發布日期：2023-6-23 17:18:54
鋼鐵是現代社會工業發展的主要耗材。石油、天然氣以及風能等行業使用的鋼材具有最佳的強度和韌性以及較低的生產成本。由于深水環境中嚴苛的高壓和低溫條件，海上工業使用低合金鋼來制造水下應用的鍛造部件。為了滿足全球能源需求，石油和天然氣的勘探和生產不斷地被轉移到環境更加嚴苛的地方，如超深海和北極地區。這導致冶煉行業設計了壁厚較厚的低合金鋼鍛造部件，以滿足水下關鍵部件承受更高的壓力。低合金鋼經常被設備制造商用于制造具有高強度要求的結構部件，這種材料通過鍛造操作和熱處理工藝的結合能充分發揮其機械性能，其強度和韌性之間的平衡通過正火、淬火和回火處理組成的熱處理循環獲得。
1、石油天然氣用大型鍛件的制造工藝
大型鋼鍛件的生產是一個復雜的工藝過程，大致可以分為下圖所示的煉鋼、軋制、熱處理和機械加工等過程。
這種工藝生產出來的鍛件質量依賴于鍛造部件所能達到的機械性能。鍛造過程中需要嚴格的質量控制，實時監測和分析相關的加工參數，以便制造出滿足需求的高質量大型鍛件。然而，盡管在生產加工中實時監測相關參數十分重要，但由于難以在工業設備或直接在組件中安裝測量或記錄設備，因此對處理參數的監測并不總是可行的。
2、熱處理工藝
熱處理是大型鋼鍛件制造順序中的最后一道工序，它決定了部件的最終顯微組織和機械性能。熱處理工藝的設計包括關鍵參數的定義，如加熱速率、溫度、均熱時間和冷卻速率，以獲得所需的微觀結構和機械性能。在過去的幾十年中，這些參數已經得到了廣泛的研究，然而，為了滿足某些特殊行業（例如海上工業）的需求，新的熱處理工藝也在不斷發展，這包括使用超大型熔爐和全新設計的淬火槽。由于與大型鍛件熱處理相關的潛在顯微組織變化，鍛造工業在保證大型鍛件的機械性能方面存在不確定性。
2.1 正火
大型鍛件在開式模鍛和環件軋制操作后的顯微組織主要有三個觀察指標。首先，晶粒流動優先取向取決于鍛件縱軸或橫軸上塑性變形的嚴重程度。這種微觀結構的各向異性導致鍛件的縱向或橫向方向的機械性能不同；其次，由于在熱加工操作之后的冷卻過程中經歷的冷卻速率變化，沿著鍛件的壁厚可能形成不均勻的微觀組織，從而導致內部結構的變化。從這個意義上說，正火處理具有降低熱加工后產生的不均勻性和顯微組織各向異性的能力，因為它能夠使低合金鋼的組織均勻化和細化。正火的工藝流程包括包括將材料加熱到奧氏體相（面心立方結構），將其保持在奧氏體化溫度，直到鍛件尺寸達到完全轉變，最后停止加熱并在空氣中冷卻至室溫。在顯微組織方面，大型鍛件在正火處理后通常會出現鐵素體-珠光體組織。
由于在熱加工操作過程中采用了較高的鍛造溫度（1100℃-1250℃），鍛造過程后零件中產生了粗晶粒組織，然而，這種粗組織實際上是在正火過程后使用900℃-950℃之間的溫度而得到細化的。
2.2 淬火
盡管如前所述，大型鍛件的顯微組織在正火后得到了顯著優化，但仍需進行淬火處理，以促進在最終部件中實現所需性能所必不可少的相變。
淬火可被視為鍛造行業中定制低合金鋼和高合金鋼的組織和性能的關鍵工藝流程。這個復雜的工藝過程可以總結如下：最初將部件加熱到其奧氏體范圍，然后在均熱時間結束后將材料從熔爐中取出，并轉移到淬火槽中。在淬火槽中，將部件浸入淬火介質中，以促進快速冷卻，從而避免形成不希望得到的結構。
如果冷卻速度足夠快，根據淬火過程中產生的非平衡冷卻條件、鍛件的化學成分和截面尺寸，奧氏體結構可能轉變為亞穩態結構，如馬氏體或貝氏體。
2.3 回火
淬火過程后需要對鍛件進行回火處理，因為淬火得到的馬氏體硬度雖大但易碎，因此不適合直接做結構件。回火包括在特定時間內將先前獲得的馬氏體結構加熱至確定的溫度，并在靜止空氣中冷卻。回火時間是根據零件的厚度計算的，通常部件厚度為 25mm/h，而回火溫度的選擇則取決于鍛件所需的機械性能。研究人員通過選定的試樣在 870℃奧氏體化后停留一小時，接著在油中淬火，然后在 200℃-600℃之間回火，研究回火溫度對鎳鉻鉬鋼強度和韌性的影響。研究人員觀察到過高的溫度將導致屈服強度和極限拉伸強度降低。另一方面，隨著回火溫度的升高，韌性下降。
