杨维宇杨雄：对高等级高强度钢板的影响

杨伟宇 杨雄

一、背景介绍

随着我国工业技术水平的不断发展和提高，造船、机械加工业、煤炭开采、矿山机械、石油化工、桥梁建设等行业对宽厚板的整体需求不断增加的同时，对高牌号和高强度板材也有所增加。 对钢板的需求也在不断增加。 近年来，国内钢铁企业越来越注重高附加值、高新技术产品的投资和生产。 尤其是在当前钢铁行业低迷的情况下，高附加值产品的优势更加明显。 越来越多的宽厚板生产线配备了相关热处理设备，利用热处理技术生产出技术含量高、附加值高、市场容量大的宽厚板产品。 对调整全国宽厚板产品结构、增强产品市场竞争力具有重要意义。

虽然我国中厚板生产线的装备水平有了很大的提高，特别是近年来，我国建成了多条现代化的中厚板生产线。 采用控轧、控冷技术，还可生产一些高附加值产品。 高价值钢板可以在一定程度上替代热处理，但一些高强度钢板如低温压力容器板、电厂锅炉板、工程机械钢板、耐磨钢板等明确规定标准规定必须以热处理状态交货。 这就要求我们必须对宽厚板的热处理进行研究。

2、主要合金元素对钢热处理的影响

作为钢中的重要元素之一，C含量直接影响钢的硬度、韧性、强度、淬透性和焊接性能。 碳含量高，硬度高，但韧性差，热处理裂纹倾向大，焊接性差； 碳含量太低，硬度低，淬透性和耐磨性差。

Si在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形式存在于铁素体或奥氏体中。 Si增加钢中固溶体的强度； 然而，如果Si含量太高，钢对过热变得更加敏感。

Mn是扩大奥氏体相面积的元素。 随着其含量的增加，不仅降低了共析温度，而且降低了共析点的碳含量。 因此，在相同的碳含量和冷却速度下，随着钢中Mn含量的增加，显微组织中的珠光体不仅细化，而且数量增多。 这导致钢的强度和硬度增加，从而可以显着提高钢的淬透性。 Mn的不利一面是增加钢的过热敏感性，晶粒趋于粗大； 此外，它还增加回火脆性。

Cr含量对材料的强度、塑性和低温冲击韧性有很大影响。 这是因为Cr能固溶在铁素体和奥氏体中，与钢中的C形成各种碳化物。 Cr固溶在奥氏体中时，可提高钢的淬透性。 当Cr和C形成复合碳化物并在钢中弥散析出时，可起到弥散强化作用。 然而，Cr在钢中起到强化作用的同时，也降低了塑性，增加了回火脆性。

就调质钢而言，随着Mo含量的增加，材料的强度、塑性和低温冲击韧性大大提高。 由于Mo固溶在铁素体和奥氏体中，可使钢的C曲线右移，从而显着提高钢的淬透性。 而且Mo能显着提高钢的再结晶温度，提高回火稳定性，调节氧化后可获得细晶索氏体，提高强度和韧性。 Mo碳化物形成时，可起到弥散强化作用。 当Mo含量较低时（

Ni能提高调质钢的淬透性，提高钢的低温韧性，降低韧脆转变温度。 随着Ni含量的增加，材料的强度和塑性增加，特别是低温冲击韧性增加。 这是因为Ni仅在钢中形成固溶体，固溶强化效果不明显。 它主要通过增加塑性变形时的晶格滑移面来提高材料的塑性。

微量B可显着提高钢的淬透性。 目前的共识是，硼原子在奥氏体淬火冷却过程中在晶界偏析，降低晶界能，抑制铁素体形核，延缓铁素体的形成。 同时，晶界上的硼原子还阻碍晶界原子的扩散，减缓晶界处铁素体的扩散和形核，从而提高淬透性。

3、宽厚板热处理工艺介绍

热处理使用不同的加热系统、保温时间和冷却速率来引起钢的成分和结构的扩散和再结晶。 它还可以促进或阻止其结构和成分的转变和沉淀，以达到所需的结构和性能。

钢板热处理的目的是增加钢板的强度，提高韧性和焊接性，消除内应力，防止白点，降低脆性和表面硬度。 当热轧性能不稳定时，热处理还可以调整其性能，节省因性能不合格造成的损失。 热处理不当会造成钢板下表面划伤，冷却不均匀会造成钢板变形和淬火钢板不均匀。 此外，还会增加能源消耗和成本。

中厚钢板主要热处理方法有正火（正火）、调质（淬火+高温回火）、正火+控冷、正火+回火、回火、退火、直接淬火（DQ）、直接淬火+回火等

其中，加工量最大的正火板，包括正火+回火，约占所有热处理产品的70%； 其次是调质板材，占比15%左右； 其他如回火等占15%。

3.1 正火

正火，又称正火或正火，是将钢或钢件加热到Ac3（或Accm）以上适当温度，保持适当时间，然后在空气中冷却以获得珠光体的热处理工艺。类结构。 其目的是使前道工序产生的异常组织（如粗大铁素体晶粒、魏氏组织、带状组织、非铁素体+珠光体组织等亚共析钢组织缺陷）通过再结晶，改善均匀组织（对于低碳钢为细小等轴铁素体+均匀分布的块状珠光体组织），从而提高其力学性能和工艺性能。

正火可用作初步热处理或最终热处理。 对于机加工件的结构钢，正火多作为预备热处理，为后续切削加工和最终热处理的结构做准备； 对于低碳、低合金钢板，总是采用正火作为最终热处理，使钢板具有一定的性能。 所需的组织，使其具有所需的机械性能和工艺性能。

