為了改善LCB鋼的低溫沖擊韌性，采取不同的熱處理工藝對LCB鋼進行試驗。結果表明，試樣經(jīng)過940℃±10℃的正火預處理，然后加熱到910℃±10℃保溫適當時間后淬入水中，最后在650℃±10℃下回火，得到的回火索氏體組織最為細密，在﹣50℃時的沖擊值可達87J，此時鋼的強韌匹配效果最佳。

1、概述

　　目前，石化企業(yè)對低溫鋼的需求日益增加。LCB鋼是一種常見的用于低溫閥門的碳鋼材料，適用于﹣46～345℃的環(huán)境中。普通碳鋼在低溫工況下冷脆現(xiàn)象十分嚴重，使用溫度僅到-50℃。但有些LCB低溫閥門要求在﹣50℃的溫度下，低溫AKV值仍要滿足ASTMA352的要求。對于低溫閥門用鋼，主要以低溫沖擊值作為驗收依據(jù)。為了擴大LCB鋼閥門的適用性，對熱處理工藝進行了試驗研究。

2、化學成分

　　LCB鋼(表1)屬于鐵素體型鋼，其韌性較好。對于LCB鋼中的殘余元素，應加以控制。由于LCB鋼中C含量較低，添加一定量的Cr、Mo、Ni元素利于穩(wěn)定鋼組織中的奧氏體并增加淬火后組織中的殘余奧氏體。微量的Mo既可以細化晶粒，又可以固溶強化鐵素體基體。Ni既能提高鋼的強度，又使塑性和韌性得到提高，有效降低韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度，從而提高了低溫沖擊韌性。Cr和Mo還能有效降低鋼的過熱傾向。

表1 LCB鋼的化學成分Wt%

3、試樣

　　試樣鋼采用250kg的中頻爐進行熔煉，直接澆入基爾試棒鑄型中，然后對澆注出的試樣進行取樣，經(jīng)GS-1000型OBLF直讀光譜儀分析，成分在控制范圍內(nèi)。

　　3.1、熱處理工藝

　　目前，大多數(shù)廠家對LCB鋼的熱處理采用正火+回火或者淬火+回火的方式，但選取的正火溫度與淬火溫度相同，均為910±10℃。在這個溫度下正火處理過的試樣強度勉強合格，但是低溫沖擊韌性往往不符合標準要求，即使達標其平均值也是很低。真空技術網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)考慮到低碳鋼正火可作為淬火前的預備熱處理，在不產(chǎn)生過熱組織的前提下，適當提高正火溫度可以消除應力、細化組織、改善切削加工性能，故本次試驗采用3種不同的方案對LCB鋼進行熱處理。

　　(1)正火+回火。即940℃±10℃保溫適當時間后出爐空冷，隨即加熱到650℃±10℃，保溫適當時間后出爐空冷。

　　(2)淬火+回火。即910℃±10℃保溫適當時間后水淬，然后加熱到650℃±10℃，保溫適當時間后出爐空冷。

　　(3)正火+淬火+回火。即先在940℃±10℃保溫適當時間后出爐空冷，然后在910℃±10℃保溫適當時間后水淬，最后加熱到650℃±10℃，保溫適當時間后出爐空冷。

　　3.2、力學性能試驗

　　試樣經(jīng)3種方案熱處理后，分別按照GB/T228和GB/T229加工成拉伸試樣和帶V形缺口的沖擊試樣。拉伸試驗在WEW-600B型微機屏顯萬能試驗機上進行。沖擊試樣先在CDW-196Y型沖擊試驗低溫儀冷卻到-50℃(過冷度取3℃)，并保溫20min后迅速放在JB-300B型沖擊試驗機上在10s內(nèi)打斷。

　　3.3、金相試樣

　　金相試樣是用做完沖擊試驗后沖斷的試樣磨制成，經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，用金相顯微鏡觀察分析其在100倍和500倍下的微觀組織。

4、分析

　　4.1、顯微組織

　　試驗鋼的微觀組織形貌差別較大(圖1～圖3)，雖然3種不同熱處理后得到的組織都是回火索氏體，但在回火前的組織不盡相同。圖1中，經(jīng)正火得到的索氏體中的滲碳體片在回火時具有轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀的自然趨勢，經(jīng)過一段時間的保溫，使得原先的片狀索氏體變?yōu)榱�狀索氏體，但組織中晶粒內(nèi)部的鐵素體間距較大。圖2和圖3中，淬火得到的馬氏體在回火時經(jīng)歷了回復和再結晶成為等軸狀或多邊形狀，形成了保持馬氏體位向的回火索氏體，不同的是圖3的試樣先進行了正火預處理，經(jīng)淬火、回火后得到的組織更加細密，晶粒內(nèi)部的鐵素體間距更小，這就是正火+淬火+回火處理的沖擊韌性高的重要原因。

(a)回火前(b)回火后

圖1 方案1

(a)回火前(b)回火后

圖2 方案2

(a)回火前(b)回火后

圖3 方案3

　　4.2、力學性能分析

　　從試驗結果(表2)分析，經(jīng)方案二處理后的試樣強度最高。一般低合金結構鋼的屈強比為0.65～0.75，經(jīng)方案一處理后的屈強比為0.67，經(jīng)方案二和方案三處理后的屈強比均為0.76，所以采用方案二和方案三可以提高LCB鋼的屈強比，即提高了材料的抗變形能力。當LCB鋼用于結構件時，可以節(jié)約材料，使零件輕量化。

　　經(jīng)方案三處理后的試樣沖擊值最高達到87J，高于ASTMA352中所規(guī)定的最小平均值，試樣的沖擊韌性大大提高。這是因為經(jīng)過正火預處理后，細化了晶粒組織，經(jīng)淬火得到的馬氏體組織更為致密，最終使得材料的強韌性得到了最佳優(yōu)化。經(jīng)方案一處理后的試樣，各指標已能滿足ASTMA352的要求。經(jīng)實際生產(chǎn)檢驗，鑄件熱處理后的性能良好。

表2 LCB鋼熱處理后的力學性能

5、結語

　　(1)熔煉LCB鋼時采用低碳高錳的原則，并添加適量的Cr、Mo、Ni等化學元素，可以固溶強化鐵素體基體，同時較大幅度的提高材料的韌性，為熱處理進一步提高力學性能打下良好的基礎。

　　(2)LCB鋼經(jīng)過正火+回火后，組織中晶粒較粗大(平均晶粒度評為8級)，且晶粒內(nèi)部的鐵素體間距較大經(jīng)淬火+回火后，組織中晶粒變小(平均晶粒度評為9級)，晶粒內(nèi)部鐵素體間距變小。經(jīng)過正火預處理后，再進行合理的淬火+回火，使得組織中的晶粒更細小(平均晶粒度評為9.5級)，晶粒內(nèi)部的鐵素體間距更短。

　　(3)LCB鋼經(jīng)過正火+淬火+回火后可以獲得強韌性匹配最佳的回火索氏體組織。屈強比達到了低合金結構鋼水平，為擴大閥門的使用范圍創(chuàng)造了有利條件。