低溫閥門(mén)用LCB和LCC鋼熱處理方法淺析

1 概述

LCB和LCC是低溫閥門(mén)較常使用的鐵素體類(lèi)低溫鋼，按ASTM A352/A352M的規(guī)范要求，它們適用于-46~0℃的環(huán)境中，因此對(duì)其低溫性能有著較高的要求。因?yàn)橥ǔ-Mn類(lèi)鋼在低溫工況中機(jī)械性能都會(huì)明顯的下降， 因而要使LCB和LCC達(dá)到ASTM標(biāo)準(zhǔn)的要求，其熱處理方法有著一定的特殊性和難度。

2 分析

從化學(xué)成分上比較，LCB和LCC與WCB和WCC都屬于低碳C-Mn鋼系列（表1），但ASTM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)4種鋼的機(jī)械性能要求卻不同（表2），主要表現(xiàn)在低溫沖擊韌性這一指標(biāo)上。WCB和WCC對(duì)此不作要求，而LCB和LCC則要求在-46℃分別達(dá)到18J和20J。經(jīng)過(guò)分析和試驗(yàn)證明，雖然LCB、LCC、WCB和WCC鋼的化學(xué)成分相同或相近，但表現(xiàn)出不同機(jī)械性能，這是LCB和LCC中微量合金的Mn、Ni和Cr元素的作用。

表1 LCB、LCC、WCB和WCC化學(xué)成分 %

表2 LCB、LCC、WCB和WCC機(jī)械性能

在碳鋼中加入Mn、Ni和Cr元素將對(duì)鋼的組織、晶粒結(jié)構(gòu)和熱處理的溫度曲線產(chǎn)生較大的影響。Mn元素可增加鋼組織中奧氏體的穩(wěn)定性，降低熱處理的冷卻速度，提高淬透性，降低鋼在淬火后的變形和增加鋼的強(qiáng)度。Ni不易與碳形成碳化物，用于低合金鋼時(shí)，能增進(jìn)低溫韌性及硬化能，可減少熱處理變化的敏感性及減少淬火的扭曲及龜裂，并能強(qiáng)化鋼組織中的鐵素體相，增加淬火后組織中的殘余奧氏體。Cr元素同樣有穩(wěn)定鋼組織中奧氏體和增加淬火后組織中的殘余奧氏體的作用。

奧氏體是鋼組織中比容zui小的相組織，其沖擊韌性、耐磨性和塑性都*。但是奧氏體通常存在于高溫區(qū)（鍛造就是利用奧氏體這一性質(zhì)，把鋼材加熱到一定高溫區(qū)再施鍛），常溫下奧氏體保存下來(lái)較少，只有在Mn、Ni和Cr等元素的作用下，才能使鋼組織在常溫中存在部分殘余奧氏體。奧氏體的存在將大大改善鋼的沖擊韌性、耐磨性和塑性。LCB和LCC正是利用它們所含有的微量合金Mn、Ni和Cr元素的作用，使熱處理后的鋼組織中增加奧氏體的含量來(lái)改善其低溫沖擊韌性。但是殘余奧氏體也有一個(gè)缺點(diǎn)，在常溫下放置一定的時(shí)間后，一些殘余奧氏體會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變成馬氏體，引起晶間變形，這對(duì)于LCB和LCC這類(lèi)含碳量較低的鋼，殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變變形影響則較小。

LCB、LCC中Mn、Ni和Cr元素的存在降低了鋼的淬火溫度，所以應(yīng)適當(dāng)調(diào)低淬火溫度，否則會(huì)在淬火保溫過(guò)程中使鋼組織晶粒長(zhǎng)大，致使淬火后組織晶粒粗大，不均勻，造成機(jī)械性能下降，不利于低溫沖擊韌性的提高。由于淬火溫度的選擇適當(dāng)調(diào)低，故保溫時(shí)間要延長(zhǎng)，以保證在晶粒不長(zhǎng)大的情況下，合金元素充分彌散，使淬火后晶粒均勻細(xì)小，為L(zhǎng)CB和LCC鋼的機(jī)械性能，尤其沖擊韌性的提高打下良好的基礎(chǔ)。

淬火后，為了消除淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，并得到所需要的組織和機(jī)械性能，需要對(duì)LCB和LCC淬火后進(jìn)行高溫回火。但是由于Mn和Cr元素都是強(qiáng)促碳化物生成元素，在500~550℃回火時(shí)，碳化物會(huì)沿晶界析出，使鋼的沖擊韌性大幅下降，因此在選擇回火溫度時(shí)，要遠(yuǎn)離這一溫度區(qū)域，并回火后冷卻時(shí)采取快冷方式，迅速通過(guò)500~550℃這一溫度區(qū)域，但在低于這一溫度區(qū)間后，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)木徖浞绞?，以降低由于快冷而再次產(chǎn)生的組織內(nèi)應(yīng)力，從而提高鋼的機(jī)械性能。

3 熱處理工藝

通過(guò)理論分析，確定了LCB和LCC鋼的熱處理工藝路線，并對(duì)其中的淬火、回火溫度和冷卻速度進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和修正（圖1）。按這套工藝，化學(xué)成分略有不同的，不同爐號(hào)及批次的LCB和LCC鋼坯零件，熱處理后的低溫沖擊韌性值都能滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)的要求，有時(shí)α_k值可達(dá)到40J以上。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)LCB和LCC鋼化學(xué)成分的分析，確定了合適的熱處理方法，解決了LCB和LCC鋼的低溫沖擊韌性不穩(wěn)定的問(wèn)題，保證了低溫閥的質(zhì)量，適應(yīng)了近幾年石油化工企業(yè)快速發(fā)展和市場(chǎng)對(duì)低溫閥的大量需求。

參考文獻(xiàn)

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[3] ASTM A352/A352M，低溫受壓零件用鐵素體和馬氏體鋼鑄件規(guī)格[S].