现代交通与冶金材料第1期履带式起重机臂架用890 MPa级钢管热处理性能探讨

日期:2021-09-02 作者:张新文, 刘广华, 轩康乐, 王晓兰, 刘 永

履带式起重机臂架用890 MPa级钢管热处理性能探讨 *

张新文1, 刘广华2, 轩康乐1, 王晓兰1, 刘 永1

(1.江苏永钢集团有限公司特钢公司, 江苏 苏州 215628; 2.江苏常宝普莱森钢管有限公司, 江苏 常州 213000)

摘要 对履带式起重机臂架用890 MPa级钢管冲击韧性偏低的原因进行了分析,发现回火索氏体中存在大块贝氏体异常组织。在实验室模拟并探索钢管的热处理工艺,经过一系列研究发现,钢管的初次淬火和回火存在不充分性。经过试验,成品钢管的热处理工艺为:930 ℃,保温82 min,640 ℃下回火保温215 min;在这种热处理条件下,材料可获得较好的力学性能。

关键词: 钢管; 热处理; 履带式起重机; 臂架; 冲击功

引 言

履带式起重机是工程起重行业的一类重要机械,是现代工程建设施工不可或缺的大型设备之一,而起重机臂架是履带式起重机承载和移送、起吊重物的关键部位,不仅要具有高强度、高塑性和良好的韧性,还必须具有良好的焊接性能,国内衡钢、宝钢公司等企业已经成功研发相关产品,并取得了较好的业绩[1-4]。这类高强度无缝钢管属于低碳高强度钢,通过添加微合金化元素,使材料的力学性能大幅提升[5]

为满足其苛刻的工作环境,890 MPa级钢管要求在满足强度要求的同时,也要满足其低温冲击韧性(-40 ℃低温冲击功大于45 J),但根据以往的生产和研发经验,该钢级的低温冲击韧性是一个难以逾越的技术难题。

1 情况介绍

1.1 生产工艺

管坯生产工艺:电弧炉(铁水+废钢)→LF炉精炼→VD炉真空→连铸(Φ600 mm)→轧制(Φ200 mm))→冷却→精整检验→入库。

钢管生产工艺:下料→加热(1250±15 ℃,保温240 min)→穿孔→轧管→加热(890±10 ℃,保温15 min)→定径(Φ139.7 mm×14.2 mm)→冷却(空冷)→精整检验→热处理→探伤→取样检验→入库。

1.2 化学成分

材料的化学成分如表1所示,向钢中添加了V,Nb,Cr,Mo,W等强化元素,以提高钢的综合机械性能[6-7]

表1 化学成分

001.jpg

1.3 热处理及性能检测

钢管规格为Φ139.7 mm×14.2 mm,正火炉为49个料位,回火炉为86个料位,根据料位拟定的热处理工艺为:930 ℃保温62 min后水淬,655 ℃回火保温215 min后空冷至室温。

在钢管上取Φ10 mm×60 mm的标准拉伸样(试样的平行长度为60 mm),按照GB/T 228.1-2010标准,在UTM5305电子万能试验机上进行拉伸试验。沿纵向取10 mm×10 mm×55 mm的试样,在摆锤式冲击试验机(型号ZBC2302-C)上进行-40 ℃低温冲击试验。检测结果见表2所示。可以看出,抗拉强度和屈服强度均可以满足要求,但冲击功比较低且不稳定。

表2 机械性能检测

002.jpg

2 原因分析

从钢管上取10 mm×10 mm×15 mm试样,经4%的硝酸酒精腐蚀后,在Axio Imager M2m金相显微镜下观察,检测面为横向。经过检测,回火索氏体中含有大块贝氏体组织,是导致材料冲击性能不稳定的主要原因,如图1所示。贝氏体组织的析出,说明钢在淬火时冷却速度较慢,低于淬火临界冷却速度。

002A.jpg

图1 回火索氏体+贝氏体组织

3 改进措施

从冲击功不合格的钢管上取样,在实验室模拟钢管热处理。

3.1 第一轮热处理试验

3.1.1 热处理工艺

该产品的合金含量约4.3%,由于合金含量较高,

淬火后会有较多残余奥氏体存在。残余奥氏体向贝氏体转变的速度快,而向珠光体转变的速度慢。残余奥氏体在高温区内回火时,优先析出先共析铁素体,随后分解为珠光体,需要较长时间。从不合格钢管上取一段钢管试样,选择在655 ℃下回火保温100 min后空冷,热处理工艺如表3所示。

表3 热处理工艺

003.jpg

3.1.2 检测结果

从钢管上取样,避开热影响区,进行拉伸和低温冲击试验,并检测钢的组织,如表4,5和图2所示。

表4 拉伸试验数据

004.jpg

表5 低温冲击试验数据

005.jpg
006.jpg

图2 回火索氏体+贝氏体组织

可以看出,经过655 ℃下的回火,观察组织时仍然发现贝氏体组织,强度和韧性全部符合标准要求,但强度富余量较少,说明经过本次回火,贝氏体中过饱和铁素体中的碳原子及碳化物得到了有效的扩散,提高了钢材的韧性。

