發(fā)布日期：2023-6-23 17:18:54
鋼鐵是現(xiàn)代社會工業(yè)發(fā)展的主要耗材。石油、天然氣以及風(fēng)能等行業(yè)使用的鋼材具有最佳的強(qiáng)度和韌性以及較低的生產(chǎn)成本。由于深水環(huán)境中嚴(yán)苛的高壓和低溫條件，海上工業(yè)使用低合金鋼來制造水下應(yīng)用的鍛造部件。為了滿足全球能源需求，石油和天然氣的勘探和生產(chǎn)不斷地被轉(zhuǎn)移到環(huán)境更加嚴(yán)苛的地方，如超深海和北極地區(qū)。這導(dǎo)致冶煉行業(yè)設(shè)計了壁厚較厚的低合金鋼鍛造部件，以滿足水下關(guān)鍵部件承受更高的壓力。低合金鋼經(jīng)常被設(shè)備制造商用于制造具有高強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)部件，這種材料通過鍛造操作和熱處理工藝的結(jié)合能充分發(fā)揮其機(jī)械性能，其強(qiáng)度和韌性之間的平衡通過正火、淬火和回火處理組成的熱處理循環(huán)獲得。
1、石油天然氣用大型鍛件的制造工藝
大型鋼鍛件的生產(chǎn)是一個復(fù)雜的工藝過程，大致可以分為下圖所示的煉鋼、軋制、熱處理和機(jī)械加工等過程。
這種工藝生產(chǎn)出來的鍛件質(zhì)量依賴于鍛造部件所能達(dá)到的機(jī)械性能。鍛造過程中需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制，實(shí)時監(jiān)測和分析相關(guān)的加工參數(shù)，以便制造出滿足需求的高質(zhì)量大型鍛件。然而，盡管在生產(chǎn)加工中實(shí)時監(jiān)測相關(guān)參數(shù)十分重要，但由于難以在工業(yè)設(shè)備或直接在組件中安裝測量或記錄設(shè)備，因此對處理參數(shù)的監(jiān)測并不總是可行的。
2、熱處理工藝
熱處理是大型鋼鍛件制造順序中的最后一道工序，它決定了部件的最終顯微組織和機(jī)械性能。熱處理工藝的設(shè)計包括關(guān)鍵參數(shù)的定義，如加熱速率、溫度、均熱時間和冷卻速率，以獲得所需的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。在過去的幾十年中，這些參數(shù)已經(jīng)得到了廣泛的研究，然而，為了滿足某些特殊行業(yè)（例如海上工業(yè)）的需求，新的熱處理工藝也在不斷發(fā)展，這包括使用超大型熔爐和全新設(shè)計的淬火槽。由于與大型鍛件熱處理相關(guān)的潛在顯微組織變化，鍛造工業(yè)在保證大型鍛件的機(jī)械性能方面存在不確定性。
2.1 正火
大型鍛件在開式模鍛和環(huán)件軋制操作后的顯微組織主要有三個觀察指標(biāo)。首先，晶粒流動優(yōu)先取向取決于鍛件縱軸或橫軸上塑性變形的嚴(yán)重程度。這種微觀結(jié)構(gòu)的各向異性導(dǎo)致鍛件的縱向或橫向方向的機(jī)械性能不同；其次，由于在熱加工操作之后的冷卻過程中經(jīng)歷的冷卻速率變化，沿著鍛件的壁厚可能形成不均勻的微觀組織，從而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。從這個意義上說，正火處理具有降低熱加工后產(chǎn)生的不均勻性和顯微組織各向異性的能力，因為它能夠使低合金鋼的組織均勻化和細(xì)化。正火的工藝流程包括包括將材料加熱到奧氏體相（面心立方結(jié)構(gòu)），將其保持在奧氏體化溫度，直到鍛件尺寸達(dá)到完全轉(zhuǎn)變，最后停止加熱并在空氣中冷卻至室溫。在顯微組織方面，大型鍛件在正火處理后通常會出現(xiàn)鐵素體-珠光體組織。
由于在熱加工操作過程中采用了較高的鍛造溫度（1100℃-1250℃），鍛造過程后零件中產(chǎn)生了粗晶粒組織，然而，這種粗組織實(shí)際上是在正火過程后使用900℃-950℃之間的溫度而得到細(xì)化的。
2.2 淬火
盡管如前所述，大型鍛件的顯微組織在正火后得到了顯著優(yōu)化，但仍需進(jìn)行淬火處理，以促進(jìn)在最終部件中實(shí)現(xiàn)所需性能所必不可少的相變。
淬火可被視為鍛造行業(yè)中定制低合金鋼和高合金鋼的組織和性能的關(guān)鍵工藝流程。這個復(fù)雜的工藝過程可以總結(jié)如下：最初將部件加熱到其奧氏體范圍，然后在均熱時間結(jié)束后將材料從熔爐中取出，并轉(zhuǎn)移到淬火槽中。在淬火槽中，將部件浸入淬火介質(zhì)中，以促進(jìn)快速冷卻，從而避免形成不希望得到的結(jié)構(gòu)。
如果冷卻速度足夠快，根據(jù)淬火過程中產(chǎn)生的非平衡冷卻條件、鍛件的化學(xué)成分和截面尺寸，奧氏體結(jié)構(gòu)可能轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎�(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，如馬氏體或貝氏體。
2.3 回火
