CN103451381B - 一种低合金结构钢和低碳结构钢热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁材料热处理技术领域，尤其是涉及一种低合金结构钢和低碳结构钢的热处理工艺。该工艺包括以下步骤：将材料放入加热炉中，随炉升温至880℃～950℃，正火保温60分钟～120分钟；将正火后的低合金结构钢或低低碳结构钢进行风冷，风冷后温度控制在300℃～600℃；将风冷后的材料放入回火炉中进行回火处理，回火温度控制在450℃～650℃，保温120分钟～180分钟，空冷至室温。该工艺提高了低合金结构钢和低碳结构钢的韧性，细化了晶粒度，使材料钢屈服（位移）段在2mm以上，屈服强度提高了15～20%，可以用于桥梁减隔震材料或适用于对材料韧性要求较高的地方。
Description
技术领域
本发明属于钢铁材料热处理技术领域，尤其是涉及一种低合金结构钢和低碳结构钢的热处理工艺。
背景技术
桥梁、建筑减隔震已成为现代减隔震设计的主要内容，减隔震材料的选取和处理成为其中最为核心的内容。特别是特大型大桥需要较大位移量的变化，并较高的减隔震要求，对减隔震的要求极为特殊。目前，世界一些国家在减隔震材料方面进行了***的研究，也取得了一些成果。但是，大多数应用在建筑物的减隔震上，且减震效果不明显。桥梁用减隔震材料有其特殊的要求，屈强比过大的减隔震材料容易导致建筑底部受力过大，导致下部基础损坏。
低合金结构钢是在含碳量Wc≦0.20%的碳素结构钢基础上，加入少量的合金元素发展起来的，强度高于碳素结构钢。此类钢中除含有一定量硅或锰基本元素外，还含有其他适合我国资源情况的元素，如钒（V）、铝（Al）、钼（Mo）等微量元素。 此类钢同碳素结构钢比，具有强度高、综合性能好、使用寿命长、应用范围广、比较经济等优点。这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。使用状态下的显微组织一般为铁素体、索式体。该钢多轧制成板材、型材、无缝钢管等，被广泛用于桥梁、船舶、锅炉、车辆及重要建筑结构中。当此材料应用于正常使用条件下的桥梁、建筑，可以满足要求，但是当要满足能够遇到较大地震，桥梁、建筑等不被破坏，或是作为桥梁减隔震材料时，屈强比过大容易导致桥墩底部受力过大，损坏桥墩，因此需要材料具有良好的韧性。
Q345低合金结构钢国内一般在热轧，正火或退火状态下使用，材料机械性能相对相抵，材料屈服强度约为345Mpa。Q345综合力学性能良好，低温性能尚可，塑性和焊接性良好，用做中低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁等承受动载荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件，可用于-40℃以下寒冷地区的各种结构。但是未经特殊处理工艺的低合金结构钢，不能满足使用要求。
含碳量从0.10%至0.30%低碳结构钢易于接受各种加工如锻造，焊接和切削， 常用于制造链条、铆钉、螺栓、轴等。碳含量低于0.25%的碳素钢，因其强度低、硬度低而软，故又称软钢。它包括大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢，大多不经热处理用于工程结构件，有的经渗碳和其他热处理用于要求耐磨的机械零件。
在中国发明专利申请公开说明书CN201010597666.1中公开了一种低合金结构钢的热处理工艺，该工艺主要采用淬火加回火对低合金结构钢进行热处理。淬火温度控制在860℃～920℃，水冷至室温；回火温度控制在550℃～650℃，保温一段时间后在空气中冷却。该工艺对低合金结构钢处理后提高了其机械性能，抗拉强度大于510MPa和屈服强度Rp0.2大于450MPa，可以用来制造要求有高强度、高疲劳度的零件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种低合金结构钢和低碳结构钢的热处理工艺，提高低合金结构钢和低碳结构钢的韧性，细化其晶粒度，使材料屈服（位移）段在2mm以上，屈服强度提高15～20%。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种低合金结构钢和低碳结构钢热处理工艺,其特征在于该工艺包括以下步骤：（1）正火：将低合金结构钢或低碳结构钢放入加热炉中，随炉升温至880℃～950℃，正火保温时间为60分钟～120分钟；（2）风冷：将正火后的材料进行风冷，风冷后温度控制在300℃～600℃；（3）回火：将风冷后的材料放入回火炉中进行回火处理，回火温度控制在450℃～650℃，保温时间为120分钟～180分钟，（4）空冷：回火后空冷至室温。