3.2 第二轮热处理试验

3.2.1 热处理工艺

为使该产品充分奥氏体化,在原来淬火加热时间的基础上延长20 min,即930 ℃保温82 min,放入水池并快速搅拌,充分淬火;之后,在655 ℃回火保温215 min,使其过冷奥氏体充分转变并促使碳化物溶解,热处理工艺如表6所示。

表6 热处理工艺

007.jpg

3.2.2 检测结果

在钢管上避开热影响区取样,进行拉伸和低温冲击试验,并检测钢的组织,如表7,8和图3所示。

001.jpg

图3 回火索氏体组织

表7 拉伸试验数据

002.jpg

可以看出,钢的组织全部为回火索氏体,低温韧性较强且有较大富裕,而强度略低,说明淬火冷却到位,但回火温度过高所致。

表8 低温冲击试验数据

002A.jpg

3.3 第三轮热处理试验

3.3.1 热处理工艺

当温度大于300 ℃时,淬火钢随着回火温度的

升高,屈服强度、抗拉强度、断面收缩率均呈下降趋势[8]。根据第二轮的试验结果,钢的强度偏低,塑韧性较好,这种情况下可适当降低钢的回火温度,再次探索钢管的热处理工艺。

取一段钢管试样,在实验室加热炉进行整体热处理。加热到930 ℃后保温82 min,使其充分奥氏体化,之后再在640 ℃下回火保温215 min,如表9所示。

表9 热处理工艺

003.jpg

3.3.2 检测结果

从钢管上避开热影响区取样,进行拉伸和低温冲击试验,并检测钢的组织,如表10,11和图4所示。

004.jpg

图4 回火索氏体组织

表10 拉伸试验数据

可以看出,钢的组织全部为回火索氏体,强度和韧性均有一定的富裕,满足标准要求。

表11 低温冲击试验数据

3.4 应用与推广

将试验室的热处理工艺进行推广,生产5个批次约450吨钢管,将其加热到930 ℃后保温82 min后水淬,再在640 ℃下回火保温215 min,钢管机械性能及冲击功全部合格且稳定。检测数据如表12所示。

表12 钢管的机械性能数据

4 结束语

(1)回火索氏体中含有大块贝氏体组织,是导致材料冲击性能不稳定的主要原因,说明钢在淬火过程中冷却速度低于临界冷却速度,而回火时又不充分,残余奥氏体中的碳原子没有充分扩散,导致钢的塑韧性较差。

(2)模拟钢管的回火工艺,并适当缩短回火时间,在655 ℃下回火保温100 min,强度和韧性全部符合标准要求,但强度富余量较小。

(3)为使钢奥氏体化更加均匀,延长淬火加热保温时间。经过检测,钢的塑韧性较好,但强度略低。

(4)将回火温度从655 ℃降低至640 ℃,通过淬火+回火处理后,可获得韧性和强度均有富裕的结果,满足标准要求。将该工艺进行推广,获得较好的结果。

参考文献:

[1] 柏立国. 履带式起重机臂架结构静动态分析研究[D]. 吉林:吉林大学,2008.

[2] 游理华,卫兴民,洪连山. 用作起重机臂架的高强度钢管[J]. 起重机运输机械,1995,(10):15-17.

[3] 陈绍林. 履带式起重机臂架用HSM770无缝钢管的开发[J]. 钢管,2010,39(5):42-44.

[4] 许 轲,刘立功,王宝森,等.890 MPa钢级钢管的焊接工艺[J]. 金属加工,2010,(16):42-44,

[5] 王洪涛,陆 兴,覃作祥. 一种海洋平台用钢的组织与力学性能[J]. 金属热处理,2011,36(11):23-27.

[6] 雍岐龙,郑 鲁. 微合金化钢中NbC在铁素体中的沉淀和沉淀强化[J]. 金属学报,1984,20(1):12-14.

[7] 赵运堂,尚成嘉,贺信莱,等. 低碳Mo-Cu-Nb-B系微合金钢的中温转变组织类型[J]. 金属学报,2006,42(1):54-58.

[8] 崔忠圻,谭耀春. 金属学与热处理[M]. 北京:机械工业出版社,2007:273-274.

Discussion on heat treatment performance of 890 MPa steel pipe for crawler crane boom

ZHANG Xinwen1, LIU Guanghua2, XUAN Kangle1, WANG Xiaolan1, LIU Yong1

(1.Special Steel Company of Jiangsu Yonggang Group Co.Ltd.Suzhou 215628, China;2.Jiangsu Changbao Plyson Steel Pipe Co. Ltd.Changzhou 213000, China)

Abstract The reason of low impact toughness of 890 MPa steel pipe used for crawler crane boom is analyzed. It is found that there is large bainite in tempered sorbite. The heat treatment process of steel pipe is simulated and explored in the laboratory. After a series of studies, it is found that the initial quenching and tempering of steel pipe are insufficient. After the test, the heat treatment process of finished steel pipe is as follows: 930 ℃ for 82 min, 640 ℃ for 215 min; Under this condition, the material can obtain better mechanical properties.

Key words steel pipe; heat treatment; crawler crane; boom; impact energy

中图分类号:TG335.71; TG161; TH213.7

文献标志码:B

文章编号:2097-017X(2021)01-0088-05

*收稿日期: 2021-01-19

第一作者简介: 张新文(1980-),男,硕士,高级工程师。研究方向:产品研发。


返回