鋼板淬火回火前后尺寸變化分析

張鐵毅 劉菁婧

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司）

0 引言

興澄特鋼熱處理廠調(diào)質(zhì)線生產(chǎn)裝備一流，投產(chǎn)十年來，工藝持續(xù)優(yōu)化，積累了大量生產(chǎn)高端調(diào)質(zhì)鋼板的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品分為高強(qiáng)鋼、耐磨鋼、超低溫儲罐用9Ni 鋼、臨氫壓力容器等，國內(nèi)重點(diǎn)客戶有徐工、卡特彼勒、三一重工、中聯(lián)重科、中國寰球等，部分產(chǎn)品不僅替代了進(jìn)口產(chǎn)品，還遠(yuǎn)銷南亞、歐洲、北美等，占據(jù)了較大的市場份額。

常見的鋼板熱處理廠淬火回火熱處理工藝流程如圖1 所示。經(jīng)過來料檢查的鋼板。在進(jìn)爐熱處理前，一般會通過鋼板拋丸工序。拋丸工序可以充分暴露隱藏在熱軋鋼板氧化皮下的缺陷，也是氮?dú)獗Ｗo(hù)輻射管加熱熱處理爐出于保護(hù)爐輥的客觀需求。采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕{(diào)質(zhì)鋼板在淬火爐加熱到Ac3線以上30 ～50 ℃后保溫，待鋼板內(nèi)部溫度趨于一致，組織完全奧氏體化后，在淬火機(jī)中以很高的淬火水壓，以大于臨界冷卻速度的方式，獲得目標(biāo)淬火組織。淬火過程中冷卻速度大，內(nèi)部存在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，在回火爐中按照合適的回火工藝，使鋼板獲得期望的強(qiáng)度、韌性和良好的組織。在淬火回火過程中，若因冷卻不均造成鋼板變形，通過矯直工序可以重新獲得平直的板形。淬火回火熱處理結(jié)束后，鋼板按合同尺寸進(jìn)行切割取樣，按客戶要求進(jìn)行成品表面標(biāo)識，鋼板外觀、尺寸、內(nèi)部探傷、表面質(zhì)量、力學(xué)性能等檢驗(yàn)合格后，入成品庫發(fā)運(yùn)至客戶處，完成鋼板的交付。

圖1 鋼板淬火回火熱處理工藝流程

經(jīng)過淬火回火熱處理的鋼板，改變了鋼板內(nèi)部的顯微組織，改善了內(nèi)在質(zhì)量，一般具有優(yōu)良的力學(xué)性能和使用性能，具有高附加值。在對淬火回火鋼板進(jìn)行尺寸重點(diǎn)檢驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)已淬火回火熱處理的鋼板尺寸，相比于來料尺寸，均發(fā)生了一定的變化，部分交貨公差要求嚴(yán)格的因尺寸超差重新進(jìn)行了返切。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在淬火回火鋼的研究中，對高強(qiáng)鋼和耐磨鋼尺寸變化規(guī)律的研究較少，對高強(qiáng)鋼中高鋼級的Q960 和耐磨鋼中高鋼級的NM500 研究更少。筆者通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，對不同鋼種淬火回火前后的尺寸變化進(jìn)行了試驗(yàn)和分析，找出了影響尺寸變化的因素。

試驗(yàn)方法：在鋼板表面和側(cè)邊的固定位置，用油漆記號筆標(biāo)記好檢測點(diǎn)，然后檢測該點(diǎn)的厚度以及點(diǎn)與點(diǎn)之間的寬度和長度，如圖2 所示。用油漆筆所標(biāo)記的檢測點(diǎn)，在淬火回火過程中經(jīng)淬火介質(zhì)的沖刷仍清晰可見，可以確保檢測點(diǎn)是一一對應(yīng)的；同時，檢測人員固定為同一個人，檢測工具均為固定的經(jīng)過校驗(yàn)的千分尺和10 米鋼卷尺，淬火加熱溫度和均熱時間固定，淬火介質(zhì)為水，淬火終了溫度為室溫，淬火壓力固定，以保證數(shù)據(jù)的可對比性。

圖2 淬火前后鋼板的尺寸測量

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 各工序尺寸變化情況

對鋼板拋丸后、淬火后、回火后的厚度、寬度和長度尺寸進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)見表1。

表1 淬火回火過程中NM500 的尺寸

從表1 可以看出，鋼板拋丸前后，厚度、寬度和長度均未發(fā)生變化；淬火后，厚度減薄,寬度和長度伸長；回火后，厚度變化不大，寬度、長度略微收縮，基本可以忽略。因此，鋼板淬火回火前后的尺寸變化主要集中在淬火過程中，筆者主要對淬火過程的鋼板尺寸變化進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

