為了改善LCB鋼的低溫沖擊韌性，采取不同的熱處理工藝對(duì)LCB鋼進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，試樣經(jīng)過940℃±10℃的正火預(yù)處理，然后加熱到910℃±10℃保溫適當(dāng)時(shí)間后淬入水中，最后在650℃±10℃下回火，得到的回火索氏體組織最為細(xì)密，在﹣50℃時(shí)的沖擊值可達(dá)87J，此時(shí)鋼的強(qiáng)韌匹配效果最佳。

1、概述

　　目前，石化企業(yè)對(duì)低溫鋼的需求日益增加。LCB鋼是一種常見的用于低溫閥門的碳鋼材料，適用于﹣46～345℃的環(huán)境中。普通碳鋼在低溫工況下冷脆現(xiàn)象十分嚴(yán)重，使用溫度僅到-50℃。但有些LCB低溫閥門要求在﹣50℃的溫度下，低溫AKV值仍要滿足ASTMA352的要求。對(duì)于低溫閥門用鋼，主要以低溫沖擊值作為驗(yàn)收依據(jù)。為了擴(kuò)大LCB鋼閥門的適用性，對(duì)熱處理工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2、化學(xué)成分

　　LCB鋼(表1)屬于鐵素體型鋼，其韌性較好。對(duì)于LCB鋼中的殘余元素，應(yīng)加以控制。由于LCB鋼中C含量較低，添加一定量的Cr、Mo、Ni元素利于穩(wěn)定鋼組織中的奧氏體并增加淬火后組織中的殘余奧氏體。微量的Mo既可以細(xì)化晶粒，又可以固溶強(qiáng)化鐵素體基體。Ni既能提高鋼的強(qiáng)度，又使塑性和韌性得到提高，有效降低韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度，從而提高了低溫沖擊韌性。Cr和Mo還能有效降低鋼的過熱傾向。

表1 LCB鋼的化學(xué)成分Wt%

3、試樣

　　試樣鋼采用250kg的中頻爐進(jìn)行熔煉，直接澆入基爾試棒鑄型中，然后對(duì)澆注出的試樣進(jìn)行取樣，經(jīng)GS-1000型OBLF直讀光譜儀分析，成分在控制范圍內(nèi)。

　　3.1、熱處理工藝

　　目前，大多數(shù)廠家對(duì)LCB鋼的熱處理采用正火+回火或者淬火+回火的方式，但選取的正火溫度與淬火溫度相同，均為910±10℃。在這個(gè)溫度下正火處理過的試樣強(qiáng)度勉強(qiáng)合格，但是低溫沖擊韌性往往不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，即使達(dá)標(biāo)其平均值也是很低。真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)考慮到低碳鋼正火可作為淬火前的預(yù)備熱處理，在不產(chǎn)生過熱組織的前提下，適當(dāng)提高正火溫度可以消除應(yīng)力、細(xì)化組織、改善切削加工性能，故本次試驗(yàn)采用3種不同的方案對(duì)LCB鋼進(jìn)行熱處理。

　　(1)正火+回火。即940℃±10℃保溫適當(dāng)時(shí)間后出爐空冷，隨即加熱到650℃±10℃，保溫適當(dāng)時(shí)間后出爐空冷。

　　(2)淬火+回火。即910℃±10℃保溫適當(dāng)時(shí)間后水淬，然后加熱到650℃±10℃，保溫適當(dāng)時(shí)間后出爐空冷。

　　(3)正火+淬火+回火。即先在940℃±10℃保溫適當(dāng)時(shí)間后出爐空冷，然后在910℃±10℃保溫適當(dāng)時(shí)間后水淬，最后加熱到650℃±10℃，保溫適當(dāng)時(shí)間后出爐空冷。

　　3.2、力學(xué)性能試驗(yàn)

　　試樣經(jīng)3種方案熱處理后，分別按照GB/T228和GB/T229加工成拉伸試樣和帶V形缺口的沖擊試樣。拉伸試驗(yàn)在WEW-600B型微機(jī)屏顯萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。沖擊試樣先在CDW-196Y型沖擊試驗(yàn)低溫儀冷卻到-50℃(過冷度取3℃)，并保溫20min后迅速放在JB-300B型沖擊試驗(yàn)機(jī)上在10s內(nèi)打斷。

