炉中钢板温度由700℃继续升至淬火温度920℃~935℃，保温时间按钢板厚度每毫米保温70~90秒计算确定；

7）气雾式淬火：在淬火机中进行气雾式淬火冷却，把钢板从750~770℃的温度快速冷却到室温，冷却速度40℃/s；空气流量30~50m³/h，空气压力0.4~0.6Mpa，水流量10~15m³/h，水压0.5~0.7Mpa，水温15±0.5℃；

8）第二感应加热炉加热：采用中频感应加热炉加热至回火温度600℃后，在2min之内温度提升到奥氏体化温度后出炉；

9）回火电阻炉保温：在氮气保护中缓慢冷却至660-670℃，然后送入回火电阻炉保温时间为10~20min，移出回火炉最后空冷至室温；

10）定尺剪切：采用液压剪进行定尺剪切，长度2~13米。

进一步的，所述步骤4）中的拉伸式活套包括卷扬机、张力辊、张力辊滑座、轨道和地坑，地坑长不少于100米，地坑底部设有轨道，张力辊滑座设于轨道上，轨道的尽头设有卷扬机，卷扬机通过钢丝绳与张力辊的轴头相连接，张力辊固定连接于张力辊滑座的顶部。

进一步的，所述张力辊与生产线来料处之间的轨道上设有若干个滑动支架，滑动支架顶端设有托辊，相邻滑动支架之间通过环链相连接，张力辊使钢板具有3t-8t的张力。

进一步的，所述步骤5）和8）中的任一个中频感应加热器为150kW 10KHz中频感应加热器。

进一步的，所述步骤7）中空气与水的流量配比为90%：10%。

进一步的，所述步骤7）中的淬火机为卧式淬火机，具有前门和后门，钢板从前门到后门连续通过，所述前门和后门处分别设有风幕，所述风幕为压缩空气，压缩空气压力为0.8-1.0Mpa，风幕喷嘴为宽0.05~0.12mm 狭隙。

进一步的，所述步骤9）中电阻炉内为氮气气氛。

本发明整个过程在氮气保护下进行，钢板在有张力的情况下采用气雾式淬火冷却方式冷却至室温，确保钢板的淬透性，然后，钢板继续在中频感应加热炉加热至回火温度600℃后，进入电阻炉中保温，最后空冷至室温。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中淬火时使用雾冷方式，能够保证钢板残余应力小不会变形，最终尺寸合格；生产出的产品在后续加工、制作工程中不变形进而降低加工难度，提高合格率。2）本发明得到的组织为明显的回火索氏体显微结构特征，晶粒未出现粗大现象，这与加热温度控制准确，气雾冷却降温速度较快较均匀，局部没有较大温差有关。淬火温度可以影响奥氏体晶粒的尺寸，因此淬火温度的控制显得尤为重要。本工艺选择的淬火温度和保温时间在考虑材料性能的同时，尽量减短保温时间。3）在高温回火过程中，淬火后的马氏体板条边界基本消失。Mo元素可以降低回火软化程度，且微合金的碳氮化物的析出对位错也起到了钉扎作用，这也是力学性能得到提升的一个原因。Nb 和 Ti元素是碳化物形成元素，可以有效阻碍C在钢中的扩散，抑制了奥氏体化的速率，另外它们的第二相粒子也起到一定阻碍晶粒生长的作用。

附图说明

图1是本发明实施例工艺流程图。

图2是本发明实施例中的拉伸式活套示意图。

图3是本发明实施例中的淬火机上的风幕结构示意图。

图4是实施例1钢板热理后的晶相图。

图中：1-卷扬机；2-张力辊；3-张力辊滑座；4-轨道；5-地坑；6-滑动支架；7-钢丝绳；8-托辊；9-环链；10-淬火机；11-前门；12-后门；13-风幕；14-钢板。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明：

以下实施例中采用本发明一种960MPa级微残余应力高强钢板，其化学成分按重量百分比为C0.15~0.20，Si0.7~1.17，Mn1.2~2.2，Al0.02~0.06，P0.015~0.02，Cr0.3~0.45，Mo0.35-0.55，Nb0.02-0.04，V0.07-0.1，Ti0.01-0.03，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明热处理过程如下，见图1，具体包括以下步骤：

1）上卷开卷：将钢卷运至全自动液压开卷机开卷，钢板板宽975mm；

2）校平矫直：钢板由九辊矫直机校平，平整度≤5mm；

3）人工对焊：将校平后钢板接入生产线，并对卷头进行人工对焊定位；

4）活套：钢板14经过拉伸式活套进入水平缓冲区，活套缓冲距离40~220m；见图2，拉伸式活套包括卷扬机1、张力辊2、张力辊滑座3、轨道4和地坑5，地坑5长不少于100米，地坑5底部设有轨道4，张力辊滑座3设于轨道4上，轨道4的尽头设有卷扬机1，卷扬机1通过钢丝绳7与张力辊2的轴头相连接，张力辊2固定连接于张力辊滑座3的顶部。张力辊2与生产线来料处之间的轨道4上设有若干个滑动支架6，滑动支架6顶端设有托辊8，相邻滑动支架6之间通过环链9相连接，卷扬机和张力辊能使钢板具有1t-15t的张力。滑动支架6可使钢板保持平直。

5）第一感应加热炉加热：钢板在张力牵引下经第一感应加热炉进行在线连续热处理，采用150kW 10KHz中频感应加热器，在2min之内温度由室温提升达到700℃；

6）氮气保护电阻炉保温：在氮气气氛的电阻炉中钢板温度由700℃继续升至淬火温度930℃，保温时间150秒；

7）气雾式淬火：在淬火机中进行气雾式淬火冷却，把钢板从750~770℃的温度快速冷却到室温，冷却速度40℃/s；空气流量30~50m³/h，空气压力0.4~0.6Mpa，水流量10~15m³/h，水压0.5~0.7Mpa，水温15±0.5℃；空气与水的流量配比为90%：10%。淬火机10为卧式淬火机，具有前门11和后门12，钢板从前门到后门连续通过，前门和后门处分别设有风幕13，见图3，风幕内为压缩空气，压缩空气压力为0.8-1.0Mpa，风幕喷嘴为宽0.05~0.12mmr 狭隙。