2.2 Q960 級別鋼板淬火回火前后的尺寸變化

在不影響現(xiàn)場大生產(chǎn)的前提下，現(xiàn)場試驗(yàn)選取了24 張不同厚度規(guī)格的Q960 級別的高強(qiáng)鋼，合同厚度15～60 mm，碳當(dāng)量CE在0.540 9～0.556 5，數(shù)值相差較小，碳當(dāng)量CE=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5，鋼板淬火回火前后的尺寸變化見表2。

對表2 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在碳當(dāng)量CE 相差較小的情況下：

表2 Q960 級別鋼板淬火回火前后尺寸變化

（1）厚度為15 ～60 mm 的Q960 級別高強(qiáng)鋼，淬火回火后出現(xiàn)了厚度減薄，寬度和長度伸長的情況。

（2）厚度減薄率在0.504% ～0.953%，寬度伸長率在0.373%～0.536%，長度伸長率在0.434%～0.539%。

2.3 NM500 級別鋼板淬火回火前后的尺寸變化

選取20 張NM500 級別鋼板，合同厚度10～50 mm，碳當(dāng)量CE=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5 在0.503 4～0.708 8，碳當(dāng)量CE 隨著鋼板厚度的增加而增加，鋼板淬火回火前后的尺寸變化見表3。

從表3 可以看出，厚度10 ～50 mm 的NM500級別耐磨鋼，淬火回火后出現(xiàn)了厚度減薄，寬度和長度伸長的情況；厚度減薄率在0.801%～1.166%之間，寬度伸長率在0.500%～0.753%之間，長度伸長率在0.574%～0.668%之間。

表3 NM500 級別鋼板淬火回火前后的尺寸變化

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 鋼板尺寸變化的原因

鋼板在淬火爐內(nèi)部組織完全奧氏體化后，進(jìn)入淬火機(jī)淬火。在淬火過程的不同階段受到不同應(yīng)力的作用。

淬火初始階段，鋼板接觸淬火介質(zhì)開始淬火，受到熱應(yīng)力的作用。熱應(yīng)力是因?yàn)榻孛鏈囟炔钜鸬模鋮s速度越快，截面溫差越大，熱應(yīng)力也越大。表面溫度遇高壓水開始降低，心部溫度仍為加熱的溫度，從表面到心部存在溫度梯度，心部溫度會向表面?zhèn)鬟f。由于熱脹冷縮的作用，鋼板表面比心部有更大的體積收縮傾向，受心部阻礙，鋼板表面受拉應(yīng)力，心部處于壓應(yīng)力。棱角和邊部冷卻較快，熱應(yīng)力也較大[1]。

隨后，鋼板表層溫度降到馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms 點(diǎn)以下時，受到組織應(yīng)力作用。鋼板表層和心部產(chǎn)生馬氏體的不同時性造成組織應(yīng)力[2]。表層發(fā)生奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，面心立方奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方或體心正方的馬氏體，馬氏體比容大于奧氏體比容，體積發(fā)生膨脹。心部仍為奧氏體，阻礙表面馬氏體體積增大，表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，心部產(chǎn)生拉應(yīng)力。馬氏體相變?yōu)闊o擴(kuò)散相變，與奧氏體母相存在共格關(guān)系，相變時原子以切變方式進(jìn)行，兩相以宏觀彈性形變維持界面的聯(lián)系性和共格[3]。相比于表層溫度低、屈服強(qiáng)度高的馬氏體，鋼板心部的奧氏體溫度高、塑性較好，易于變形。隨著心部馬氏體逐步增多，根據(jù)金屬流動和體積不變定律，金屬會向約束較小的寬度和長度方向膨脹。

因此，在淬火過程中鋼板會發(fā)生厚度減薄、寬度和長度伸長的尺寸變化趨勢。

3.2 厚度對鋼板淬火回火前后尺寸變化的影響

表2 中的“厚度減薄量”和“厚度減薄率”(厚度減薄率=厚度減薄量/厚度)兩列數(shù)據(jù)取絕對值，制作相近碳當(dāng)量Q960 級別鋼板淬火回火前后尺寸變化趨勢，如圖3 所示。

圖3 相近碳當(dāng)量Q960 級別鋼板淬火回火前后尺寸隨厚度的變化趨勢

從圖3 可以看出，厚度減薄量隨厚度的變化趨勢近似線性，回歸方程為減薄量y=0.005×厚度+0.05，R2=0.930。作為分母的厚度，以10 mm 為單位遞增，比分子遞增的快，因此反而厚度減薄率數(shù)值呈下降趨勢。另外，寬度伸長率和長度伸長率基本穩(wěn)定。

從表3 中取8 組數(shù)據(jù)，再額外增加4 組相近碳當(dāng)量但厚度為30 mm 的NM500 尺寸變化數(shù)據(jù)，“厚度減薄量”和“厚度減薄率”兩列數(shù)據(jù)取絕對值，制作鋼板淬火回火前后尺寸隨厚度的變化趨勢，如圖4 所示。對相近碳當(dāng)量的NM500進(jìn)行分析，也有類似的變化趨勢。厚度減薄量回歸方程：厚度減薄量y=0.007 7×厚度+0.05，R2=0.961。

