钢板淬火回火前后尺寸变化分析

张铁毅 刘菁婧

（江阴兴澄特种钢铁有限公司）

0 引言

兴澄特钢热处理厂调质线生产装备一流，投产十年来，工艺持续优化，积累了大量生产高端调质钢板的技术经验，产品分为高强钢、耐磨钢、超低温储罐用9Ni 钢、临氢压力容器等，国内重点客户有徐工、卡特彼勒、三一重工、中联重科、中国寰球等，部分产品不仅替代了进口产品，还远销南亚、欧洲、北美等，占据了较大的市场份额。

常见的钢板热处理厂淬火回火热处理工艺流程如图1 所示。经过来料检查的钢板。在进炉热处理前，一般会通过钢板抛丸工序。抛丸工序可以充分暴露隐藏在热轧钢板氧化皮下的缺陷，也是氮气保护辐射管加热热处理炉出于保护炉辊的客观需求。采用适当的热处理工艺，调质钢板在淬火炉加热到Ac3线以上30 ～50 ℃后保温，待钢板内部温度趋于一致，组织完全奥氏体化后，在淬火机中以很高的淬火水压，以大于临界冷却速度的方式，获得目标淬火组织。淬火过程中冷却速度大，内部存在热应力和组织应力，在回火炉中按照合适的回火工艺，使钢板获得期望的强度、韧性和良好的组织。在淬火回火过程中，若因冷却不均造成钢板变形，通过矫直工序可以重新获得平直的板形。淬火回火热处理结束后，钢板按合同尺寸进行切割取样，按客户要求进行成品表面标识，钢板外观、尺寸、内部探伤、表面质量、力学性能等检验合格后，入成品库发运至客户处，完成钢板的交付。

图1 钢板淬火回火热处理工艺流程

经过淬火回火热处理的钢板，改变了钢板内部的显微组织，改善了内在质量，一般具有优良的力学性能和使用性能，具有高附加值。在对淬火回火钢板进行尺寸重点检验的过程中，发现已淬火回火热处理的钢板尺寸，相比于来料尺寸，均发生了一定的变化，部分交货公差要求严格的因尺寸超差重新进行了返切。

1 试验设计

在淬火回火钢的研究中，对高强钢和耐磨钢尺寸变化规律的研究较少，对高强钢中高钢级的Q960 和耐磨钢中高钢级的NM500 研究更少。笔者通过现场试验的方法，对不同钢种淬火回火前后的尺寸变化进行了试验和分析，找出了影响尺寸变化的因素。

试验方法：在钢板表面和侧边的固定位置，用油漆记号笔标记好检测点，然后检测该点的厚度以及点与点之间的宽度和长度，如图2 所示。用油漆笔所标记的检测点，在淬火回火过程中经淬火介质的冲刷仍清晰可见，可以确保检测点是一一对应的；同时，检测人员固定为同一个人，检测工具均为固定的经过校验的千分尺和10 米钢卷尺，淬火加热温度和均热时间固定，淬火介质为水，淬火终了温度为室温，淬火压力固定，以保证数据的可对比性。

图2 淬火前后钢板的尺寸测量

2 试验结果

2.1 各工序尺寸变化情况

对钢板抛丸后、淬火后、回火后的厚度、宽度和长度尺寸进行测量，数据见表1。

表1 淬火回火过程中NM500 的尺寸

从表1 可以看出，钢板抛丸前后，厚度、宽度和长度均未发生变化；淬火后，厚度减薄,宽度和长度伸长；回火后，厚度变化不大，宽度、长度略微收缩，基本可以忽略。因此，钢板淬火回火前后的尺寸变化主要集中在淬火过程中，笔者主要对淬火过程的钢板尺寸变化进行了检验和分析。

2.2 Q960 级别钢板淬火回火前后的尺寸变化

在不影响现场大生产的前提下，现场试验选取了24 张不同厚度规格的Q960 级别的高强钢，合同厚度15～60 mm，碳当量CE在0.540 9～0.556 5，数值相差较小，碳当量CE=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5，钢板淬火回火前后的尺寸变化见表2。