作为优选，所述步骤（1）中低合金结构钢正火温度为910℃，保温时间为90分钟；低碳结构钢正火温度为920℃，保温时间为90分钟。
作为优选，所述步骤（2）中材料风冷后温度控制在450℃。
作为优选，所述步骤（2）中采用强力排气扇对材料进行风冷。
作为优选，所述步骤（3）中低合金结构钢回火温度为480℃，保温时间为120分钟；低碳结构钢回火温度为650℃，保温时间为120分钟。
作为优选，所述低合金结构钢为Q345。
作为优选，所述低碳结构钢为Q245。
该发明热处理采用的工艺原理是：
将材料加热到奥氏体转变温度，让其晶粒重新组合细化后空冷，变成均匀细小的珠光体和铁素体，从而提高材料的抗拉强度；细化原始金相组织，同时增加钢中P、N等脆性元素的均匀性，提高低合金结构钢的韧性。经中温回火热处理，并使珠光体变成屈氏体。这种组织的特点是碳化物尚未发生明显的聚集长大，保持着较弥散的分布状态；基体α-相只发生了回复过程，正火造成的第二次内应力几乎全部消除，但尚未发生再结晶过程，仍旧保持着马氏体的针状形态和一定程度的强化效果，致使回火屈氏体具有较高的弹性极限，从而达到材料受拉时延长产生屈服强度时间，提高材料屈服强度。
本发明有益效果：将低碳结构钢和低合金结构钢采用正火加回火工艺处理，提高了低碳结构钢和低合金结构钢的韧性，有较大的弹塑性变形延迟区间，细化了低碳结构钢和低合金结构钢的晶粒度，使低碳结构钢和低合金结构钢屈服（位移）段在2mm以上，且屈服强度提高了15～20%，还具有较合适的屈强比（屈强比为70～80%），和较合适屈服、极限应变段（可调）及屈服应变/弹性应变值（可调）。
附图说明
图1是实施例1中试样Q345B热处理前的晶粒度图；
图2是实施例1中试样Q345B按照本工艺热处理后的晶粒度图；
图3是实施例1中试样Q345B按照本工艺热处理后的进行拉伸得到屈服组织状态下的图；
图4是实施例1中试样Q345B的力-位移曲线图；
图5是表一中Q345B各试样热处理后的力-位移曲线图；
图6是表二中Q235各试样热处理后的力-位移曲线图；
图7是Q235原试样的标准试样拉伸后的力-位移曲线图。
具体实施方式
将低合金结构钢或低碳结构钢放入加热炉中，随炉升温至880℃～950℃，正火保温时间为60分钟～120分钟；将正火后的材料中进行风冷，风冷后温度控制在300℃～600℃；将风冷后的材料放入回火炉中进行回火处理，回火温度控制在450℃～650℃，保温时间为120分钟～180分钟，空冷至室温。
本发明整体工艺为：产品准备→进炉→正火→风冷→回火→空冷至室温→检验。
下列非限制性实施例用于说明本发明。
实施例1：
以低合金结构钢Q345B试样为例，该试样的成分组成（重量%）为：0.18%C、0.45%Si、1.65%Mn、0.03%P、0.03%S、0.01%N、0.15%V、0.25%Cr、0.45%Ni、0.20%Cu。试样直径d为10mm，原始标距Lo为50mm。
将试样准备好后，设定加热炉和回火炉工艺参数：正火温度为910℃，保温时间为90分钟；回火温度为480℃，保温时间为120分钟。
然后将试样放入料框中，试样排列均匀，间隔整齐，将料框放入加热炉中，确定料框可靠，关闭炉门，调出微机工艺程序，按“开始”，处理自动开始，同时打开温度记录仪；待升温和保温程序结束后，关闭正火炉，取出料框，用3台强力排气扇对吹冷至450℃；然后将试样放入回火炉中，在设定回火温度（480℃）和回火时间（120 分钟）进行回火处理。回火结束后，取出料框，将试样放入空气中冷却至室温。
如图1和图2所示，图1为热处理前Q345B试样的晶粒度图，晶粒度为4级；图2是Q345B在本发明热处理工艺后的晶粒度图，晶粒度为8级。由此可见热处理后细化了晶粒度。
将试样进行拉伸试验，图3示出了Q345B在经本发明热处理工艺处理再进行拉伸后的屈服组织状态，图4是试样Q345B经拉伸后得到的力-位移曲线图，屈服（位移）段在2mm以上。
由图4与图5中可以看出，经本工艺处理后的试样除了具有较好的韧性外，还具有较大的弹塑性变形阶段，可以适应较大的弹塑性位移而不发生硬化现象。
表一为低合金结构钢Q345B原试样、调质处理和经本工艺处理后的试样性能测试数据。1号试样为淬火：温度890℃，时间60分钟，200℃回火，时间2小时；2号试样为热处理前原材料试样；3、4号试样为正火：温度为910℃，时间90分钟，风冷至450℃；5、6号试样为正火+高温回火：温度910℃，时间90分钟，风冷至450℃，650℃回火，时间2小时；7、8号试样为正火+中温回火：温度910℃，时间90分钟，风冷至450℃；480℃回火，时间2小时。
