热处理工艺对低温阀门用钢LCB组织和性能的影响
为了改善LCB钢的低温冲击韧性，采取不同的热处理工艺对LCB钢进行试验。结果表明，试样经过940℃±10℃的正火预处理，然后加热到910℃±10℃保温适当时间后淬入水中，最后在650℃±10℃下回火，得到的回火索氏体组织最为细密，在﹣50℃时的冲击值可达87J，此时钢的强韧匹配效果最佳。
1、概述
目前，石化企业对低温钢的需求日益增加。LCB钢是一种常见的用于低温阀门的碳钢材料，适用于﹣46～345℃的环境中。普通碳钢在低温工况下冷脆现象十分严重，使用温度仅到-50℃。但有些LCB低温阀门要求在﹣50℃的温度下，低温AKV值仍要满足ASTMA352的要求。对于低温阀门用钢，主要以低温冲击值作为验收依据。为了扩大LCB钢阀门的适用性，对热处理工艺进行了试验研究。
2、化学成分
LCB钢(表1)属于铁素体型钢，其韧性较好。对于LCB钢中的残余元素，应加以控制。由于LCB钢中C含量较低，添加一定量的Cr、Mo、Ni元素利于稳定钢组织中的奥氏体并增加淬火后组织中的残余奥氏体。微量的Mo既可以细化晶粒，又可以固溶强化铁素体基体。Ni既能提高钢的强度，又使塑性和韧性得到提高，有效降低韧性-脆性转变温度，从而提高了低温冲击韧性。Cr和Mo还能有效降低钢的过热倾向。
表1 LCB钢的化学成分Wt%
3、试样
试样钢采用250kg的中频炉进行熔炼，直接浇入基尔试棒铸型中，然后对浇注出的试样进行取样，经GS-1000型OBLF直读光谱仪分析，成分在控制范围内。
3.1、热处理工艺
目前，大多数厂家对LCB钢的热处理采用正火+回火或者淬火+回火的方式，但选取的正火温度与淬火温度相同，均为910±10℃。在这个温度下正火处理过的试样强度勉强合格，但是低温冲击韧性往往不符合标准要求，即使达标其平均值也是很低。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)考虑到低碳钢正火可作为淬火前的预备热处理，在不产生过热组织的前提下，适当提高正火温度可以消除应力、细化组织、改善切削加工性能，故本次试验采用3种不同的方案对LCB钢进行热处理。
(1)正火+回火。即940℃±10℃保温适当时间后出炉空冷，随即加热到650℃±10℃，保温适当时间后出炉空冷。
(2)淬火+回火。即910℃±10℃保温适当时间后水淬，然后加热到650℃±10℃，保温适当时间后出炉空冷。
(3)正火+淬火+回火。即先在940℃±10℃保温适当时间后出炉空冷，然后在910℃±10℃保温适当时间后水淬，最后加热到650℃±10℃，保温适当时间后出炉空冷。
3.2、力学性能试验
试样经3种方案热处理后，分别按照GB/T228和GB/T229加工成拉伸试样和带V形缺口的冲击试样。拉伸试验在WEW-600B型微机屏显万能试验机上进行。冲击试样先在CDW-196Y型冲击试验低温仪冷却到-50℃(过冷度取3℃)，并保温20min后迅速放在JB-300B型冲击试验机上在10s内打断。
3.3、金相试样
金相试样是用做完冲击试验后冲断的试样磨制成，经4%硝酸酒精溶液腐蚀后，用金相显微镜观察分析其在100倍和500倍下的微观组织。
4、分析
4.1、显微组织
试验钢的微观组织形貌差别较大(图1～图3)，虽然3种不同热处理后得到的组织都是回火索氏体，但在回火前的组织不尽相同。图1中，经正火得到的索氏体中的渗碳体片在回火时具有转变为颗粒状的自然趋势，经过一段时间的保温，使得原先的片状索氏体变为粒状索氏体，但组织中晶粒内部的铁素体间距较大。图2和图3中，淬火得到的马氏体在回火时经历了回复和再结晶成为等轴状或多边形状，形成了保持马氏体位向的回火索氏体，不同的是图3的试样先进行了正火预处理，经淬火、回火后得到的组织更加细密，晶粒内部的铁素体间距更小，这就是正火+淬火+回火处理的冲击韧性高的重要原因。
(a)回火前(b)回火后
图1 方案1
(a)回火前(b)回火后
图2 方案2
(a)回火前(b)回火后
图3 方案3
4.2、力学性能分析
从试验结果(表2)分析，经方案二处理后的试样强度最高。一般低合金结构钢的屈强比为0.65～0.75，经方案一处理后的屈强比为0.67，经方案二和方案三处理后的屈强比均为0.76，所以采用方案二和方案三可以提高LCB钢的屈强比，即提高了材料的抗变形能力。当LCB钢用于结构件时，可以节约材料，使零件轻量化。
经方案三处理后的试样冲击值最高达到87J，高于ASTMA352中所规定的最小平均值，试样的冲击韧性大大提高。这是因为经过正火预处理后，细化了晶粒组织，经淬火得到的马氏体组织更为致密，最终使得材料的强韧性得到了最佳优化。经方案一处理后的试样，各指标已能满足ASTMA352的要求。经实际生产检验，铸件热处理后的性能良好。
表2 LCB钢热处理后的力学性能
5、结语
(1)熔炼LCB钢时采用低碳高锰的原则，并添加适量的Cr、Mo、Ni等化学元素，可以固溶强化铁素体基体，同时较大幅度的提高材料的韧性，为热处理进一步提高力学性能打下良好的基础。
(2)LCB钢经过正火+回火后，组织中晶粒较粗大(平均晶粒度评为8级)，且晶粒内部的铁素体间距较大经淬火+回火后，组织中晶粒变小(平均晶粒度评为9级)，晶粒内部铁素体间距变小。经过正火预处理后，再进行合理的淬火+回火，使得组织中的晶粒更细小(平均晶粒度评为9.5级)，晶粒内部的铁素体间距更短。
(3)LCB钢经过正火+淬火+回火后可以获得强韧性匹配最佳的回火索氏体组织。屈强比达到了低合金结构钢水平，为扩大阀门的使用范围创造了有利条件。
