專利名稱：一種含Si中碳鋼及其獲得高強(qiáng)高塑性的熱處理方法
一種含Si中碳鋼及其獲得高強(qiáng)高塑性的熱處理方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于中碳鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種含幻中碳鋼及其獲得高強(qiáng)高塑性 的熱處理方法，針對(duì)材料獲得下貝氏體+穩(wěn)定奧氏體組織和高強(qiáng)高塑性的熱處理工藝。
背景技術(shù)：
中碳鋼的熱處理一直是工程和生產(chǎn)上重點(diǎn)的研究，傳統(tǒng)的熱處理工藝主要是淬 火+回火工藝，最典型就是用于冷鐓緊固件淬火回火和磨具、刃具的鹽浴處理。這種 熱處理按照工藝要求和使用環(huán)境得到回火馬氏體、回火屈氏體和回火索氏體，按照用戶 的要求，調(diào)整淬火和回火的工藝參數(shù)可以使組織具備高強(qiáng)度、高塑性、較好的沖擊韌性 和松弛性等優(yōu)良性能。這其中涉及的是金屬材料的強(qiáng)化方式，一般說(shuō)來(lái)，主要有固溶強(qiáng) 化、細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等，所以，熱處理強(qiáng)化方式屬于固溶強(qiáng) 化和析出強(qiáng)化，但是一直以來(lái)存在熱處理工序復(fù)雜，能耗大，成本高，強(qiáng)化能力有限等 缺點(diǎn)。通過(guò)鹽浴冷卻外加保溫處理獲得下貝氏體+穩(wěn)定的奧氏體組織，發(fā)揮了貝氏體單 元的細(xì)晶強(qiáng)化、貝氏體鐵素體過(guò)飽和碳的固溶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化，同時(shí)也利用了穩(wěn)定后奧 氏體的組織強(qiáng)化，可以部分替代淬回火工藝，使材料具備更好的強(qiáng)度和韌性。
另外，鹽浴保溫時(shí)間一直是影響工程和生產(chǎn)的主要問(wèn)題，專利“一種工業(yè)用 9SiCr短時(shí)下貝氏體的等溫?zé)崽幚砉に嚒币仓v述了一種通過(guò)鹽浴獲得良好綜合力學(xué)性能指 標(biāo)的熱處理工藝方法，但是鹽浴等溫時(shí)間最短需要5分鐘，鹽浴時(shí)間太長(zhǎng)，專利“含鉬 貝氏體低合金鋼及熱處理工藝”也介紹了一種獲得貝氏體的鹽浴工藝，但是材料本身除 了加入大量昂貴的Mo合金元素外，組織的轉(zhuǎn)變過(guò)程也是在鹽浴槽中完成，處理時(shí)間很 長(zhǎng)，很大程度上限制了這些工藝在工業(yè)上的應(yīng)用前景。
眾所周知合金元素&和C是比較廉價(jià)的，冶煉過(guò)程成分也比較好控制，制造成 本相對(duì)較低，同時(shí)如果能夠利用這種材料實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)高塑性的力學(xué)性能來(lái)部分替代傳統(tǒng)熱 處理的工藝，無(wú)疑具有很好的發(fā)展前景，關(guān)鍵是這種合金材料鹽浴過(guò)程和等溫過(guò)程的作 用進(jìn)行入分析，明確各個(gè)工藝階段對(duì)材料組織轉(zhuǎn)變過(guò)程的影響。下貝氏體的形核過(guò)程前 的孕育階段和形核初期保證相對(duì)比較穩(wěn)定的工藝參數(shù)，使其在鹽浴爐內(nèi)完成，滿足下貝 氏體組織熱力學(xué)條件后，其貝氏體相變過(guò)程在相對(duì)較寬的工藝窗口下完成(考慮到工業(yè) 空氣爐溫控制精度)，即在空氣保溫爐內(nèi)完成，在這一過(guò)程中，既實(shí)現(xiàn)組織轉(zhuǎn)變，同時(shí)剩 余的殘余奧氏體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化過(guò)程，而且相對(duì)傳統(tǒng)工藝穩(wěn)定化溫度更低。傳統(tǒng)的穩(wěn)定化過(guò) 程總是在材料冷卻至室溫后，再加熱到穩(wěn)定化工藝溫度，長(zhǎng)時(shí)間保溫，而本發(fā)明將這一 過(guò)程簡(jiǎn)化，達(dá)到材料對(duì)耐熱性能、松弛性能要求的同時(shí)，工藝更簡(jiǎn)單。
