抑制和消除低合金耐熱鋼管中帶狀組織的熱處理方法
【專利摘要】本發明提供抑制和消除低合金耐熱鋼管中帶狀組織的熱處理方法，該方法步驟有：對經過冶煉、軋制成低合金耐熱鋼管的管材取樣，進行金相組織觀察，并對帶狀組織進行評級；將熱軋后的低合金耐熱鋼管進行機械加工，制成直徑為3mm，長度為12mm的圓柱型試樣，再將K型熱電偶焊接在沿所述圓柱型試樣長度方向的中心位置；然后以溫度20～50℃/min的升溫速度加熱至880～910℃并保溫8分鐘確保圓柱型試樣組織完全奧氏體化；通過噴射高速氮氣將圓柱型試樣以20～100℃/S的冷卻速率冷卻至溫度600～750℃；將圓柱型試樣進行空冷至室溫。有益效果是采用該熱處理方法，既保證了熱處理后的組織為鐵素體珠光體，又有效地消除熱軋成型過程中所形成的帶狀組織，并沒有大幅提高生產成本，是一種非常經濟有效的處理方法。
【專利說明】抑制和消除低合金耐熱鋼管中帶狀組織的熱處理方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于低合金鋼管的熱軋生產【技術領域】，特別涉及一種抑制和消除低合金耐熱鋼管中帶狀組織的熱處理方法。
【背景技術】 [0002]低合金鋼經過熱軋變形后，在冷卻過程中極易形成帶狀組織。所謂的帶狀組織是指先共析鐵素體和珠光體沿軋制方向，并以帶狀彼此堆疊的顯微組織形態。帶狀組織的形成使鋼材平行于軋制方向的性能與垂直于軋制方向的力學性能產生明顯差異，即后者性能明顯低于前者，因此帶狀組織被認為是一種有害組織，對于熱軋鋼中的帶狀組織需要進行嚴格的控制。低合金耐熱如20G、SA-210Gr.C、15CrMo、12CrlMoV等鋼種經軋制變形后均發現存在不同程度的帶狀組織。
[0003]引起帶狀組織的形成的主要機制如下原因:首先，鋼液在冷卻過程中，會以枝晶形態凝固，由于合金元素在固相和液相中的分配系數不同，例如Mn、Cr、Mo等元素，而難以避免的會發生偏析，這就使得當鋼液以枝晶生長的方式進行凝固時，合金元素在枝晶干和枝晶間區域的含量有著很大的差別，即合金元素在枝晶間區域富集，而在枝晶干區域發生貧化。
[0004]有研究結果表明帶狀組織與合金元素在凝固中的偏析有關。連鑄鋼材經過再次加熱并經過軋制變形后，在合金元素富集的區域會沿軋制方向拉長并形成偏析帶。在隨后的冷卻過程中合金元素的偏析會顯著的影響過冷奧氏體的分解，需要指出的是Mn元素的偏析是引起鐵素體和珠光體的帶狀組織形成的重要因素。眾所周知，Mn會降低過冷奧氏體向鐵素體的轉變得溫度K?),這樣就會使得先共析鐵素體優先在貧Mn區析出，即Ari溫度較高的區域，與此同時，C元素也會在在過冷奧氏體分解過程中發生再分布，即由Mn含量較低的區域向Mn含量較高的區域發生遷移，而此過程進一步加劇了貧Mn區和富Mn區的Ari溫度差異，使得鐵素體沿著貧Mn區以條帶狀析出，隨著過冷奧氏體的不斷分解，最終導致條帶狀珠光體在富Mn區形成。
[0005]通過將鋼材加熱到奧氏體化溫度以上進行均勻化保溫處理可以減輕甚至消除合金元素的偏析，從而抑制帶狀組織的形成，然而有研究表明消除普通碳鋼中90%的Mn元素偏析需要在1200°C保溫26小時。
[0006]以上可以看出，由于合金元素緩慢的擴散速率，導致均勻化處理會大幅推高產品的生產成本，從而難以在在實際生產中得到推廣和應用。除此之外，增大冷卻速率也可以抑制帶狀組織形成。然而當冷卻速率很高時，會使得過冷奧氏體轉變成貝氏體或馬氏體，雖然帶狀組織得以消除，但是改變了鋼材預期所應得到的鐵素體珠光體組織，為后續的機械加工，成型等工序帶來較大的困難，因此冷卻速率應該進行嚴格控制。為了既能有效地抑制帶狀組織的形成，又不改變鋼材的鐵素體珠光體組織和大幅提高生產成本的前提下，開發一種新的處理工藝來抑制低合金鋼中帶狀組織的形成，具有重要的實際意義。