经正火处理后的钢板晶粒细小，碳化物分布均匀，力学性能良好。 正火工艺可显着提高目前常用的含Nb、V、Ti等强碳氮化物形成元素的低（微）合金高强度钢板的延伸率、低温冲击韧性和冷弯性能。

但值得注意的是，正火虽然改善了热轧低碳低合金钢板的工艺性能，但往往会降低钢材的强度。 屈服强度和抗拉强度一般降低20～50MPa。 对于控轧控冷钢板来说，可能会产生严重的风险。 降低80~120MPa。 因此，为保证钢板的交货性能，正火钢板的成分设计应与一般控轧控冷钢板不同。 可适当添加C、Mn等固溶强化元素，以提高强度（注意碳当量指标不超过这两项指标较高），虽然热轧后钢板的延伸率或冲击功有所降低，正常治疗后会有很大改善。

3.2调质（淬火+高温回火）

淬火是将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上，保温，然后以大于临界冷却速度（Vc）的速度冷却，以获得亚稳定马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。 目的：提高强度、硬度、耐磨性。

随着淬火钢温度的升高，其内部组织将发生马氏体分解、残余奥氏体转变、碳化物转变、α相状态变化、碳化物聚集长大等一系列过程。 这个过程称为回火。 回火按温度分为低温回火、中温回火和高温回火，分别获得回火马氏体、回火屈氏体和回火索氏体组织。 目的：减少或消除淬火应力，提高韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性、韧性的适当组合。

调质是指淬火+高温回火。 近年来，超级钢、超低碳贝氏体钢等生产技术蓬勃发展。 许多采用传统调质处理生产的屈服强度超过450MPa的钢板，可以采用超细晶粒等技术生产。 但对于压力容器、储油罐、桥梁、军工等重要结构钢板，很多标准和用户仍然要求钢板以调质状态交货。 因此，提高中厚钢板厂的产品质量，一条现代化的调质钢板生产线是必不可少的。

调质代表钢种有油罐钢SPV490Q、14MnNbq、军工板921、模具钢P20等。目前调质热处理线均采用辊底炉快速出炉，并配备滚筒淬火机。

3.3 正火+控冷（+回火）

正火炉除了加工“双高”产品外，还起到了一大作用，可以节省许多热轧后延伸率或冲击不符合要求的产品，降低矫正率。 但随之而来的一个问题是，一些因延伸或冲击而无需修复的产品强度较低，很容易导致处理后强度不一致。 除了对正火温度和时间进行一些调整外，还可以采用正火+控冷（+回火）工艺。

为了防止很多钢板正火后强度明显降低，国内武钢、武钢、重钢、太钢等和钢铁有限公司等都开发了正火+控制冷却工艺，利用炉后淬火机或简单的水冷设施对正火后的钢板进行弱化。 水冷（水雾等）工艺可以更好地补偿钢板的强度损失。 根据太钢的经验，钢板强度可提高10MPa。 对于控冷后性能波动较大的钢种或按照ASTM（美国材料试验协会）正火后需要加速冷却回火的钢种，也可采用正火+控冷+回火工艺。

3. 4正火+回火

广泛应用于锅炉压力容器钢板的处理，特别是铬钼钢，多采用正火+高温回火。

3. 5淬火+低温回火

对于表面硬度要求较高的钢种，如耐磨钢，常采用淬火+低温回火。

3. 6 在线直接淬火（DQ）+回火

该技术是20世纪90年代以来发展起来的新技术。 利用轧制后的直接淬火设备（30mm以下更容易）对钢板进行在线直接淬火，然后进行离线回火处理，可以大大节省热处理成本。 目前广泛用于生产高强度低碳贝氏体钢、油罐钢等钢种。

4、Q550D回火工艺研究

Q550D采用Cr-Mo-V-Nb-Ti合金系。 图4-1为钢板经过TMCP工艺后的金相组织。

图4-1 Q550D轧制结构

从组织中可以看出，该钢板的组织为贝氏体和少量铁素体。 晶粒尺寸小。 由于冷却速度快，原始奥氏体晶界依稀可见。

为了研究回火温度对力学性能的影响，对轧制钢板进行了取样，分别在450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃下进行了回火试验。 、800℃和850℃，并保持30分钟。 回火后，测试钢板的力学性能和冲击性能，并在光学显微镜下观察金相组织。 图4-2和图4-3分别显示了回火温度对力学性能和冲击性能的影响。

图4-2 回火温度对力学性能的影响

从图4-2可以看出，随着回火温度的升高，屈服强度总体呈现先上升后下降的过程：其中，550℃之前上升缓慢，550℃～650℃之间上升明显， 650℃后逐渐降低，650℃时屈服强度达到610MPa。 主要原因是回火过程中会析出各种碳化物。 550℃之前碳化物析出缓慢。 超过600℃后，碳化物析出加速。 另外，在轧制过程中保留有大量变形位错。 下来，由于位错密度高，碳化物成核率高，析出的碳化物细小，屈服强度显着提高。 超过700℃后，组织转变开始，强度自然迅速下降。

整体抗拉强度呈下降趋势，但下降幅度较慢。 回火温度每升高50℃，抗拉强度仅降低5-10Mpa。 抗回火性能好，这是TMCP+T工艺的显着特点。 500℃后伸长率逐渐增加，650℃时伸长率达到17%。

图4-3 回火温度对冲击功的影响

从图4-3可以看出，随着温度的升高，冲击功呈现先增大、减小再增大的趋势，在650℃时达到258J，远大于标准规定的47J。 图4-4为不同回火温度后钢板的金相组织。

(一)550℃+30分钟

(b) 650℃+30分钟

(c) 850℃+30分钟

图4-4 钢板不同回火温度后的金相组织

综上所述，Q550D钢板在650℃左右回火并保温30分钟时，可以实现强度、塑性、韧性的良好匹配，完全满足标准和用户要求。

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