CN102912108A - 一种改善微合金钢焊缝组织与性能的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改善微合金钢焊缝组织与性能的热处理工艺，将含Nb、V、Ti微合金钢焊缝随炉快速加热到Ac3 +（25～75）℃保温一段时间后冷却至室温，将此工艺重复进行3～5次，完成奥氏体向铁素体和珠光体的转变。按本发明的正火热处理工艺对含Nb、V、Ti微合金钢焊缝进行多次正火处理，其综合机械性能得到明显改善，屈服强度大于360MPa，抗拉强度σb大于510MPa，延伸率大于36%，-20℃下标准冲击功大于230J，可以用来制造要求具有较高冲击性能的零部件，显著提高含Nb、V、Ti微合金钢焊缝的塑性和韧性，进一步提高了含Nb、V、Ti低合金钢焊缝的安全可靠性，扩大含Nb、V、Ti焊接材料及含Nb、V、Ti钢的使用范围。
Description
技术领域
本发明属于金属材料热处理技术领域，具体为一种改善微合金钢焊缝组织与性能的热处理工艺，可使含Nb、V、Ti微合金钢焊缝获得均匀细小的铁素体和珠光体组织，以及良好的综合力学性能。
背景技术
目前钢铁企业正大力发展高强微合金钢以满足不同领域的工业需要，Nb、V、Ti的碳、氮化物具有在较高温度下保持微粒而又均匀分布的特性，可以作为细化晶粒的合金元素而被加入到结构钢中，低碳钢通过单独或复合加入合金元素Nb、V、Ti可达到提高钢材力学性能的目的。这些合金元素所具有的重要特性之一，就是在一定加热温度下可以固溶于基体，而在热加工和冷却过程中，随着温度的降低又能以碳化物的形式析出，通过控制其析出行为，可以对钢的显微组织和性能产生较大的影响。在低合金钢中，由于这些合金元素的加入，从而使抑制晶粒长大的方式得以实现，并成为低合金钢中最重要的细化晶粒方法之一。目前，Nb、V、Ti被广泛应用在低合金钢的生产过程中，是提高钢材强韧性较为有效的合金元素。对含Nb、V、Ti微合金钢的研究主要集中在不同变形及冷却条件下，Nb、V、Ti的析出行为及其对钢材组织及性能的影响，但是对于不同焊后热处理条件下，Nb、V、Ti的存在形式，及其对焊缝金属组织和性能的影响还缺乏深入的了解。
在熔焊过程中，焊缝的冷却速度很快，其相变过程达不到完全平衡状态，焊缝组织为极不均匀的铸造组织，化学成分分布也很不均匀，影响接头质量，可以采用焊后热处理方法来改善焊缝组织和性能。对于含Nb、V、Ti微合金钢焊缝，焊态下由于冷却速度较快，焊缝中的Nb、V、Ti来不及析出将固溶于基体中，起到固溶强化的作用，当对焊缝进行焊后热处理后，焊缝中的Nb、V、Ti将与C、N结合形成(Nb, V, Ti)(C,N)析出相，但如果热处理工艺选择不当，将导致(Nb, V, Ti)(C,N)未充分析出或尺寸过大，此时析出的(Nb, V, Ti)(C,N)颗粒不但没有起到细化晶粒和提高焊缝金属塑性和韧性的作用，反而破坏了基体的连续性，显著恶化了焊缝性能，因此对于在要求具有较高塑性和韧性条件下使用的含Nb、V、Ti微合金钢焊缝要制定合适的热处理工艺以提高其综合性能。
公开号为CN101215625的专利提出了一种改变焊缝组织性能的形变热处理方法，该方法虽然能细化焊缝组织改善焊缝性能，但需要对焊缝进行变形，工艺比较复杂，而且不适于对最终零件进行处理。公开号为CN101503757和CN101624645的专利分别提出了两种改善焊缝性能的热处理工艺，这两种方法仅对焊缝金属进行单次热处理，对焊缝组织和性能的改善作用有限。公开号为CN101805822A的专利提出了一种15CrMoG钢环形焊缝热处理方法，该方法的热处理温度较低，只是用来降低焊接应力，预防延迟裂纹，并不能细化晶粒。公开号为CN102230066A的专利提出了一种12Cr1MoV管道焊缝局部热处理工艺，该方法所用的热处理温度较低，能消除焊接应力，但对焊缝组织和性能的改善作用较小。公开号为CN102399970A和CN101622365的专利提出的两种热处理方法均是采用淬火加回火工艺以改善马氏体钢性能。在这些已公开的专利或文章中所使用的热处理方法很难使含Nb、V、Ti微合金钢焊缝的组织和性能最优化。
