履带式起重机臂架用890 MPa级钢管热处理性能探讨 *

张新文， 刘广华， 轩康乐， 王晓兰， 刘 永

(1.江苏永钢集团有限公司特钢公司， 江苏 苏州 215628； 2.江苏常宝普莱森钢管有限公司， 江苏 常州 213000)

引 言

履带式起重机是工程起重行业的一类重要机械，是现代工程建设施工不可或缺的大型设备之一，而起重机臂架是履带式起重机承载和移送、起吊重物的关键部位，不仅要具有高强度、高塑性和良好的韧性，还必须具有良好的焊接性能，国内衡钢、宝钢公司等企业已经成功研发相关产品，并取得了较好的业绩[1-4]。这类高强度无缝钢管属于低碳高强度钢，通过添加微合金化元素，使材料的力学性能大幅提升[5]。

为满足其苛刻的工作环境，890 MPa级钢管要求在满足强度要求的同时，也要满足其低温冲击韧性(-40 ℃低温冲击功大于45 J)，但根据以往的生产和研发经验，该钢级的低温冲击韧性是一个难以逾越的技术难题。

1 情况介绍

1.1 生产工艺

管坯生产工艺：电弧炉(铁水+废钢)→LF炉精炼→VD炉真空→连铸(Φ600 mm)→轧制(Φ200 mm))→冷却→精整检验→入库。

钢管生产工艺：下料→加热(1250±15 ℃，保温240 min)→穿孔→轧管→加热(890±10 ℃，保温15 min)→定径(Φ139.7 mm×14.2 mm)→冷却(空冷)→精整检验→热处理→探伤→取样检验→入库。

1.2 化学成分

材料的化学成分如表1所示，向钢中添加了V，Nb，Cr，Mo，W等强化元素，以提高钢的综合机械性能[6-7]。

表1 化学成分

1.3 热处理及性能检测

钢管规格为Φ139.7 mm×14.2 mm，正火炉为49个料位，回火炉为86个料位，根据料位拟定的热处理工艺为：930 ℃保温62 min后水淬，655 ℃回火保温215 min后空冷至室温。

在钢管上取Φ10 mm×60 mm的标准拉伸样(试样的平行长度为60 mm)，按照GB/T 228.1-2010标准，在UTM5305电子万能试验机上进行拉伸试验。沿纵向取10 mm×10 mm×55 mm的试样，在摆锤式冲击试验机(型号ZBC2302-C)上进行-40 ℃低温冲击试验。检测结果见表2所示。可以看出，抗拉强度和屈服强度均可以满足要求，但冲击功比较低且不稳定。

表2 机械性能检测

2 原因分析

从钢管上取10 mm×10 mm×15 mm试样，经4%的硝酸酒精腐蚀后，在Axio Imager M2m金相显微镜下观察，检测面为横向。经过检测，回火索氏体中含有大块贝氏体组织，是导致材料冲击性能不稳定的主要原因，如图1所示。贝氏体组织的析出，说明钢在淬火时冷却速度较慢，低于淬火临界冷却速度。

图1 回火索氏体+贝氏体组织

3 改进措施

从冲击功不合格的钢管上取样，在实验室模拟钢管热处理。

3.1 第一轮热处理试验

3.1.1 热处理工艺

该产品的合金含量约4.3%，由于合金含量较高，

淬火后会有较多残余奥氏体存在。残余奥氏体向贝氏体转变的速度快，而向珠光体转变的速度慢。残余奥氏体在高温区内回火时，优先析出先共析铁素体，随后分解为珠光体，需要较长时间。从不合格钢管上取一段钢管试样，选择在655 ℃下回火保温100 min后空冷，热处理工艺如表3所示。

表3 热处理工艺

3.1.2 检测结果

从钢管上取样，避开热影响区，进行拉伸和低温冲击试验，并检测钢的组织，如表4，5和图2所示。

表4 拉伸试验数据

表5 低温冲击试验数据

图2 回火索氏体+贝氏体组织

可以看出，经过655 ℃下的回火，观察组织时仍然发现贝氏体组织，强度和韧性全部符合标准要求，但强度富余量较少，说明经过本次回火，贝氏体中过饱和铁素体中的碳原子及碳化物得到了有效的扩散，提高了钢材的韧性。

3.2 第二轮热处理试验

3.2.1 热处理工艺

为使该产品充分奥氏体化，在原来淬火加热时间的基础上延长20 min，即930 ℃保温82 min，放入水池并快速搅拌，充分淬火；之后，在655 ℃回火保温215 min，使其过冷奥氏体充分转变并促使碳化物溶解，热处理工艺如表6所示。

表6 热处理工艺

3.2.2 检测结果

在钢管上避开热影响区取样，进行拉伸和低温冲击试验，并检测钢的组织，如表7，8和图3所示。

图3 回火索氏体组织

表7 拉伸试验数据

可以看出，钢的组织全部为回火索氏体，低温韧性较强且有较大富裕，而强度略低，说明淬火冷却到位，但回火温度过高所致。

表8 低温冲击试验数据

3.3 第三轮热处理试验

3.3.1 热处理工艺

当温度大于300 ℃时，淬火钢随着回火温度的

升高，屈服强度、抗拉强度、断面收缩率均呈下降趋势[8]。根据第二轮的试验结果，钢的强度偏低，塑韧性较好，这种情况下可适当降低钢的回火温度，再次探索钢管的热处理工艺。

取一段钢管试样，在实验室加热炉进行整体热处理。加热到930 ℃后保温82 min，使其充分奥氏体化，之后再在640 ℃下回火保温215 min，如表9所示。

表9 热处理工艺

3.3.2 检测结果

从钢管上避开热影响区取样，进行拉伸和低温冲击试验，并检测钢的组织，如表10，11和图4所示。

图4 回火索氏体组织

表10 拉伸试验数据

可以看出，钢的组织全部为回火索氏体，强度和韧性均有一定的富裕，满足标准要求。

表11 低温冲击试验数据

3.4 应用与推广

将试验室的热处理工艺进行推广，生产5个批次约450吨钢管，将其加热到930 ℃后保温82 min后水淬，再在640 ℃下回火保温215 min，钢管机械性能及冲击功全部合格且稳定。检测数据如表12所示。

表12 钢管的机械性能数据

4 结束语

(1)回火索氏体中含有大块贝氏体组织，是导致材料冲击性能不稳定的主要原因，说明钢在淬火过程中冷却速度低于临界冷却速度，而回火时又不充分，残余奥氏体中的碳原子没有充分扩散，导致钢的塑韧性较差。

(2)模拟钢管的回火工艺，并适当缩短回火时间，在655 ℃下回火保温100 min，强度和韧性全部符合标准要求，但强度富余量较小。

(3)为使钢奥氏体化更加均匀，延长淬火加热保温时间。经过检测，钢的塑韧性较好，但强度略低。

(4)将回火温度从655 ℃降低至640 ℃，通过淬火+回火处理后，可获得韧性和强度均有富裕的结果，满足标准要求。将该工艺进行推广，获得较好的结果。