　　3.3、金相試樣

　　金相試樣是用做完沖擊試驗(yàn)后沖斷的試樣磨制成，經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，用金相顯微鏡觀察分析其在100倍和500倍下的微觀組織。

4、分析

　　4.1、顯微組織

　　試驗(yàn)鋼的微觀組織形貌差別較大(圖1～圖3)，雖然3種不同熱處理后得到的組織都是回火索氏體，但在回火前的組織不盡相同。圖1中，經(jīng)正火得到的索氏體中的滲碳體片在回火時(shí)具有轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀的自然趨勢(shì)，經(jīng)過一段時(shí)間的保溫，使得原先的片狀索氏體變?yōu)榱�狀索氏體，但組織中晶粒內(nèi)部的鐵素體間距較大。圖2和圖3中，淬火得到的馬氏體在回火時(shí)經(jīng)歷了回復(fù)和再結(jié)晶成為等軸狀或多邊形狀，形成了保持馬氏體位向的回火索氏體，不同的是圖3的試樣先進(jìn)行了正火預(yù)處理，經(jīng)淬火、回火后得到的組織更加細(xì)密，晶粒內(nèi)部的鐵素體間距更小，這就是正火+淬火+回火處理的沖擊韌性高的重要原因。

(a)回火前(b)回火后

圖1 方案1

(a)回火前(b)回火后

圖2 方案2

(a)回火前(b)回火后

圖3 方案3

　　4.2、力學(xué)性能分析

　　從試驗(yàn)結(jié)果(表2)分析，經(jīng)方案二處理后的試樣強(qiáng)度最高。一般低合金結(jié)構(gòu)鋼的屈強(qiáng)比為0.65～0.75，經(jīng)方案一處理后的屈強(qiáng)比為0.67，經(jīng)方案二和方案三處理后的屈強(qiáng)比均為0.76，所以采用方案二和方案三可以提高LCB鋼的屈強(qiáng)比，即提高了材料的抗變形能力。當(dāng)LCB鋼用于結(jié)構(gòu)件時(shí)，可以節(jié)約材料，使零件輕量化。

　　經(jīng)方案三處理后的試樣沖擊值最高達(dá)到87J，高于ASTMA352中所規(guī)定的最小平均值，試樣的沖擊韌性大大提高。這是因?yàn)榻?jīng)過正火預(yù)處理后，細(xì)化了晶粒組織，經(jīng)淬火得到的馬氏體組織更為致密，最終使得材料的強(qiáng)韌性得到了最佳優(yōu)化。經(jīng)方案一處理后的試樣，各指標(biāo)已能滿足ASTMA352的要求。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)，鑄件熱處理后的性能良好。

表2 LCB鋼熱處理后的力學(xué)性能

5、結(jié)語

　　(1)熔煉LCB鋼時(shí)采用低碳高錳的原則，并添加適量的Cr、Mo、Ni等化學(xué)元素，可以固溶強(qiáng)化鐵素體基體，同時(shí)較大幅度的提高材料的韌性，為熱處理進(jìn)一步提高力學(xué)性能打下良好的基礎(chǔ)。

　　(2)LCB鋼經(jīng)過正火+回火后，組織中晶粒較粗大(平均晶粒度評(píng)為8級(jí))，且晶粒內(nèi)部的鐵素體間距較大經(jīng)淬火+回火后，組織中晶粒變小(平均晶粒度評(píng)為9級(jí))，晶粒內(nèi)部鐵素體間距變小。經(jīng)過正火預(yù)處理后，再進(jìn)行合理的淬火+回火，使得組織中的晶粒更細(xì)小(平均晶粒度評(píng)為9.5級(jí))，晶粒內(nèi)部的鐵素體間距更短。

　　(3)LCB鋼經(jīng)過正火+淬火+回火后可以獲得強(qiáng)韌性匹配最佳的回火索氏體組織。屈強(qiáng)比達(dá)到了低合金結(jié)構(gòu)鋼水平，為擴(kuò)大閥門的使用范圍創(chuàng)造了有利條件。