轧后余热处理工艺对20mnsi螺纹钢组织及力学性能的影响

轧后余热处理工艺对20mnsi螺纹钢组织及力学性能的影响

1mnsi螺纹钢热钢筋是钢筋混凝土结构的主要增强材料，广泛应用于多种情况下。随着建筑行业的高速发展,尤其是高层、大跨度及抗震建筑结构的出现,对钢筋的强度、韧性及焊接等性能提出了更高的要求。利用低的生产成本生产高质量、高强度级别的钢筋是目前国内外钢铁工业发展的方向之一。20MnSi螺纹钢做为热轧钢筋的典型钢种在建筑行业一直得到广泛的应用,而进一步提高其综合性能也是热轧钢筋的主要发展方向。其方法大致分为两类:一是通过冶金方法在20MnSi钢中添加合金元素(主要添加V、Nb、Ti等),该方法可使钢材的力学性能得到提高,但也在很大程度上提高了生产成本,而且会降低其焊接性能;二是采用控轧控冷的方法进行生产,主要为通过控制钢材在轧制过程中的温度变化以及轧后冷却过程的工艺参数,来得到相应的相变组织,通过组织的优化从而获得优良的性能,该生产方法在钢筋生产中称为轧后余热处理工艺。2提高钢筋焊接性能轧后余热处理技术是将热轧和热处理工艺有机地结合起来,即把钢筋热轧后直接在线淬火,进行表面冷却,然后利用钢材心部余热对钢筋表层进行回火的过程。这种工艺不仅显著提高了钢筋的强度,而且使其塑韧性也得到了明显改善,由于不添加合金元素从而降低了生产成本,同时可简化工序降低能耗,具有相当可观的经济效益,而且提高了钢筋的焊接性能,被认为是生产热轧钢筋的主要方法之一。该工艺过程主要分为三个阶段:第一阶段为表面淬火阶段,钢材离开精轧机后在终轧温度下在线穿水冷却,钢筋表层奥氏体在快速冷却条件下转变为马氏体组织,而内部仍为奥氏体状态;第二阶段为自回火阶段,钢筋在空气中进行自然冷却,此时表层的马氏体在心部热量的作用下发生自回火,形成回火马氏体或回火索氏体;在第三阶段为最终冷却阶段,随温度的进一步降低,心部的过冷奥氏体发生相变,根据钢材的化学成分、直径、精轧温度及冷却条件的不同,过冷奥氏体可以生成铁素体加珠光体组织或铁素体、珠光体加贝氏体组织。本文以20MnSi钢为例,对其轧后余热处理后的组织及性能进行分析与测试,并与传统生产方法相对比,论证轧后余热处理工艺对20MnSi钢组织和性能的影响。3工艺条件对产品的影响3.1使用20MnSi坯料,分别采用传统轧制工艺和轧后余热处理工艺生产,钢筋直径为12mm,表面形状为月牙肋,化学成分见表1。其中轧后余热处理工艺中,加热温度、开轧温度、终轧温度、自回火温度等都会对产品产生影响。根据生产设备条件,制定生产方案为:加热温度1050℃~1100℃,开轧温度1050℃~1100℃,终轧温度1050℃~1080℃,出箱温度250℃~300℃,自回火温度600℃~620℃。3.2从实验钢上截取适当大小的试样,经抛光处理后用4%硝酸酒精溶液侵蚀,利用C-35AOLYMPUS光学显微镜进行金相分析,在JSM-6700F场发射电子扫描显微镜上进行进一步组织观察。在WDW-100微机控制电子式万能试验机上进行力学性能测试。4螺纹钢组织的影响20MnSi钢的平衡组织为铁素体加珠光体,而铁素体和珠光体的形态、分布、晶粒大小以及珠光体的相对含量都会影响到螺纹钢的最终性能。细小、均匀的组织可以使20MnSi钢的强度、塑韧性及焊接性能都有所提高;珠光体含量的增加,可使钢筋的强度得到进一步提高。