对表2 中的数据进行分析，在碳当量CE 相差较小的情况下：

表2 Q960 级别钢板淬火回火前后尺寸变化

（1）厚度为15 ～60 mm 的Q960 级别高强钢，淬火回火后出现了厚度减薄，宽度和长度伸长的情况。

（2）厚度减薄率在0.504% ～0.953%，宽度伸长率在0.373%～0.536%，长度伸长率在0.434%～0.539%。

2.3 NM500 级别钢板淬火回火前后的尺寸变化

选取20 张NM500 级别钢板，合同厚度10～50 mm，碳当量CE=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5 在0.503 4～0.708 8，碳当量CE 随着钢板厚度的增加而增加，钢板淬火回火前后的尺寸变化见表3。

从表3 可以看出，厚度10 ～50 mm 的NM500级别耐磨钢，淬火回火后出现了厚度减薄，宽度和长度伸长的情况；厚度减薄率在0.801%～1.166%之间，宽度伸长率在0.500%～0.753%之间，长度伸长率在0.574%～0.668%之间。

表3 NM500 级别钢板淬火回火前后的尺寸变化

3 试验结果分析

3.1 钢板尺寸变化的原因

钢板在淬火炉内部组织完全奥氏体化后，进入淬火机淬火。在淬火过程的不同阶段受到不同应力的作用。

淬火初始阶段，钢板接触淬火介质开始淬火，受到热应力的作用。热应力是因为截面温度差引起的，冷却速度越快，截面温差越大，热应力也越大。表面温度遇高压水开始降低，心部温度仍为加热的温度，从表面到心部存在温度梯度，心部温度会向表面传递。由于热胀冷缩的作用，钢板表面比心部有更大的体积收缩倾向，受心部阻碍，钢板表面受拉应力，心部处于压应力。棱角和边部冷却较快，热应力也较大[1]。

随后，钢板表层温度降到马氏体开始转变温度Ms 点以下时，受到组织应力作用。钢板表层和心部产生马氏体的不同时性造成组织应力[2]。表层发生奥氏体向马氏体转变，面心立方奥氏体转变为体心立方或体心正方的马氏体，马氏体比容大于奥氏体比容，体积发生膨胀。心部仍为奥氏体，阻碍表面马氏体体积增大，表面产生压应力，心部产生拉应力。马氏体相变为无扩散相变，与奥氏体母相存在共格关系，相变时原子以切变方式进行，两相以宏观弹性形变维持界面的联系性和共格[3]。相比于表层温度低、屈服强度高的马氏体，钢板心部的奥氏体温度高、塑性较好，易于变形。随着心部马氏体逐步增多，根据金属流动和体积不变定律，金属会向约束较小的宽度和长度方向膨胀。

因此，在淬火过程中钢板会发生厚度减薄、宽度和长度伸长的尺寸变化趋势。

3.2 厚度对钢板淬火回火前后尺寸变化的影响

表2 中的“厚度减薄量”和“厚度减薄率”(厚度减薄率=厚度减薄量/厚度)两列数据取绝对值，制作相近碳当量Q960 级别钢板淬火回火前后尺寸变化趋势，如图3 所示。

图3 相近碳当量Q960 级别钢板淬火回火前后尺寸随厚度的变化趋势

从图3 可以看出，厚度减薄量随厚度的变化趋势近似线性，回归方程为减薄量y=0.005×厚度+0.05，R2=0.930。作为分母的厚度，以10 mm 为单位递增，比分子递增的快，因此反而厚度减薄率数值呈下降趋势。另外，宽度伸长率和长度伸长率基本稳定。

从表3 中取8 组数据，再额外增加4 组相近碳当量但厚度为30 mm 的NM500 尺寸变化数据，“厚度减薄量”和“厚度减薄率”两列数据取绝对值，制作钢板淬火回火前后尺寸随厚度的变化趋势，如图4 所示。对相近碳当量的NM500进行分析，也有类似的变化趋势。厚度减薄量回归方程：厚度减薄量y=0.007 7×厚度+0.05，R2=0.961。

