低溫閥門用LCB和LCC鋼熱處理方法淺析

1 概述

LCB和LCC是低溫閥門較常使用的鐵素體類低溫鋼，按ASTM A352/A352M的規范要求，它們適用于-46~0℃的環境中，因此對其低溫性能有著較高的要求。因為通常C-Mn類鋼在低溫工況中機械性能都會明顯的下降， 因而要使LCB和LCC達到ASTM標準的要求，其熱處理方法有著一定的特殊性和難度。

2 分析

從化學成分上比較，LCB和LCC與WCB和WCC都屬于低碳C-Mn鋼系列（表1），但ASTM標準對4種鋼的機械性能要求卻不同（表2），主要表現在低溫沖擊韌性這一指標上。WCB和WCC對此不作要求，而LCB和LCC則要求在-46℃分別達到18J和20J。經過分析和試驗證明，雖然LCB、LCC、WCB和WCC鋼的化學成分相同或相近，但表現出不同機械性能，這是LCB和LCC中微量合金的Mn、Ni和Cr元素的作用。

表1 LCB、LCC、WCB和WCC化學成分 %

表2 LCB、LCC、WCB和WCC機械性能

在碳鋼中加入Mn、Ni和Cr元素將對鋼的組織、晶粒結構和熱處理的溫度曲線產生較大的影響。Mn元素可增加鋼組織中奧氏體的穩定性，降低熱處理的冷卻速度，提高淬透性，降低鋼在淬火后的變形和增加鋼的強度。Ni不易與碳形成碳化物，用于低合金鋼時，能增進低溫韌性及硬化能，可減少熱處理變化的敏感性及減少淬火的扭曲及龜裂，并能強化鋼組織中的鐵素體相，增加淬火后組織中的殘余奧氏體。Cr元素同樣有穩定鋼組織中奧氏體和增加淬火后組織中的殘余奧氏體的作用。

奧氏體是鋼組織中比容zui小的相組織，其沖擊韌性、耐磨性和塑性都*。但是奧氏體通常存在于高溫區（鍛造就是利用奧氏體這一性質，把鋼材加熱到一定高溫區再施鍛），常溫下奧氏體保存下來較少，只有在Mn、Ni和Cr等元素的作用下，才能使鋼組織在常溫中存在部分殘余奧氏體。奧氏體的存在將大大改善鋼的沖擊韌性、耐磨性和塑性。LCB和LCC正是利用它們所含有的微量合金Mn、Ni和Cr元素的作用，使熱處理后的鋼組織中增加奧氏體的含量來改善其低溫沖擊韌性。但是殘余奧氏體也有一個缺點，在常溫下放置一定的時間后，一些殘余奧氏體會逐漸轉變成馬氏體，引起晶間變形，這對于LCB和LCC這類含碳量較低的鋼，殘余奧氏體的轉變變形影響則較小。

LCB、LCC中Mn、Ni和Cr元素的存在降低了鋼的淬火溫度，所以應適當調低淬火溫度，否則會在淬火保溫過程中使鋼組織晶粒長大，致使淬火后組織晶粒粗大，不均勻，造成機械性能下降，不利于低溫沖擊韌性的提高。由于淬火溫度的選擇適當調低，故保溫時間要延長，以保證在晶粒不長大的情況下，合金元素充分彌散，使淬火后晶粒均勻細小，為LCB和LCC鋼的機械性能，尤其沖擊韌性的提高打下良好的基礎。

淬火后，為了消除淬火產生的內應力，并得到所需要的組織和機械性能，需要對LCB和LCC淬火后進行高溫回火。但是由于Mn和Cr元素都是強促碳化物生成元素，在500~550℃回火時，碳化物會沿晶界析出，使鋼的沖擊韌性大幅下降，因此在選擇回火溫度時，要遠離這一溫度區域，并回火后冷卻時采取快冷方式，迅速通過500~550℃這一溫度區域，但在低于這一溫度區間后，應采取適當的緩冷方式，以降低由于快冷而再次產生的組織內應力，從而提高鋼的機械性能。

3 熱處理工藝

通過理論分析，確定了LCB和LCC鋼的熱處理工藝路線，并對其中的淬火、回火溫度和冷卻速度進行了大量的試驗和修正（圖1）。按這套工藝，化學成分略有不同的，不同爐號及批次的LCB和LCC鋼坯零件，熱處理后的低溫沖擊韌性值都能滿足ASTM標準的要求，有時α_k值可達到40J以上。

4 結論

通過對LCB和LCC鋼化學成分的分析，確定了合適的熱處理方法，解決了LCB和LCC鋼的低溫沖擊韌性不穩定的問題，保證了低溫閥的質量，適應了近幾年石油化工企業快速發展和市場對低溫閥的大量需求。

參考文獻

[1] 楊源泉.閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1992.
[2] 崔忠圻.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社，1989.
[3] ASTM A352/A352M，低溫受壓零件用鐵素體和馬氏體鋼鑄件規格[S].