表一：
由表一可以看出，经本工艺处理后低合金结构钢试样屈服强度提高了15～20%。
实施例2：
以低碳结构钢Q235试样为例，该试样的成分组成（重量%）为：0.20%C、0.32%Si、1.38%Mn、0.043%P、0.04%S、0.006%N、0.25%Cr、0.28%Ni、0.25%Cu。试样直径d为10mm，原始标距Lo为50mm。
将试样准备好后，设定加热炉和回火炉工艺参数：正火温度为920℃，保温时间为90分钟；回火温度为650℃，保温时间为120分钟。
然后将试样放入料框中，试样排列均匀，间隔整齐，将料框放入正火炉中，确定料框可靠，关闭炉门，调出微机工艺程序，按“开始”，处理自动开始，同时打开温度记录仪；待升温和保温程序结束后，关闭正火炉，取出料框，用3台强力排气扇对吹冷至450℃；然后将试样放入回火炉中，在设定回火温度（650℃）和回火时间（120 分钟）进行回火处理。回火结束后，取出料框，将试样放入空气中冷却至室温。
表二为低碳结构钢Q235原试样、和实施例中经本工艺处理后的试样性能测试数据。1、2号试样为正火+中温回火，温度为920℃,时间90分钟，风冷至450℃，480℃回火，时间2小时，空冷；3、4号试样为正火+高温回火：温度为920℃,时间90分钟,风冷至450℃,650℃回火，时间2小时，空冷； 5、6号试样为正火，温度为920℃,保温时间90分钟，风冷至450℃。
表二：
由表二可以看出，经本工艺处理后低碳结构钢试样屈服强度提高了15～20%。
由于低碳结构钢和低合金结构钢的塑性较好，但是屈服强度较低；该工艺在保证良好的屈强比的同时，并最大限度提高屈服强度和韧性。屈服强度对钢材使用意义重大，一方面，当构件的实际应力超过屈服强度时，将产生不可恢复的永久变形；另一方面，当应力超过屈服强度时，受力较高部位的应力不再提高，而自动将荷载重新分配给某些应力较低部位。因此，屈服强度是确定容许应力的主要依据。屈服（位移）段增加，能保证钢材在建筑和桥梁上的安全使用。因为钢材的屈服（位移）段能调整局部高峰应力，使之趋于平缓，以免引起建筑结构的局部破坏及其所导致的整个结构的破坏；钢材在塑性破坏前，有很明显的变形和较长的变形持续时间，便于人们发现和补救。韧性表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。冲击韧性高的材料，一般都有较高的塑性。但塑性指标高的材料不一定都有高的冲击韧性。这是因为在静负荷下，能够缓慢塑性变形的材料在冲击负荷下不一定能迅速发生塑性变形。冲击韧性是强度与塑性的综合指标，是强度和塑性两者的函数，评定材料的韧脆程度，作为保证机件安全设计的指标。韧性增大，钢材抵抗冲击荷载的能力增大，能保证钢材在建筑和桥梁上的安全使用，起到防震的作用。该工艺最大限度地挖掘了钢材的潜力，达到了高性价比的钢材使用率。从而可以应用于桥梁和建筑的减隔震材料或适用于对材料屈服强度和韧性要求较高的地方。
Claims (6)
1.一种低合金结构钢和低碳结构钢热处理工艺,其特征在于该工艺包括以下步骤：
（1）正火：将低合金结构钢或低碳结构钢放入加热炉中，随炉升温至880℃～950℃，正火保温时间为60分钟～120分钟；
（2）风冷：将正火后的材料进行风冷，风冷后温度控制在300℃～600℃，采用强力排气扇对材料进行风冷；
（3）回火：将风冷后的材料放入回火炉中进行回火处理，回火温度控制在450℃～650℃，保温时间为120分钟～180分钟，
（4）空冷：回火后空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种低合金结构钢和低碳结构钢热处理工艺，其特征在于：所述步骤（1）中低合金结构钢正火温度为910℃，保温时间为90分钟；低碳结构钢正火温度为920℃，保温时间为90分钟。
3.根据权利要求1所述的一种低合金结构钢和低碳结构钢热处理工艺，其特征在于：所述步骤（2）中材料风冷后温度控制在450℃。
4.根据权利要求1所述的一种低合金结构钢和低碳结构钢热处理工艺，其特征在于：所述步骤（3）中低合金结构钢回火温度为480℃，保温时间为120分钟；低碳结构钢回火温度为650℃，保温时间为120分钟。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种低合金结构钢和低碳结构钢热处理工艺，其特征在于：所述低合金结构钢为Q345。
6.根据权利要求1至4任一项所述的一种低合金结构钢和低碳结构钢热处理工艺，其特征在于：所述低碳结构钢为Q245。
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