发明内容
针对焊态下含Nb、V、Ti微合金钢焊缝塑性和韧性较低，不能满足在要求具有较高塑性和韧性条件下使用的问题，提供一种改善含Nb、V、Ti微合金钢焊缝组织与综合性能的热处理工艺，扩大含Nb、V、Ti焊接材料及含Nb、V、Ti钢的使用范围。
本发明为一种改善微合金钢焊缝组织与性能的热处理工艺，将含Nb、V、Ti微合金钢焊缝随炉快速加热到奥氏体化温度保温一段时间后，焊缝中的焊态组织将发生完全奥氏体化转变，而且焊缝中的(Nb, V,Ti)(C,N)析出相在保温过程中会阻止奥氏体晶粒长大，在随后的冷却过程中(Nb, V, Ti)(C,N)析出相又会作为铁素体的核心而增大铁素体的形核率，最终得到细化的焊缝组织，并改善焊缝的性能。
本发明一种改善微合金钢焊缝组织与性能的热处理工艺，包括以下工艺步骤：将含Nb、V、Ti微合金钢焊缝随炉快速加热到Ac3 +（25～75）℃保温一段时间后冷却至室温，将此工艺重复进行3～5次（一共进行3～5次），完成奥氏体向铁素体和珠光体的转变；
含Nb、V、Ti微合金钢焊缝随炉加热时的加热速率不小于1℃/min，优选范围为1～10℃/min；
所述保温时间为1.5小时～4.5小时；
冷却时在空气中冷却至室温，冷却速度保证不小于2℃/min，优选范围为2～16℃/min，以得到均匀细小的铁素体和珠光体组织。
本发明中，Ac3是指完全奥氏体化温度。
本发明的原理如下：
本发明采用焊后进行多次正火处理的方法，通过调整正火工艺次数，使焊缝组织转变为较为细小的等轴铁素体与少量珠光体的混合组织，改善焊缝强度和韧塑性。将含Nb、V、Ti微合金钢焊缝随炉快速加热到Ac3 +（25～75）℃，保温1.5小时～4.5小时完全奥氏体化后空冷，将此工艺重复进行3～5次，完成奥氏体向铁素体和珠光体的转变。多次正火处理通过细化晶粒和调整析出相的方法来实现综合力学性能的最佳化，即较高强度与较好韧塑性的组合。按本发明的正火热处理工艺对含Nb、V、Ti微合金钢焊缝进行多次正火处理，其综合机械性能得到明显改善，屈服强度大于360MPa，抗拉强度σb大于510MPa，延伸率大于36%，-20℃下标准冲击功大于230J，可以用来制造要求具有较高冲击性能的零部件。
1、本发明从控制焊缝焊后不同正火热处理工艺出发，通过改变焊缝组织和析出相大小，来调整焊缝强度和韧塑性。根据含Nb、V、Ti微合金钢焊缝不同正火次数条件下微观组织演变特征，通过选择合适的热处理工艺，获得了均匀细小的铁素体和珠光体组织，以及良好的综合力学性能。
2、本发明所有采用的热处理工艺参数均可以实现工业应用。
3、本发明可以显著提高含Nb、V、Ti微合金钢焊缝的塑性和韧性，进一步提高了含Nb、V、Ti低合金钢焊缝的安全可靠性，扩大含Nb、V、Ti焊接材料及含Nb、V、Ti钢的使用范围。
附图说明
图1为本发明含Nb、V、Ti微合金钢焊缝的正火热处理工艺示意图；
图2为实施例1的焊缝金相组织；
图3为实施例2的焊缝金相组织；
图4为实施例3的焊缝金相组织；
图5为比较例1的焊缝金相组织；
图6为比较例2的焊缝金相组织；
图7为比较例3的焊缝金相组织；
图8为比较例4的焊缝金相组织；
图9为比较例5的焊缝金相组织。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但不够成对本发明的任何限制。
本发明所使用的热处理设备无特殊要求，普通电阻炉即可。本发明中含Nb、V、Ti微合金钢焊缝的化学成分见表1。经测试，试样成分的Ac3为890℃。试样焊缝金属使用富氩基二氧化碳焊方法焊得，焊接试验条件见表2，母材为S355J2G3钢。