图4 相近碳当量NM500 级别钢板淬火回火前后尺寸随厚度的变化趋势

3.3 碳当量对钢板淬火回火前后尺寸变化的影响

试验时，还测量了4 张50 mm、碳当量为0.772 2 的NM500 和4 张50 mm、碳当量为0.514 5 的NM500的尺寸变化情况，与表3 中4 张厚度同为50 mm、碳当量为0.708 8 的NM500 数据一起制作了钢板尺寸随碳当量的变化趋势，如图5 所示。

图5 同厚度NM500 钢板尺寸随碳当量的变化趋势

从图5 可以看出，厚度相同的情况下，随着碳当量的增加，尺寸变化率成上升趋势。厚度减薄量回归方程y=0.486×碳当量+0.15，R2=0.882，宽度伸长率和长度伸长率也呈与厚度变化类似的趋势。

在厚度相同的情况下，随着碳当量的增加，淬火回火前后钢板的厚度减薄率、宽度伸长率、长度伸长率均呈上升趋势。碳当量是将钢铁中合金元素折算成碳元素在钢中的作用，碳当量对尺寸变化的影响也是合金元素对尺寸变化的影响。对于亚共析钢而言，碳当量增加，淬透性会随之提高。淬透性是淬火条件下获得马氏体的能力，淬透性提高，钢板从表层到心部获得的马氏体组织就多，淬火过程中的体积膨胀量就大。

4 应用

钢板淬火回火前后尺寸发生了变化，厚度减薄，宽度和长度伸长。根据这个规律，轧钢时应注意淬火回火钢板的厚度至少应大于厚度公差下限+ 厚度减薄量，轧制厚度低于这个数值，淬火回火后会出现厚度不满足公差的情况，出现不合格产品；反之，满足上述要求，则可以按照得出的厚度减薄结论，在淬火回火后仍能命中交货厚度要求的情况下，反推轧制厚度，适当降低轧制厚度，可提高成材率。根据3.2 和3.3 给出的回归方程，可预判厚度的变化数据。

钢板淬火回火前后宽度和长度伸长，在现有轧钢设计坯料和淬火回火前的切割环节，淬火回火原料可以按照现有切割尺寸减去宽度伸长量和长度伸长量进行定尺，在淬火回火环节宽度和长度会伸长，命中交货宽度和长度，提高金属收得率；如果没有考虑淬火回火环节宽度和长度的伸长，淬火回火结束后，尺寸就会超出交货宽度和长度要求，增加额外的再次切割工序，造成返工，增加了精整切割负担。Q960 级别按合同宽度×（1-0.3%）定尺，合同长度×（1-0.4%）定尺，金属收得率可提高0.7%以上；NM500 级别按合同宽度×（1-0.5%）定尺，合同长度×（1-0.5%）定尺，金属收得率可提高约1%以上。

5 结论

钢板淬火回火前后尺寸发生变化，厚度减薄，宽度和长度伸长。

（1）Q960 级别高强钢，淬火回火后厚度减 薄 率 在0.504%～0.953%之间， 宽度伸长率在0.373%～0.536%之间，长度伸长率在0.434%～0.539%之间；NM500 级别耐磨板， 淬火回火后厚度减薄率在0.801%～1.166% 之间，宽度伸长率 在0.500%～0.753% 之 间， 长 度 伸 长 率 在0.574%～0.668%之间。通过试验分析找出了回归方程，可预判厚度的变化数据。

（2）淬透性强的钢板，碳当量相近时，厚度减薄率随厚度的增加而降低，宽度伸长率、长度伸长率的变化基本稳定。

（3）厚度相同的情况下，随着碳当量的增加，淬火回火后钢板的厚度减薄率、宽度伸长率、长度伸长率均呈上升趋势。