8）第二感应加热炉加热：采用150kW 10KHz中频感应加热炉加热至回火温度600℃后，在2min之内温度提升到奥氏体化温度后出炉；

9）回火电阻炉保温：在氮气保护中缓慢冷却至660-670℃，保温时间为10~20min，最后空冷至室温；电阻炉内为氮气气氛。实施例中，在氮气保护中缓慢冷却至660-670℃后，内部组织均匀化，淬火过程中温差减小，因此残余应力小不会引起零件变形，从而保证零件最终尺寸合格，660-670℃这个温度范围必须保证，高于670℃时，组织生成的过于剧烈，会引起变形，产于应力大造成最终尺寸超差；低于660℃时，组织生成的过少，零件强度不达标。

10）定尺剪切：采用液压剪进行定尺剪切，长度3.6米。

按钢板的不同厚度，分别选取3mm、6mm、8mm、12mm、15mm的钢板做为实施例1到实施例5进行热处理，热处理后，钢板的组织为回火索氏体，晶相图见图4。各实施例的力学性能测试结果如下表1：

表1

热处理后，钢板不平度参数见表2。

表2

热处理后，钢板等离子切条变形参数见表3。

表3

以上实施例仅是为详细说明本发明的目的、技术方案和有益效果而选取的具体实例，但不应该限制本发明的保护范围，凡在不违背本发明的精神和原则的前提下，所作的种种修改、等同替换以及改进，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种960MPa级微残余应力高强钢板，其特征在于：其化学成分按重量百分比为C0.15~0.20，Si0.7~1.17，Mn1.2~2.2，Al0.02~0.06，P0.015~0.02，Cr0.3~0.45，Mo0.35-0.55，Nb0.02-0.04，V0.07-0.1，Ti0.01-0.03，余量为Fe和不可避免的杂质；

所述一种960MPa级微残余应力高强钢板的热处理方法，采用张力下连续热处理的方式，两次加热、两次保温和氮气加热气雾式淬火，具体包括以下步骤：

步骤1）上卷开卷：将钢卷运至全自动液压开卷机开卷，钢板厚度为3-10mm，板宽800~1900mm；

步骤1）校平矫直：钢板由九辊矫直机校平，平整度≤5mm；

步骤2）人工对焊：将校平后钢板接入生产线，并对卷头进行人工对焊定位；

步骤3）活套：钢板经过拉伸式活套进入水平缓冲区，活套缓冲距离40~220m；

步骤4）第一感应加热炉加热：钢板在张力牵引下经第一感应加热炉进行在线连续热处理，采用中频感应加热器，在2min之内温度由室温提升达到700℃；

步骤5）氮气保护电阻炉保温：在电阻炉中钢板温度由700℃继续升至淬火温度920℃~935℃，保温时间按钢板厚度每毫米保温70~90秒计算确定；

步骤6）气雾式淬火：在淬火机中进行气雾式淬火冷却，把钢板从750~770℃的温度快速冷却到室温，冷却速度40℃/s；空气流量30~50m³/h，空气压力0.4~0.6Mpa，水流量10~15m³/h，水压0.5~0.7Mpa，水温15±0.5℃；

步骤7）第二感应加热炉加热：采用中频感应加热炉加热至回火温度600℃后，在2min之内温度提升到奥氏体化温度后出炉；

步骤8）回火电阻炉保温：在氮气保护中缓慢冷却至660-670℃，然后送入回火电阻炉保温时间为10~20min，移出回火炉最后空冷至室温；

步骤9）定尺剪切：采用液压剪进行定尺剪切，长度2~13米。

2.根据权利要求1所述的一种960MPa级微残余应力高强钢板的热处理方法，其特征在于，所述步骤4）中的拉伸式活套包括卷扬机、张力辊、张力辊滑座、轨道和地坑，地坑长不少于100米，地坑底部设有轨道，张力辊滑座设于轨道上，轨道的尽头设有卷扬机，卷扬机通过钢丝绳与张力辊的轴头相连接，张力辊固定连接于张力辊滑座的顶部。

3.根据权利要求2所述的一种960MPa级微残余应力高强钢板的热处理方法，其特征在于，所述张力辊与生产线来料处之间的轨道上设有若干个滑动支架，滑动支架顶端设有托辊，相邻滑动支架之间通过环链相连接，张力辊使钢板具有3t-8t的张力。

4.根据权利要求1所述的一种960MPa级微残余应力高强钢板的热处理方法，其特征在于，所述步骤5）和8）中的任一个中频感应加热器为150kW 10KHz中频感应加热器。

5.根据权利要求1所述的一种960MPa级微残余应力高强钢板的热处理方法，其特征在于，所述步骤7）中空气与水的流量配比为90%：10%。

6.根据权利要求1所述的一种960MPa级微残余应力高强钢板的热处理方法，其特征在于，所述步骤7）中的淬火机为卧式淬火机，具有前门和后门，钢板从前门到后门连续通过，所述前门和后门处分别设有风幕，所述风幕为压缩空气，压缩空气压力为0.8-1.0Mpa，风幕喷嘴为宽0.05~0.12mm 狭隙。

7.根据权利要求1所述的一种960MPa级微残余应力高强钢板的热处理方法，其特征在于，所述步骤9）中电阻炉内为氮气气氛。

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