CN101121955A - 采用碳分配和回火提高淬火钢件机械性能的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种热处理技术领域的采用碳分配和回火提高淬火钢件机械性能的热处理方法。本发明将工件置于有保护气氛的加热炉中，然后加热使之全部奥氏体化后，将工件淬入液体淬火介质中，根据淬火温度的高低，将有不同含量的奥氏体向马氏体转变，随后将工件上淬至300－450℃的介质中，并在此温度下保温，在此过程中碳由马氏体扩散至马氏体之间的奥氏体中，使奥氏体富碳；然后将工件淬至水中，以获得马氏体和相当含量残余奥氏体混合组织；最后将工件进行低温回火，使钢件具有细小弥散共格碳化物的马氏体基体和残余奥氏体组织，从而增加工件的强度。

Description

采用碳分配和回火提高淬火钢件机械性能的热处理方法
技术领域
本发明涉及的是一种热处理技术领域的方法，具体是一种采用碳分配和回火提高淬火钢件机械性能的热处理方法。
背景技术
钢的热处理一直是钢铁生产过程中的一种重要工艺，通过热处理可以改变钢铁的组织结构从而改变钢铁的性能。传统的马氏体钢的热处理工艺一般包括淬火和回火，即通过淬火(水淬或者油淬)获得马氏体，并通过后继的回火处理改善其塑性。例如，经调质处理(淬火加高温回火)后的组织是回火马氏体和奥氏体分解的产物-渗碳体和铁素体。经过调质处理的钢具有比较高的强度和一定的塑性。但是调质钢由于不含残余奥氏体其塑性相对于先进高强度钢而言，例如相变诱发塑性钢(TRIP钢)，和双相钢(DP钢)还有很大差别。目前钢铁工业和汽车工业的发展需要具有高强度、同时又具较高的塑性的先进高强度钢；组织中的残余奥氏体在许多情况下是有益的，例如在齿轮和轴承中，适量的残余奥氏体能够增加接触疲劳抗力，在比较厚的结构件中，残余奥氏体有可能提高断裂抗力。
经对现有技术的文献检索发现，J.Speer等在Acta Materialia 51(国际材料学报)(2003)P2611-2622上发表的“Carbon partitioning into austenite aftermartensite transformation”(奥氏体向马氏体转变后碳在马氏体和奥氏体之间的分配)一文阐述了碳在马氏体和残余奥氏体之间分配的原理，通过碳的分配可以实现奥氏体富碳，但是该技术强调了在碳分配过程中抑制碳化物析出，而本发明提出在碳分配或随后的回火工艺中使合适的碳化物析出以获得高强度和塑性的先进结构钢。在进一步检索中，尚未发现与本发明主题相同或者类似的文献报道。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种采用碳分配和回火提高淬火钢件机械性能的热处理方法，使其增加工件的强度，相同成分的钢经过本发明工艺处理韧性可以提高20％～40％。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：
1)将工件置于有保护气氛或者真空加热炉中，然后加热使之全部奥氏体化；
2)将工件初次淬入液体淬火介质中，根据淬火温度的高低，将有部分奥氏体向马氏体转变；
3)将工件再次上淬至250-450℃的介质中，并在此温度下保温10-1800s，碳由马氏体扩散至奥氏体中，使奥氏体富碳；
4)将工件淬至水中，则获得马氏体和残余奥氏体混合组织；
5)对于经上淬至250-450℃的介质并做长时间(100-1800s)保温处理的工件经水淬后可以直接作为结构件使用，此时马氏体基体中已析出细小弥散的共格碳化物；而对于上淬至250-450℃的介质做短时间(10-100s)等温处理的工件须进行低温回火，回火温度为150-250℃，回火时间100-1800s，这样使马氏体基体中析出更为细小弥散的共格碳化物。上述两种工艺均可增加工件的强度，并可获得良好的综合力学性能。