4.1螺纹钢心部组织4.1.1图1(a)和(b)分别给出了利用传统生产方法及轧后余热处理工艺生产的20MnSi钢筋心部显微组织。可以看出,虽然都为铁素体加珠光体组织,但传统方法生产的20MnSi钢心部组织为较粗大且不均匀的块状铁素体加珠光体组织(因放大倍数低,珠光体的层片结构未能显示出来,故呈黑色块状),其中珠光体有呈网状分布的趋势;而采用轧后余热处理工艺生产的20MnSi螺纹钢心部组织为均匀细小的粒状铁素体加珠光体(从图2的扫描电镜照片中可以看出珠光体的片层间距是较细小的);而且与(a)图相比(b)图中珠光体的含量明显增加。根据组织细化原理,轧后余热处理后的20MnSi钢心部组织不仅能提高钢材的强度,更能改善其塑韧性,从而使钢材的综合性能显著提高。4.1.2图3为余热处理后的20MnSi钢表层组织,其在穿水过程中,在高的冷速下过冷奥氏体转变为马氏体组织,然后心部热量通过热传导重新加热淬火表层,已形成的淬火马氏体进行自回火,形成回火马氏体或回火索氏体组织,这样可以在保证强度的同时,还可具有良好的塑韧性。4.2u3000讨论4.2.1钢材的组织决定其性能,而强度值是表征螺纹钢性能的重要指标。利用拉伸实验来衡量轧后余热处理工艺对20MnSi钢屈服强度的影响。分别对采用传统轧制生产和采用轧后余热处理工艺生产的20MnSi螺纹钢取样检测(抽取25炉的力学性能,100个数据),并分别将100个屈服强度值分为5组,计算每组的平均值和极值,得到20个5组屈服强度平均值的数据和极值数据,做点阵图分析屈服强度的平均值范围和极值范围,分别如图4、5所示。4.2.2可见使用相同20MnSi坯料,采用不同的轧制工艺生产同规格的螺纹钢时,其性能明显不同,采用轧后余热处理工艺生产的螺纹钢的屈服强度明显高于传统轧制生产的。传统轧制工艺生产螺纹钢屈服强度均值为360MPa~370MPa,而采用轧后余热处理工艺生产的螺纹钢屈服强度均值为560~580MPa(比传统工艺生产的螺纹钢屈服强度提高200~210MPa,符合英标BS4449:1997(460B)和BS4449:1988(460)标准的要求)。通过计算表明,与传统轧制生产的20MnSi螺纹钢试样相比,轧后余热处理生产的钢筋其平均屈服强度提高了29%。由上可见,轧后余热处理工艺通过改善20MnSi螺纹钢的组织可明显提高其力学性能。4.2.3从两种生产工艺极值控制图可以看出,性能散差相差不多,多数在20MPa~30MPa范围内,说明轧后余热处理工艺控制稳定,水压、水流量与精轧速度匹配合理。在钢材的化学成分、规格与轧制速度一定的情况下,其力学性能和显微组织主要取决终轧温度、冷却速度(即冷却参数—水量、水压和水温)、冷却时间和自回火温度即返温温度;而自回火温度又决定于以上各工艺参数综合作用的结果,并最后决定轧制余热淬火钢材的力学性能、使用性能和工艺性能。因此,自回火温度是所有各工艺参数中最基本的工艺参数。根据现场测试数据回归,可制定出自回火温度与余热淬火钢材力学性能之间的关系及自回火温度与上述各工艺参数之间的关系的图。利用图形可根据钢中的含碳量和仪表的自回火温度指标,很快地和足够精确地预测出余热淬火钢材的力学性能指标。实际大生产中,可根据所要求的力学性能来确定自回火温度,并通过调节以上主要工艺参数来达到所要求的自回火温度。5mnsi螺纹钢热处理后残余热处理的应用5.1轧后余热处理技术能明显改善钢材的组织特征,从而提高