此外，淬火馬氏體在回火過程中轉變為回火馬氏體，回火馬氏體由針狀鐵素體基體組成，碳化物沉淀位于原奧氏體晶粒尺寸邊界或板條亞結構內。值得注意的是，回火處理期間使用的最高溫度必須低于較低的臨界溫度AcI（加熱時奧氏體溫度開始轉變），以避免奧氏體轉變。
回火的初始階段（100-200℃）包括Fe2.4C碳化物的形成，這也稱為 Ɛ-碳化物。在第二階段，先前淬火操作產生的殘余奧氏體在 200℃-350℃之間轉變為鐵素體和滲碳體的混合物。第三階段發生在 250℃-750℃之間。在此溫度范圍內，根據材料的化學成分，形成Fe3C滲碳體或M3C滲碳體碳化物，這將導致馬氏體體心四方性的終止，并逐漸降低其應力水平，馬氏體組織在回火過程中形成的碳化析出物的分布和取向決定了該材料的力學性能。
2.4 熱處理的發展
在過去的十到十五年中，熱處理技術取得了許多進步。引進新合金，如雙相不銹鋼、微合金鋼、HSLA鋼、低鈷馬氏體時效鋼、等溫淬火球墨鑄鐵、定向凝固和單晶高溫合金、鋁鋰合金、各種金屬基復合材料等。行業內呼吁基于結構-性能相關性進行新的研究。
熱處理工藝也發生了變化，包括連續退火、感應加熱和使用激光或電子束的表面硬化操作的改進，等離子輔助表面硬化工藝商業化可行性的確立，以及熱機械加工的進步。然而，最引人注目的進展發生在新開發的用于改進過程表征和過程控制的工具領域。這些發展中值得注意的是改進了控制爐溫、爐內氣氛和表面碳含量的儀器、統計過程控制（SPC）的實際應用、計算機建模在硬度曲線預測中的應用，表面硬化性能回火的定量建模，以及材料及其熱處理過程的計算機輔助面向對象選擇。筆者認為信息化，特別是計算機技術的引入將是未來大型鍛件熱處理工藝的一大發展趨勢。近年來，計算機也確實在熱處理過程中產生了實質性的應用。具體而言，計算機技術可以應用到以下過程中：
（1）數據庫的存儲和檢索
（2）轉化過程的建模
（3）微觀結構和性能的預測
（4）過程分析和優化
（5）實時工藝監控
通過開發基于計算機的材料成分、材料性能、加工變量對材料性能的影響、各種合金的 CCT 和 TTT 信息存儲和檢索系統，熱處理技術專家將更容易評估材料選擇對熱處理及其最終性能的影響。與此同時，人們也可以更容易地對可用的材料和加工備選方案進行評估。利用計算機，可以對熱處理過程進行足夠精確的建模，以便分析處理變量的影響。因此，為了研究CLR 處理變量的影響，可能不需要進行昂貴且冗長的實驗，而是可以進行基于計算機的過程直接進行優化。
計算機還可以用于熱處理過程的在線監測和控制。這在很大程度上取決于固態傳感器的發展。計算機是求解傳熱和形變行為問題的重要工具，這與熱處理過程中遇到的問題直接相關，加入計算機技術后，工程人員便可以對這些情況進行詳細分析和研究，以開發熱處理工藝和預測熱處理性能。
3、結論
本篇研究分析了低合金鋼的加工路線、組織和性能之間的關系。特別是如何通過改變相關的冶金參數，如化學成分（煉鋼）、變形程度（鍛造）或冷卻速度（淬火），來改變低合金鋼的組織和性能。此外，本文還簡要介紹了大型鍛件的熱處理工藝發展以及可能的發展趨勢。在描述這些進展時，筆者并非詳盡無遺，感興趣的讀者可以閱讀文中引用的參考文獻。熱處理的未來前景在于已提出的一些新工藝的進一步發展。大規模的業務整合，如從鑄鋼到熱處理產品的連續加工，可能會受到更多的關注。計算機在熱處理中的應用將越來越多，將成長為未來的主流發展趨勢。
參考文獻
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