LCB和LCC低温阀门用钢材的热处理方法浅析

发布时间：2011-06-16 点击数：6546

LCB和LCC是低温阀门较常使用的铁素体类低温钢，按ASTM A352/A352M的规范要求，它们适用于-46~0℃的环境中，因此对其低温性能有着较高的要求。因为通常C-Mn类钢在低温工况中机械性能都会明显的下降，因而要使LCB和LCC达到ASTM标准的要求，其热处理方法有着一定的特殊性和难度。

一、分析

从化学成分上比较，LCB和LCC与WCB和WCC都属于低碳C-Mn钢系列（表1），但ASTM标准对4种钢的机械性能要求却不同（表2），主要表现在低温冲击韧性这一指标上。WCB和WCC对此不作要求，而LCB和LCC则要求在-46℃分别达到18J和20J。经过分析和试验证明，虽然LCB、LCC、WCB和WCC钢的化学成分相同或相近，但表现出不同机械性能，这是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化学成分 %

牌号	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Cu	V
LCB	≤0.30	≤0.60	≤1.00	≤0.04	≤0.045	≤0.50	≤0.50	≤0.20	≤0.30	≤0.03
WCB	≤0.30	≤0.60	≤1.00	≤0.04	≤0.045	≤0.50	≤0.50	≤0.20	≤0.30	≤0.03
LCC	≤0.25	≤0.60	≤1.20	≤0.04	≤0.045	≤0.50	≤0.50	≤0.20	≤0.30	≤0.03
WCC	≤0.25	≤0.60	≤1.20	≤0.04	≤0.045	≤0.50	≤0.50	≤0.20	≤0.30	≤0.03

表2 LCB、LCC、WCB和WCC机械性能

牌号	σ_b/MPa	σ_s/MPa	, , δ₅/%	φ/%	α_k（-46℃） kJ·（m²）^-1
LCB	450~620	≥240	≥24	≥35	≥18
WCB	485~655	≥250	≥22	≥35	-
LCC	485~655	≥275	≥22	≥35	≥20
WCC	485~655	≥275	≥22	≥35	-

在碳钢中加入Mn、Ni和Cr元素将对钢的组织、晶粒结构和热处理的温度曲线产生较大的影响。Mn元素可增加钢组织中奥氏体的稳定性，降低热处理的冷却速度，提高淬透性，降低钢在淬火后的变形和增加钢的强度。Ni不易与碳形成碳化物，用于低合金钢时，能增进低温韧性及硬化能，可减少热处理变化的敏感性及减少淬火的扭曲及龟裂，并能强化钢组织中的铁素体相，增加淬火后组织中的残余奥氏体。Cr元素同样有稳定钢组织中奥氏体和增加淬火后组织中的残余奥氏体的作用。

奥氏体是钢组织中比容最小的相组织，其冲击韧性、耐磨性和塑性都极好。但是奥氏体通常存在于高温区（锻造就是利用奥氏体这一性质，把钢材加热到一定高温区再施锻），常温下奥氏体保存下来较少，只有在Mn、Ni和Cr等元素的作用下，才能使钢组织在常温中存在部分残余奥氏体。奥氏体的存在将大大改善钢的冲击韧性、耐磨性和塑性。LCB和LCC正是利用它们所含有的微量合金Mn、Ni和Cr元素的作用，使热处理后的钢组织中增加奥氏体的含量来改善其低温冲击韧性。但是残余奥氏体也有一个缺点，在常温下放置一定的时间后，一些残余奥氏体会逐渐转变成马氏体，引起晶间变形，这对于LCB和LCC这类含碳量较低的钢，残余奥氏体的转变变形影响则较小。

LCB、LCC中Mn、Ni和Cr元素的存在降低了钢的淬火温度，所以应适当调低淬火温度，否则会在淬火保温过程中使钢组织晶粒长大，致使淬火后组织晶粒粗大，不均匀，造成机械性能下降，不利于低温冲击韧性的提高。由于淬火温度的选择适当调低，故保温时间要延长，以保证在晶粒不长大的情况下，合金元素充分弥散，使淬火后晶粒均匀细小，为LCB和LCC钢的机械性能，尤其冲击韧性的提高打下良好的基础。

淬火后，为了消除淬火产生的内应力，并得到所需要的组织和机械性能，需要对LCB和LCC淬火后进行高温回火。但是由于Mn和Cr元素都是强促碳化物生成元素，在500~550℃回火时，碳化物会沿晶界析出，使钢的冲击韧性大幅下降，因此在选择回火温度时，要远离这一温度区域，并回火后冷却时采取快冷方式，迅速通过500~550℃这一温度区域，但在低于这一温度区间后，应采取适当的缓冷方式，以降低由于快冷而再次产生的组织内应力，从而提高钢的机械性能。

二、热处理工艺

通过理论分析，确定了LCB和LCC钢的热处理工艺路线，并对其中的淬火、回火温度和冷却速度进行了大量的试验和修正（图1）。按这套工艺，化学成分略有不同的，不同炉号及批次的LCB和LCC钢坯零件，热处理后的低温冲击韧性值都能满足ASTM标准的要求，有时α_k值可达到40J以上。