22simn2ib特种钢板热处理工艺研究

22simn2ib特种钢板热处理工艺研究

22sim-b2钢（又称3160）是一种具有广泛耐热和高强度材料的特殊材料。它具有崇高的高温综合力学性。用于制造高温结构和防护装置，主要用于能源、船舶和军事行业。我公司某产品使用22SiMn2TiB特种钢板,设计要求硬度为420HBW,综合力学性能:屈服强度为1200MPa,抗拉强度为1500MPa,伸长率为7%,冲击吸收能量为20J。由于钢板尺寸大(长3～4.2m,宽1.5m),难以保证钢板的性能及其均匀性,同时还难以保证钢板热处理后的平面度,防止淬火变形。为此,进行了22SiMn2TiB特种钢板热处理工艺研究。1.晶粒度检验和分析(1)22SiMn2TiB的化学成分为:wC=0.19%～0.25%,wSi=0.70%～1.00%,wMn=1.50%～1.85%,wP≤0.025%,wS≤0.020%,wB=0.0005%～0.0035%,wTi=0.01%～0.06%。(2)查看22SiMn2TiB的过冷奥氏体等温转变图可知,钢的组织若淬成马氏体必须达到一定的冷却速度。钢的相变点如表1所示。(3)钢的晶粒度。由于钢中有硼的加入,易使钢产生晶粒粗大现象。通过不同含硼量的22SiMn2TiB试样快速加热(到温装炉)的方式进行了不同温度、不同保温时间的奥氏体化处理(水冷),按GB6394—1986标准评定实际奥氏体晶粒度级别,检验结果如图1、图2所示。此钢种为本质细晶粒钢,奥氏体晶粒均在高于1000℃以上才明显长大。在试验规定时间、成分范围内,晶粒大小与保温时间无关。但在慢速加热时,会出现晶粒粗大,并伴有混晶现象,晶粒度达7～7.5级(见表2)。因此在编制热处理工艺时,应严格控制热处理时的升温速度,尽量快速升温,避免粗晶和混晶出现,以确保钢的淬透性、淬硬性及良好的综合力学性能。研究中,对钢的淬透性做了对比试验(见图3)。经过试验可知,当钢的成分合格时,各炉钢的淬透性基本相同,其半马氏体层(以硬度340HBW计)为24～39mm,全马氏体层(以硬度420HBW计)≥22mm。但由图3也可知,化学成分不合格时,对淬透性影响极大,因此应严格控制钢的化学成分。(4)22SiMn2TiB钢板的第一类回火脆性发生在270～400℃之间,第二类回火脆性发生在500～600℃之间。即工件在回火时应避开回火脆性区,以保证工件具有良好的综合力学性能。(5)制订工艺方案。钢板应快速加热,避免因加热速度慢而影响钢板的晶粒度,导致钢板的综合力学性能降低。即采用到温装炉,快速升到淬火温度。加热温度不能超过1000℃,确定淬火加热温度为920℃。综合考虑钢的性能、回火脆性区等,将回火温度定为180℃。考虑到合金元素含量及碳含量,计算出22SiMn2TiB钢板的碳当量如下:即CE<0.75%,且22SiMn2TiB钢板的正偏析区的wC<0.31%,工件可以采用水淬火方式进行冷却。因此,为最大程度地保障钢板淬透性,以及满足较高的综合力学性能要求,决定采用水淬火,将水温控制在15～30℃之间。根据钢材的淬透性,选用22SiMn2TiB钢板板厚规格分别为10mm、15mm、20mm三种,化学成分合格时,采用水冷快速冷却后,钢板应能保证淬火后转变为全马氏体,硬度达420HBW以上。工艺制订为:淬火温度是920℃,回火温度是180℃,淬火介质为水,淬火加热保温时间根据钢板厚度按3min/mm确定,回火后的硬度检测用布氏硬度压痕直径dB10=2.8～3.0mm,相当于420～480HBW。2.钢板冷却设计(1)淬火辊底炉生产线保证性能及均匀性引进了北京机电研究所设计的22SiMn2TiB钢板淬火辊底炉生产线,由淬火加热炉、淬火压床、高压水仓设施等三部分组成。其中淬火加热炉使钢板在炉内可以自动往复加热,减少在加热过程中的变形,同时采用先进的控温系统,保证炉温的均匀性。不断使钢板均匀加热。淬火压床上下两个压头能同时压紧钢板以防变形,同时在上下压头上设置喷水孔,采用上下面同时淬火水冷却的方式进行淬火,保证了淬火时钢板冷却的均匀性,同时又可减少因两侧冷却不均匀产生较大变形的现象。高压水仓设施是将储水箱设置在离地面20m的高空,水以很大压力高速喷出,保证了冷却的快速进行。(2)自制回火夹具防变形钢板回火采用自制回火槽钢架,并在钢板上放置2t重方铁静压,以减小回火时产生的变形。(3)三辊矫直机保证校正平面度由于22SiMn2TiB钢板淬火后硬度极高,为此引进了一重集团设计制造的三辊矫直机,可以实现钢板淬火后校正平面度达到公差范围。(4)生产路线安排下料→淬火→回火→校正→单件下料→校正。3.mm方面(1)下料根据板厚的三种规格、炉号各投一张钢板进行工艺试验,尺寸为1500mm×4200mm。(2)热处理淬火、回火工艺按上述参数执行。(3)检验热处理后,在钢板上进行硬度检测,检测部位如图