圖4 相近碳當(dāng)量NM500 級別鋼板淬火回火前后尺寸隨厚度的變化趨勢

3.3 碳當(dāng)量對鋼板淬火回火前后尺寸變化的影響

試驗(yàn)時，還測量了4 張50 mm、碳當(dāng)量為0.772 2 的NM500 和4 張50 mm、碳當(dāng)量為0.514 5 的NM500的尺寸變化情況，與表3 中4 張厚度同為50 mm、碳當(dāng)量為0.708 8 的NM500 數(shù)據(jù)一起制作了鋼板尺寸隨碳當(dāng)量的變化趨勢，如圖5 所示。

圖5 同厚度NM500 鋼板尺寸隨碳當(dāng)量的變化趨勢

從圖5 可以看出，厚度相同的情況下，隨著碳當(dāng)量的增加，尺寸變化率成上升趨勢。厚度減薄量回歸方程y=0.486×碳當(dāng)量+0.15，R2=0.882，寬度伸長率和長度伸長率也呈與厚度變化類似的趨勢。

在厚度相同的情況下，隨著碳當(dāng)量的增加，淬火回火前后鋼板的厚度減薄率、寬度伸長率、長度伸長率均呈上升趨勢。碳當(dāng)量是將鋼鐵中合金元素折算成碳元素在鋼中的作用，碳當(dāng)量對尺寸變化的影響也是合金元素對尺寸變化的影響。對于亞共析鋼而言，碳當(dāng)量增加，淬透性會隨之提高。淬透性是淬火條件下獲得馬氏體的能力，淬透性提高，鋼板從表層到心部獲得的馬氏體組織就多，淬火過程中的體積膨脹量就大。

4 應(yīng)用

鋼板淬火回火前后尺寸發(fā)生了變化，厚度減薄，寬度和長度伸長。根據(jù)這個規(guī)律，軋鋼時應(yīng)注意淬火回火鋼板的厚度至少應(yīng)大于厚度公差下限+ 厚度減薄量，軋制厚度低于這個數(shù)值，淬火回火后會出現(xiàn)厚度不滿足公差的情況，出現(xiàn)不合格產(chǎn)品；反之，滿足上述要求，則可以按照得出的厚度減薄結(jié)論，在淬火回火后仍能命中交貨厚度要求的情況下，反推軋制厚度，適當(dāng)降低軋制厚度，可提高成材率。根據(jù)3.2 和3.3 給出的回歸方程，可預(yù)判厚度的變化數(shù)據(jù)。

鋼板淬火回火前后寬度和長度伸長，在現(xiàn)有軋鋼設(shè)計(jì)坯料和淬火回火前的切割環(huán)節(jié)，淬火回火原料可以按照現(xiàn)有切割尺寸減去寬度伸長量和長度伸長量進(jìn)行定尺，在淬火回火環(huán)節(jié)寬度和長度會伸長，命中交貨寬度和長度，提高金屬收得率；如果沒有考慮淬火回火環(huán)節(jié)寬度和長度的伸長，淬火回火結(jié)束后，尺寸就會超出交貨寬度和長度要求，增加額外的再次切割工序，造成返工，增加了精整切割負(fù)擔(dān)。Q960 級別按合同寬度×（1-0.3%）定尺，合同長度×（1-0.4%）定尺，金屬收得率可提高0.7%以上；NM500 級別按合同寬度×（1-0.5%）定尺，合同長度×（1-0.5%）定尺，金屬收得率可提高約1%以上。

5 結(jié)論

鋼板淬火回火前后尺寸發(fā)生變化，厚度減薄，寬度和長度伸長。

（1）Q960 級別高強(qiáng)鋼，淬火回火后厚度減 薄 率 在0.504%～0.953%之間， 寬度伸長率在0.373%～0.536%之間，長度伸長率在0.434%～0.539%之間；NM500 級別耐磨板， 淬火回火后厚度減薄率在0.801%～1.166% 之間，寬度伸長率 在0.500%～0.753% 之 間， 長 度 伸 長 率 在0.574%～0.668%之間。通過試驗(yàn)分析找出了回歸方程，可預(yù)判厚度的變化數(shù)據(jù)。

（2）淬透性強(qiáng)的鋼板，碳當(dāng)量相近時，厚度減薄率隨厚度的增加而降低，寬度伸長率、長度伸長率的變化基本穩(wěn)定。

（3）厚度相同的情況下，隨著碳當(dāng)量的增加，淬火回火后鋼板的厚度減薄率、寬度伸長率、長度伸長率均呈上升趨勢。