淬火過程后需要對鍛件進(jìn)行回火處理，因為淬火得到的馬氏體硬度雖大但易碎，因此不適合直接做結(jié)構(gòu)件�；鼗鸢ㄔ谔囟〞r間內(nèi)將先前獲得的馬氏體結(jié)構(gòu)加熱至確定的溫度，并在靜止空氣中冷卻。回火時間是根據(jù)零件的厚度計算的，通常部件厚度為 25mm/h，而回火溫度的選擇則取決于鍛件所需的機(jī)械性能。研究人員通過選定的試樣在 870℃奧氏體化后停留一小時，接著在油中淬火，然后在 200℃-600℃之間回火，研究回火溫度對鎳鉻鉬鋼強(qiáng)度和韌性的影響。研究人員觀察到過高的溫度將導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度降低。另一方面，隨著回火溫度的升高，韌性下降。
此外，淬火馬氏體在回火過程中轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，回火馬氏體由針狀鐵素體基體組成，碳化物沉淀位于原奧氏體晶粒尺寸邊界或板條亞結(jié)構(gòu)內(nèi)。值得注意的是，回火處理期間使用的最高溫度必須低于較低的臨界溫度AcI（加熱時奧氏體溫度開始轉(zhuǎn)變），以避免奧氏體轉(zhuǎn)變。
回火的初始階段（100-200℃）包括Fe2.4C碳化物的形成，這也稱為 Ɛ-碳化物。在第二階段，先前淬火操作產(chǎn)生的殘余奧氏體在 200℃-350℃之間轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體的混合物。第三階段發(fā)生在 250℃-750℃之間。在此溫度范圍內(nèi)，根據(jù)材料的化學(xué)成分，形成Fe3C滲碳體或M3C滲碳體碳化物，這將導(dǎo)致馬氏體體心四方性的終止，并逐漸降低其應(yīng)力水平，馬氏體組織在回火過程中形成的碳化析出物的分布和取向決定了該材料的力學(xué)性能。
2.4 熱處理的發(fā)展
在過去的十到十五年中，熱處理技術(shù)取得了許多進(jìn)步。引進(jìn)新合金，如雙相不銹鋼、微合金鋼、HSLA鋼、低鈷馬氏體時效鋼、等溫淬火球墨鑄鐵、定向凝固和單晶高溫合金、鋁鋰合金、各種金屬基復(fù)合材料等。行業(yè)內(nèi)呼吁基于結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性進(jìn)行新的研究。
熱處理工藝也發(fā)生了變化，包括連續(xù)退火、感應(yīng)加熱和使用激光或電子束的表面硬化操作的改進(jìn)，等離子輔助表面硬化工藝商業(yè)化可行性的確立，以及熱機(jī)械加工的進(jìn)步。然而，最引人注目的進(jìn)展發(fā)生在新開發(fā)的用于改進(jìn)過程表征和過程控制的工具領(lǐng)域。這些發(fā)展中值得注意的是改進(jìn)了控制爐溫、爐內(nèi)氣氛和表面碳含量的儀器、統(tǒng)計過程控制（SPC）的實(shí)際應(yīng)用、計算機(jī)建模在硬度曲線預(yù)測中的應(yīng)用，表面硬化性能回火的定量建模，以及材料及其熱處理過程的計算機(jī)輔助面向?qū)ο筮x擇。筆者認(rèn)為信息化，特別是計算機(jī)技術(shù)的引入將是未來大型鍛件熱處理工藝的一大發(fā)展趨勢。近年來，計算機(jī)也確實(shí)在熱處理過程中產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用。具體而言，計算機(jī)技術(shù)可以應(yīng)用到以下過程中：
（1）數(shù)據(jù)庫的存儲和檢索
（2）轉(zhuǎn)化過程的建模
（3）微觀結(jié)構(gòu)和性能的預(yù)測
（4）過程分析和優(yōu)化
（5）實(shí)時工藝監(jiān)控
通過開發(fā)基于計算機(jī)的材料成分、材料性能、加工變量對材料性能的影響、各種合金的 CCT 和 TTT 信息存儲和檢索系統(tǒng)，熱處理技術(shù)專家將更容易評估材料選擇對熱處理及其最終性能的影響。與此同時，人們也可以更容易地對可用的材料和加工備選方案進(jìn)行評估。利用計算機(jī)，可以對熱處理過程進(jìn)行足夠精確的建模，以便分析處理變量的影響。因此，為了研究CLR 處理變量的影響，可能不需要進(jìn)行昂貴且冗長的實(shí)驗，而是可以進(jìn)行基于計算機(jī)的過程直接進(jìn)行優(yōu)化。
計算機(jī)還可以用于熱處理過程的在線監(jiān)測和控制。這在很大程度上取決于固態(tài)傳感器的發(fā)展。計算機(jī)是求解傳熱和形變行為問題的重要工具，這與熱處理過程中遇到的問題直接相關(guān)，加入計算機(jī)技術(shù)后，工程人員便可以對這些情況進(jìn)行詳細(xì)分析和研究，以開發(fā)熱處理工藝和預(yù)測熱處理性能。
3、結(jié)論
本篇研究分析了低合金鋼的加工路線、組織和性能之間的關(guān)系。特別是如何通過改變相關(guān)的冶金參數(shù)，如化學(xué)成分（煉鋼）、變形程度（鍛造）或冷卻速度（淬火），來改變低合金鋼的組織和性能。此外，本文還簡要介紹了大型鍛件的熱處理工藝發(fā)展以及可能的發(fā)展趨勢。在描述這些進(jìn)展時，筆者并非詳盡無遺，感興趣的讀者可以閱讀文中引用的參考文獻(xiàn)。熱處理的未來前景在于已提出的一些新工藝的進(jìn)一步發(fā)展。大規(guī)模的業(yè)務(wù)整合，如從鑄鋼到熱處理產(chǎn)品的連續(xù)加工，可能會受到更多的關(guān)注。計算機(jī)在熱處理中的應(yīng)用將越來越多，將成長為未來的主流發(fā)展趨勢。
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