表1 含Nb、V、Ti微合金钢焊缝金属的化学成分（质量分数，%）
表2 以下实施例和比较例测试结果的焊接试验条件
上表中，tMAG/135的含义是熔化极活性气体保护焊。
实施例1：
热处理工艺：将含Nb、V、Ti微合金钢焊缝以4℃/min快速加热到930℃保温2.5小时后空冷至室温（冷却速度一般为12℃/min左右），之后再将此工艺重复两次。焊缝金相组织见图2，性能测试数据见表3。
实施例2：
热处理工艺：将含Nb、V、Ti微合金钢焊缝以4℃/min快速加热到930℃保温2.5小时后空冷至室温（冷却速度一般为12℃/min左右），之后再将此工艺重复三次。焊缝金相组织见图3，性能测试数据见表3。
实施例3：
热处理工艺：将含Nb、V、Ti微合金钢焊缝以4℃/min快速加热到930℃保温2.5小时后空冷至室温（冷却速度一般为12℃/min左右），之后再将此工艺重复四次。焊缝金相组织见图4，性能测试数据见表3。
比较例1：
焊后未进行任何热处理，焊缝金相组织见图5，性能测试数据见表3。
比较例2：
热处理工艺：将含Nb、V、Ti微合金钢焊缝以4℃/min快速加热到930℃保温2.5小时后空冷至室温（冷却速度一般为12℃/min左右）。焊缝金相组织见图6，性能测试数据见表3。
比较例3：
热处理工艺：将含Nb、V、Ti微合金钢焊缝以4℃/min快速加热到930℃保温2.5小时后空冷至室温（冷却速度一般为12℃/min左右），之后再将此工艺重复一次。焊缝金相组织见图7，性能测试数据见表3。
比较例4：
热处理工艺：将含Nb、V、Ti微合金钢焊缝以4℃/min快速加热到930℃保温2.5小时后空冷至室温（冷却速度一般为12℃/min左右），之后再将此工艺重复五次。焊缝金相组织见图8，性能测试数据见表3。
比较例5：
热处理工艺：将含Nb、V、Ti微合金钢焊缝以4℃/min快速加热到930℃保温2.5小时后空冷至室温（冷却速度一般为12℃/min左右），之后再将此工艺重复六次。焊缝金相组织见图9，性能测试数据见表3。
表3 实施例和比较例的性能试验测试结果
从实施例1～3、比较例1～5、图2～9及表3可以看出：
采用本发明设计的含Nb、V、Ti微合金钢焊缝的热处理工艺，实施例1焊缝内的组织为较为细小的等轴铁素体与少量珠光体的混合组织，采用截距法测定晶粒尺寸为12μm，强度适中，塑性和韧性较高；实施例2及3的焊缝组织、强度、塑性及韧性均与实施例1相当，其晶粒尺寸均为13μm。比较例1的焊缝组织为焊态下的柱晶组织，强度很高，塑性和韧性很低；比较例2的焊缝组织为等轴铁素体与少量珠光体的混合组织，但与实施例相比其组织较粗大，晶粒尺寸为47μm，因此其强度、塑性和韧性均较低；比较例3的焊缝组织和性能与比较例2相比有所改善，但仍低于实施例，其晶粒尺寸为23μm；比较例4的焊缝组织中出现了混晶组织，因此与实施例相比性能有所降低；比较例5的焊缝组织与比较例4相比混晶组织更加严重，因此性能进一步恶化。
Claims (3)
1.一种改善微合金钢焊缝组织与性能的热处理工艺，其特征在于：将含Nb、V、Ti微合金钢焊缝随炉快速加热到Ac3 +（25～75）℃保温一段时间后冷却至室温，将此工艺重复进行3～5次，完成奥氏体向铁素体和珠光体的转变。
2.根据权利要求1所述的一种改善微合金钢焊缝组织与性能的热处理工艺，其特征在于：所述含Nb、V、Ti微合金钢焊缝随炉加热时的加热速率不小于1℃/min，所述保温时间为1.5小时～4.5小时，冷却时在空气中冷却至室温，冷却速度保证不小于2℃/min，所述Ac3是指完全奥氏体化温度。
3.根据权利要求1所述的一种改善微合金钢焊缝组织与性能的热处理工艺，其特征在于：所述含Nb、V、Ti微合金钢焊缝随炉加热时的加热速率为1～10℃/min，冷却速度为2～16℃/min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130206 |