軋后余熱處理工藝對(duì)20mnsi螺紋鋼組織及力學(xué)性能的影響

軋后余熱處理工藝對(duì)20mnsi螺紋鋼組織及力學(xué)性能的影響

1mnsi螺紋鋼熱鋼筋是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要增強(qiáng)材料，廣泛應(yīng)用于多種情況下。隨著建筑行業(yè)的高速發(fā)展,尤其是高層、大跨度及抗震建筑結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),對(duì)鋼筋的強(qiáng)度、韌性及焊接等性能提出了更高的要求。利用低的生產(chǎn)成本生產(chǎn)高質(zhì)量、高強(qiáng)度級(jí)別的鋼筋是目前國(guó)內(nèi)外鋼鐵工業(yè)發(fā)展的方向之一。20MnSi螺紋鋼做為熱軋鋼筋的典型鋼種在建筑行業(yè)一直得到廣泛的應(yīng)用,而進(jìn)一步提高其綜合性能也是熱軋鋼筋的主要發(fā)展方向。其方法大致分為兩類(lèi):一是通過(guò)冶金方法在20MnSi鋼中添加合金元素(主要添加V、Nb、Ti等),該方法可使鋼材的力學(xué)性能得到提高,但也在很大程度上提高了生產(chǎn)成本,而且會(huì)降低其焊接性能;二是采用控軋控冷的方法進(jìn)行生產(chǎn),主要為通過(guò)控制鋼材在軋制過(guò)程中的溫度變化以及軋后冷卻過(guò)程的工藝參數(shù),來(lái)得到相應(yīng)的相變組織,通過(guò)組織的優(yōu)化從而獲得優(yōu)良的性能,該生產(chǎn)方法在鋼筋生產(chǎn)中稱(chēng)為軋后余熱處理工藝。2提高鋼筋焊接性能軋后余熱處理技術(shù)是將熱軋和熱處理工藝有機(jī)地結(jié)合起來(lái),即把鋼筋熱軋后直接在線(xiàn)淬火,進(jìn)行表面冷卻,然后利用鋼材心部余熱對(duì)鋼筋表層進(jìn)行回火的過(guò)程。這種工藝不僅顯著提高了鋼筋的強(qiáng)度,而且使其塑韌性也得到了明顯改善,由于不添加合金元素從而降低了生產(chǎn)成本,同時(shí)可簡(jiǎn)化工序降低能耗,具有相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益,而且提高了鋼筋的焊接性能,被認(rèn)為是生產(chǎn)熱軋鋼筋的主要方法之一。該工藝過(guò)程主要分為三個(gè)階段:第一階段為表面淬火階段,鋼材離開(kāi)精軋機(jī)后在終軋溫度下在線(xiàn)穿水冷卻,鋼筋表層奧氏體在快速冷卻條件下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織,而內(nèi)部仍為奧氏體狀態(tài);第二階段為自回火階段,鋼筋在空氣中進(jìn)行自然冷卻,此時(shí)表層的馬氏體在心部熱量的作用下發(fā)生自回火,形成回火馬氏體或回火索氏體;在第三階段為最終冷卻階段,隨溫度的進(jìn)一步降低,心部的過(guò)冷奧氏體發(fā)生相變,根據(jù)鋼材的化學(xué)成分、直徑、精軋溫度及冷卻條件的不同,過(guò)冷奧氏體可以生成鐵素體加珠光體組織或鐵素體、珠光體加貝氏體組織。本文以20MnSi鋼為例,對(duì)其軋后余熱處理后的組織及性能進(jìn)行分析與測(cè)試,并與傳統(tǒng)生產(chǎn)方法相對(duì)比,論證軋后余熱處理工藝對(duì)20MnSi鋼組織和性能的影響。3工藝條件對(duì)產(chǎn)品的影響3.1使用20MnSi坯料,分別采用傳統(tǒng)軋制工藝和軋后余熱處理工藝生產(chǎn),鋼筋直徑為12mm,表面形狀為月牙肋,化學(xué)成分見(jiàn)表1。其中軋后余熱處理工藝中,加熱溫度、開(kāi)軋溫度、終軋溫度、自回火溫度等都會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生影響。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備條件,制定生產(chǎn)方案為:加熱溫度1050℃~1100℃,開(kāi)軋溫度1050℃~1100℃,終軋溫度1050℃~1080℃,出箱溫度250℃~300℃,自回火溫度600℃~620℃。3.2從實(shí)驗(yàn)鋼上截取適當(dāng)大小的試樣,經(jīng)拋光處理后用4%硝酸酒精溶液侵蝕,利用C-35AOLYMPUS光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相分析,在JSM-6700F場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡上進(jìn)行進(jìn)一步組織觀察。在WDW-100微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。4螺紋鋼組織的影響20MnSi鋼的平衡組織為鐵素體加珠光體,而鐵素體和珠光體的形態(tài)、分布、晶粒大小以及珠光體的相對(duì)含量都會(huì)影響到螺紋鋼的最終性能。細(xì)小、均勻的組織可以使20MnSi鋼的強(qiáng)度、塑韌性及焊接性能都有所提高;珠光體含量的增加,可使鋼筋的強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高。