【發明內容】

[0007]本發明的目的就是提供一種抑制和消除低合金耐熱鋼管中帶狀組織的熱處理方法，采用有效的冷卻工藝來抑制和消除經過熱軋變形后所形成的鐵素體珠光體帶狀組織，并避免過冷奧氏體由于冷速過快而發生貝氏體或馬氏體轉變，從而保證相應的金相組織和力學性能符合產品要求，并推進其在工業生產中的實際應用。
[0008]為實現上述目的，本發明采用的技術方案是提供一種抑制和消除低合金耐熱鋼管中帶狀組織的熱處理方法，該方法包括有以下步驟:
[0009]I)對經過冶煉、軋制成鋼管的低合金耐熱鋼管取樣，進行金相組織觀察，并對帶狀組織按照國家標準GB/T13299-91進行評級；
[0010]2)將熱軋后的低合金耐熱鋼管進行機械加工，制成直徑為3mm，長度為12mm的圓柱型試樣，通過熱膨脹試驗機進行處理:首先將K型熱電偶焊接在沿所述圓柱型試樣長度方向的中心位置，用于測量圓柱型試樣的溫度變化；然后以溫度20~50°C /min的升溫速度加熱至880~910°C并保溫8分鐘，以確保圓柱型試樣組織完全奧氏體化；隨后通過噴射高速氮氣將圓柱型試樣以20~100°C /S的冷卻速率冷卻至溫度600~630°C;然后將圓柱型試樣進行空冷 至室溫。
[0011]本發明的效果是通過快速冷卻的熱處理方法來消除帶狀組織，既保證了熱處理后的組織為鐵素體珠光體，又能有效地消除熱軋成型過程中所形成的帶狀組織，同時沒有大幅提高生產成本，是一種非常經濟有效的處理工藝，特別對帶狀組織有要求的低合金熱軋管材、板材等的工業化生產，具有廣泛的應用前景。與熱軋后鋼管相比，經過以20~100°C /S快速冷卻處理后的樣品其帶狀組織級別顯著降低。證明了該工藝對于消除帶狀組織的有效性。對于同成分而規格不同的熱軋鋼管，采用快速冷卻處理工藝均可以有效地抑制或消除帶狀組織的產生，這表明該方法在生產過程具有通用性和有效性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為經熱軋成型后SA_210Gr.C鋼管中的鐵素體珠光體帶狀組織；
[0013]圖2為本發明的快速冷卻處理過程中試樣的溫度-時間變化曲線；
[0014]圖3為本發明的快速冷卻速率與帶狀組織級別的關系；
[0015]圖4為本發明的快速冷卻溫度與帶狀組織級別的關系。
[0016]圖5a為本發明的經過20°C /S快速冷卻處理的SA_210Gr.C試樣的金相組織；
[0017]圖5b為本發明的經過50°C /S快速冷卻處理的SA_210Gr.C試樣的金相組織；
[0018]圖5c為本發明的經過100°C /S快速冷卻處理的SA_210Gr.C試樣的金相組織；
【具體實施方式】
[0019]結合附圖對本發明的抑制和消除低合金耐熱鋼管中帶狀組織的熱處理方法加以說明。
[0020]本發明的抑制和消除低合金耐熱鋼管中帶狀組織的熱處理方法，該方法包括有以下步驟:
[0021]I)對經過冶煉、軋制成鋼管的低合金耐熱鋼管取樣，進行金相組織觀察，并對帶狀組織按照國家標準GB/T13299-91進行評級；[0022]2)將熱軋后的低合金耐熱鋼管管進行機械加工,制成直徑為3mm,長度為12mm的圓柱型試樣，通過熱膨脹試驗機進行處理:首先將K型熱電偶焊接在沿所述圓柱型試樣長度方向的中心位置，用于測量圓柱型試樣的溫度變化；然后以溫度20~50°C /min的升溫速度加熱至880~910°C并保溫8分鐘，以確保圓柱型試樣組織完全奧氏體化；隨后通過噴射高速氮氣將圓柱型試樣以20~100°C /S的冷卻速率冷卻至溫度600~630°C;然后將圓柱型試樣進行空冷至室溫。