本發(fā)明在深入分析一種含幻中碳鋼貝氏體相變熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn) 鹽浴過(guò)程快速冷卻和保溫功能的分離，在最大限度的考慮實(shí)際大生產(chǎn)條件的前提下，實(shí) 現(xiàn)金屬材料高強(qiáng)高塑性。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼的貝氏體相變和等溫淬火研究很多，但是沒(méi)有 關(guān)于中碳含Si鋼獲得下貝氏體+穩(wěn)定奧氏體的熱處理工藝報(bào)道。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種含幻中碳鋼及其獲得高強(qiáng)高塑性的熱處理方法， 使得材料獲得下貝氏體和穩(wěn)定的奧氏體，提高材料強(qiáng)度的同時(shí)，使材料更具備較好的塑 性，減少了傳統(tǒng)熱處理高能耗，優(yōu)化了貝氏體鹽浴淬火工藝。
本發(fā)明所述的含Si中碳鋼化學(xué)組成為C 0.5 0.7wt%，Si: 1.2~1.8wt%, Mn: 0.4 ~ 0.8wt%, Cr: 0.2 ~ 0.4wt%, P<0.013wt%, S<0.005wt%,余量為 Fe。
熱處理工藝為第一步是奧氏體化處理，對(duì)材料在空氣氣氛下進(jìn)行常規(guī)的電阻 爐加熱至850-900°C，保溫10-20分鐘；第二步是奧氏體的快速冷卻處理，將材料快速放 入250-350°C的鹽液中保溫40-60秒鐘；第三步等溫淬火后的保溫，在常規(guī)的電阻爐中進(jìn) 行250-350°C保溫，保溫時(shí)間為5-20分鐘，獲得下貝氏體和穩(wěn)定化奧氏體，最后水冷至 室溫。以上三步都在空氣環(huán)境中進(jìn)行。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，第一步和第三步是在電阻加熱爐內(nèi)完成，第二步在鹽浴爐 內(nèi)完成。既實(shí)現(xiàn)材料獲得高強(qiáng)高塑性的下貝氏體+穩(wěn)定化奧氏體組織，得到較好的強(qiáng) 韌性，替代用戶復(fù)雜的熱處理，同時(shí)用電阻爐保溫部分代替等溫淬火在鹽浴爐內(nèi)等溫時(shí) 間，降低了鹽浴爐的生產(chǎn)壓力，優(yōu)化了鹽浴淬火工藝，工藝穩(wěn)定，環(huán)保節(jié)能。
通過(guò)在850-900°C奧氏體化后的鹽浴快速冷卻和保溫爐內(nèi)的貝氏體轉(zhuǎn)變得到下貝 氏體和穩(wěn)定化奧氏體組織(如圖1、2所示)，提高了材料的強(qiáng)度和塑性，減少了能源消 耗，優(yōu)化了貝氏體淬火工藝；使強(qiáng)度達(dá)到1500Mpa以上，面縮率達(dá)到40%以上。


圖1為本發(fā)明獲得的下貝氏體和穩(wěn)定化奧氏體的掃描電鏡組織照片(300°C)?？?以發(fā)現(xiàn)兩種組織主要貝氏體和殘余奧氏體，處理的工藝不同，組織形態(tài)也發(fā)生明顯的變 化，鹽浴溫度越低，貝氏體單元的尺寸越小。
圖2為本發(fā)明獲得的下貝氏體和穩(wěn)定化奧氏體的掃描電鏡組織照片)。
圖3為一種含幻中碳鋼獲得高強(qiáng)高塑性的熱處理工藝圖。其中，
TA奧氏體化溫度，850_900°C ；