4.1螺紋鋼心部組織4.1.1圖1(a)和(b)分別給出了利用傳統(tǒng)生產(chǎn)方法及軋后余熱處理工藝生產(chǎn)的20MnSi鋼筋心部顯微組織?？梢钥闯?雖然都為鐵素體加珠光體組織,但傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的20MnSi鋼心部組織為較粗大且不均勻的塊狀鐵素體加珠光體組織(因放大倍數(shù)低,珠光體的層片結(jié)構(gòu)未能顯示出來(lái),故呈黑色塊狀),其中珠光體有呈網(wǎng)狀分布的趨勢(shì);而采用軋后余熱處理工藝生產(chǎn)的20MnSi螺紋鋼心部組織為均勻細(xì)小的粒狀鐵素體加珠光體(從圖2的掃描電鏡照片中可以看出珠光體的片層間距是較細(xì)小的);而且與(a)圖相比(b)圖中珠光體的含量明顯增加。根據(jù)組織細(xì)化原理,軋后余熱處理后的20MnSi鋼心部組織不僅能提高鋼材的強(qiáng)度,更能改善其塑韌性,從而使鋼材的綜合性能顯著提高。4.1.2圖3為余熱處理后的20MnSi鋼表層組織,其在穿水過(guò)程中,在高的冷速下過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織,然后心部熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)重新加熱淬火表層,已形成的淬火馬氏體進(jìn)行自回火,形成回火馬氏體或回火索氏體組織,這樣可以在保證強(qiáng)度的同時(shí),還可具有良好的塑韌性。4.2u3000討論4.2.1鋼材的組織決定其性能,而強(qiáng)度值是表征螺紋鋼性能的重要指標(biāo)。利用拉伸實(shí)驗(yàn)來(lái)衡量軋后余熱處理工藝對(duì)20MnSi鋼屈服強(qiáng)度的影響。分別對(duì)采用傳統(tǒng)軋制生產(chǎn)和采用軋后余熱處理工藝生產(chǎn)的20MnSi螺紋鋼取樣檢測(cè)(抽取25爐的力學(xué)性能,100個(gè)數(shù)據(jù)),并分別將100個(gè)屈服強(qiáng)度值分為5組,計(jì)算每組的平均值和極值,得到20個(gè)5組屈服強(qiáng)度平均值的數(shù)據(jù)和極值數(shù)據(jù),做點(diǎn)陣圖分析屈服強(qiáng)度的平均值范圍和極值范圍,分別如圖4、5所示。4.2.2可見(jiàn)使用相同20MnSi坯料,采用不同的軋制工藝生產(chǎn)同規(guī)格的螺紋鋼時(shí),其性能明顯不同,采用軋后余熱處理工藝生產(chǎn)的螺紋鋼的屈服強(qiáng)度明顯高于傳統(tǒng)軋制生產(chǎn)的。傳統(tǒng)軋制工藝生產(chǎn)螺紋鋼屈服強(qiáng)度均值為360MPa~370MPa,而采用軋后余熱處理工藝生產(chǎn)的螺紋鋼屈服強(qiáng)度均值為560~580MPa(比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的螺紋鋼屈服強(qiáng)度提高200~210MPa,符合英標(biāo)BS4449:1997(460B)和BS4449:1988(460)標(biāo)準(zhǔn)的要求)。通過(guò)計(jì)算表明,與傳統(tǒng)軋制生產(chǎn)的20MnSi螺紋鋼試樣相比,軋后余熱處理生產(chǎn)的鋼筋其平均屈服強(qiáng)度提高了29%。由上可見(jiàn),軋后余熱處理工藝通過(guò)改善20MnSi螺紋鋼的組織可明顯提高其力學(xué)性能。4.2.3從兩種生產(chǎn)工藝極值控制圖可以看出,性能散差相差不多,多數(shù)在20MPa~30MPa范圍內(nèi),說(shuō)明軋后余熱處理工藝控制穩(wěn)定,水壓、水流量與精軋速度匹配合理。在鋼材的化學(xué)成分、規(guī)格與軋制速度一定的情況下,其力學(xué)性能和顯微組織主要取決終軋溫度、冷卻速度(即冷卻參數(shù)—水量、水壓和水溫)、冷卻時(shí)間和自回火溫度即返溫溫度;而自回火溫度又決定于以上各工藝參數(shù)綜合作用的結(jié)果,并最后決定軋制余熱淬火鋼材的力學(xué)性能、使用性能和工藝性能。因此,自回火溫度是所有各工藝參數(shù)中最基本的工藝參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)回歸,可制定出自回火溫度與余熱淬火鋼材力學(xué)性能之間的關(guān)系及自回火溫度與上述各工藝參數(shù)之間的關(guān)系的圖。利用圖形可根據(jù)鋼中的含碳量和儀表的自回火溫度指標(biāo),很快地和足夠精確地預(yù)測(cè)出余熱淬火鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)。實(shí)際大生產(chǎn)中,可根據(jù)所要求的力學(xué)性能來(lái)確定自回火溫度,并通過(guò)調(diào)節(jié)以上主要工藝參數(shù)來(lái)達(dá)到所要求的自回火溫度。5mnsi螺紋鋼熱處理后殘余熱處理的應(yīng)用5.1軋后余熱處理技術(shù)能明顯改善鋼材的組織特征,從而提高