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℃的環境中。普通碳鋼在低溫工況下冷脆現象十分嚴重，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。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GS-1000型OBLF直讀光譜儀分析，成分在控制范圍內。

　　3.1、熱處理工藝

　　目前，大多數廠家對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(http://bjjyhsfdc.com/)考慮到低碳鋼正火可作為淬火前的預備熱處理，在不產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，經正火得到的索氏體中的滲碳體片在回火時具有轉變為顆粒狀的自然趨勢，經過一段時間的保溫，使得原先的片狀索氏體變為粒狀索氏體，但組織中晶粒內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，經淬火、回火后得到的組織更加細密，晶粒內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，經方案一處理后的屈強比為0.67，經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，可以節約材料，使零件輕量化。

　　經方案三處理后的試樣沖擊值最高達到87J，高于ASTMA352中所規定的最小平均值，試樣的沖擊韌性大大提高。這是因為經過正火預處理后，細化了晶粒組織，經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化。經方案一處理后的試樣，各指標已能滿足ASTMA352的要求。經實際生產檢驗，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)，且晶粒內部的鐵素體間距較大經淬火+回火后，組織中晶粒變小(平均晶粒度評為9級)，晶粒內部鐵素體間距變小。經過正火預處理后，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)，晶粒內部的鐵素體間距更短。

　　(3)LCB鋼經過正火+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造了有利條件。