TB:鹽浴淬火溫度，250_350°C ；
Tc:保溫溫度，250-3500C ；
t0 奧氏體處理時(shí)間，20分鐘；
ti 鹽浴淬火時(shí)間40-60秒；
保溫時(shí)間，10-20分鐘。
以下將結(jié)合本發(fā)明的實(shí)例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)敘述。
圖4為材料的拉拔應(yīng)力應(yīng)變曲線(300°C )。
圖5為材料的拉拔應(yīng)力應(yīng)變曲線)。
圖6為材料的拉拔斷口形貌，分為纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇，為典型塑性失效 斷口形貌。
圖7為奧氏體穩(wěn)定后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(300°C )，黑色條狀?yuàn)W氏體帶中位錯(cuò)被穩(wěn)定化。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的熱處理工藝過(guò)程為材料奧氏體化，然后鹽浴冷卻，冷至下貝氏體相 變區(qū)間，在進(jìn)入空氣保溫爐進(jìn)行等溫相變，在首鋼鹽浴實(shí)驗(yàn)室獲得下貝氏體+穩(wěn)定化奧 氏體組織和良好的綜合力學(xué)性能。其化學(xué)成分如下表所示
表1材料化學(xué)成分，余量Fe。
權(quán)利要求
1.一種一種含Si中碳鋼，其特征在于，化學(xué)組成為C: 0.5~0.7wt%, Si: 1.2 1.8wt%, Mn 0.4 0.8wt%，Cr 0.2 0.4wt%，P<0.013wt%, S《0.005wt%，余量 為Fe。
2.—種權(quán)利要求1所述含Si中碳鋼獲得高強(qiáng)高塑性的熱處理方法，其特征在于，工 藝步驟為第一步為奧氏體化處理，處理溫度為850-900°C，保溫10-20min;第二步為 將上述奧氏體化的材料快速放入250-350°C的鹽液中保溫40-60s ；第三步是將上述鹽浴 后的材料放入250-350°C的馬弗爐中保溫5-20min，然后水冷至室溫；所述的含Si中碳鋼化學(xué)組成為C: 0.5 0.7wt%，Si: 1.2 — 1.8wt%, Mn: 0.4 0.8wt%, Cr: 0.2 ~ 0.4wt%, P<0.013wt%, S<0.005wt%,余量為 Fe。
全文摘要
一種含Si中碳鋼及其獲得高強(qiáng)高塑性的熱處理方法，屬于中碳鋼技術(shù)領(lǐng)域。化學(xué)組成為C0.5～0.7wt％，Si1.2～1.8wt％，Mn0.4～0.8wt％，Cr0.2～0.4wt％，P≤0.013wt％，S≤0.005wt％，余量為Fe。熱處理工藝為在850-900℃范圍內(nèi)奧氏體化10-20分鐘；將奧氏體化的材料快速放入250-350℃鹽液中鹽浴淬火20-60秒鐘；從250-300℃鹽液中取出，放入250-350℃的空氣爐內(nèi)保溫10-20分鐘，取出后水冷至室溫。優(yōu)點(diǎn)在于，既實(shí)現(xiàn)材料獲得高強(qiáng)高塑性的下貝氏體+穩(wěn)定化奧氏體組織，得到較好的強(qiáng)韌性，替代用戶復(fù)雜的熱處理，同時(shí)用電阻爐保溫部分代替等溫淬火在鹽浴爐內(nèi)等溫時(shí)間，降低了鹽浴爐產(chǎn)壓力，優(yōu)化了鹽浴淬火工藝；使該鋼的強(qiáng)度達(dá)到1500MPa以上，面縮率達(dá)到40％以上。
文檔編號(hào)C22C38/34GK102021479SQ20101060234
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者崔京玉, 張瑋, 王麗萍, 王全禮, 王猛, 王立峰 申請(qǐng)人:首鋼總公司