[0023]以SA_210Gr.C低合金耐熱鋼管為例詳細加以說明:
[0024]SA-210Gr.C低合金耐熱鋼管是經過冶煉、軋制成管材后，取樣進行金相組織觀察，并對帶狀組織按照國家標準GB/T13299-91進行評級，結果為4級，如圖1所示，樣品中存在嚴重的鐵素體珠光體帶狀組織。將熱軋后的SA-210Gr.C鋼管機械加工成直徑為3mm，長度為12mm的圓柱型試樣，通過熱膨脹試驗機進行處理:首先將K型熱電偶焊接在沿長度方向的中心位置，用于測量試樣的溫度變化。然后以20~50°C /min的升溫速度加熱至880~910°C并保溫8分鐘以確保組織完全奧氏體化，隨后通過噴射高速氮氣將樣品以20~100°C /S的冷卻速率冷卻至600~630°C，然后將樣品進行空冷至室溫。所述快速冷卻速率通過調節氮氣的流量及壓力由計算機自動控制。
[0025]通過金相組織觀察并對帶狀組織評級測定可以有效抑制帶狀組織形成的快速冷卻速率為20~100°C /S，而對樣品停止快速冷卻的溫度范圍為600~630°C。經過熱膨脹曲線測定SA-210Gr.C鋼的&3溫度約為860°C。圖2為測定的樣品溫度隨時間的變化曲線。樣品經過加熱到Kz溫度以上，并保溫8分鐘以確保組織完全奧氏體化，隨后對樣品噴射高速氮氣，當樣品冷卻到設定溫度后再進行空冷。需要指出的是樣品溫度數據由計算機經過一定的時間間隔(每0.2秒采集一次)自動采集，由于在實施快速冷卻過程中較大的冷卻速率，樣品的溫度點較為稀疏，如圖2快速冷卻區域的溫度變化。
[0026]不同冷卻速率對于帶狀組織級別的關系如圖3所示，圖中試樣的快速冷卻溫度為600~630°C，隨著冷卻速率的增大，帶狀組織級別顯著降低。快速冷卻溫度是影響該工藝有效性的另一個重要因素，如果停止快速冷卻的溫度較高，則不能有效的消除帶狀組織，而此溫度過低則會形成馬氏體組織。圖4為快速冷卻溫度與所形成帶狀組織級別的關系。圖中試樣的冷卻速率為100°C /S，由圖中可以看出，停止快速冷卻溫度較高時(高于650°C)，試樣中仍然存在較為嚴重的帶狀組織，級別大于3級，隨著冷卻溫度的降低，帶狀組織級別也不斷降低，低于630°C時則帶狀組織得以成功消除。
[0027]實驗用SA_210Gr.C鋼的化學成分見表1。原料經電爐冶煉、爐外精煉、連鑄等工序后，采用環形爐加熱、穿孔、連軋、定徑等工藝生產成為管材，在冷床空冷至室溫。該鋼種在室溫下的組織為鐵素體珠光體。
[0028]下表為SA_210Gr.C鋼的化學成分:
[0029]
【權利要求】
1.一種抑制和消除低合金耐熱鋼管中帶狀組織的熱處理方法，該方法包括有以下步驟: 1)對經過冶煉、軋制成鋼管的低合金耐熱鋼管取樣，進行金相組織觀察，并對帶狀組織按照國家標準GB/T13299-91進行評級； 2)將熱軋后的低合金耐熱鋼管管進行機械加工，制成直徑為3mm，長度為12mm的圓柱型試樣，通過熱膨脹試驗機進行處理:首先將K型熱電偶焊接在沿所述圓柱型試樣長度方向的中心位置，用于測量圓柱型試樣的溫度變化；然后以溫度20~50°C /min的升溫速度加熱至880~910°C并保溫8分鐘，以確保圓柱型試樣組織完全奧氏體化；隨后通過噴射高速氮氣將圓柱型試樣以20~100°C /S的冷卻速率冷卻至溫度600~630°C;然后將圓柱型試樣進行空冷至室溫 。
【文檔編號】C21D6/00GK103627871SQ201310607217
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月25日 優先權日:2013年11月25日
【發明者】劉源, 盧居桂, 許磊磊, 趙慶權, 王國亮, 何彪, 曹金榮, 肖功業 申請人:天津鋼管集團股份有限公司