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:一是通過冶金方法在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),主要為通過控制鋼材在軋制過程中的溫度變化以及軋后冷卻過程的工藝參數(shù),來(lái)得到相應(yīng)的相變組織,通過組織的優(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,鋼材離開精軋機(jī)后在終軋溫度下在線穿水冷卻,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)成分見表1。其中軋后余熱處理工藝中,加熱溫度、開軋溫度、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。可以看出,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,其在穿水過程中,在高的冷速下過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織,然后心部熱量通過熱傳導(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,軋后余熱處理工藝通過改善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