本发明中，根据工件的成分选择合适的初次淬火介质温度，根据Ms和Mf温度及公式Vm＝1-exp[a(Ms-T)]可以得到获得马氏体时的淬火温度。式中，Vm是马氏体转变量，Ms、Mf分别是马氏体转变开始温度和终结温度，可以从手册上查到，T在Ms和Mf之间；a是与材料有关的系数，通过热膨胀仪测定，液体淬火介质的温度T对应于Vm＝70％～90％的温度。
所述的保护气氛为氮气或氩气。
所述的液体淬火介质，是Sn-Bi、Pb-Sn、Pb-Bi液体、恒温盐浴(50％硝酸钾+50％亚硝酸钠)和恒温水浴。
本发明在淬火后立即上淬至250-450℃的介质中，并在此温度下保温10-1800s，碳由马氏体扩散至马氏体之间的奥氏体中，使奥氏体富碳，从而可以稳定奥氏体，同时随碳分配时间的增加，马氏体基体中可析出细小弥散的共格碳化物，随后淬至水中获得具有析出碳化物马氏体和残余富碳奥氏体组织，以得到高硬度和高强度和良好的塑性相结合的钢件。
本发明在分配温度等温并水淬后，对于保温时间短(10-100s)的钢件再经低温回火处理，回火温度150-250℃，回火时间100-1800s，使马氏体基体中析出更为细小弥散的共格碳化物，从而产生弥散和沉淀强化，增加工件的强度。
本发明根据工件本身的化学成分，来改变初次淬火温度和等温温度及时间来获得具有不同相对含量的马氏体和富碳残余奥氏体的微观组织。对于含碳量低的钢(0.15％-0.5％)，由于马氏体开始形成温度较高，故可以选取较高的淬火温度即250℃-300℃；对于含碳量比较高的钢(0.5％-0.7％)，由于马氏体开始形成温度较低，故可以选取较低的淬火温度即150℃-250℃。此外，根据钢件用途的需要，可以选择合适的淬火温度，以期获得最大量的残余奥氏体。
本发明适用于含硅、铝等元素的合金钢，或(和)Nb、或(和)Mo、或(和)Ni或(和)Mn等元素的合金钢。
本发明根据碳分配和回火的原理，提出了含锰、硅、铝、铌、镍等元素合金钢碳分配和回火工艺处理使钢件获得带有弥散共格碳化物(非渗碳体)的马氏体和相当含量的残余奥氏体的组织的方法。与传统的调质钢相比较，相同成分的钢经过碳分配和回火工艺处理韧性可以提高20％～40％，与TRIP钢相比较，相同成分的钢经过碳分配和回火工艺处理强度可以提高30～50％，在同时考虑钢件强度和塑性两者之间的平衡时，碳分配和回火工艺处理是一个合适的选择。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例所适用的钢件成分为：碳含量为0.15-0.70％(质量分数，下同)，硅含量为0.01％-3.0％，铝含量为0.01-1.0％，Nb含量为0.0-0.22％，Mo含量为0.0-2.0％，Ni含量为0.0-4.0％，Mn含量为0.05-2.0％。成分中含硅、铝等合金元素目的是抑制碳化物析出，让碳能够在等温处理中由马氏体中快速扩散至奥氏体中，含Nb和Mo元素是为了在碳分配过程或回火过程中析出弥散共格碳化物，从而在不明显降低钢件的塑性情况下强化组织。由此可使钢件获得具有弥散共格碳化物分布的马氏体基体和奥氏体复相组织，该组织可使钢件在具有高强度的同时，塑性仍然维持在一个较高的水平。经淬火、碳分配和回火处理的钢比一般淬火和回火钢具较高的韧性，比经淬火、碳分配钢具较高的强度。
实施例1：用含0.19％C、1.63％Si和1.59％Mn的钢件，将钢件加热到900℃保温3min，然后淬至250℃的锡-铋淬火剂中，待部分奥氏体向马氏体转变后，立即上淬至400℃并在此温度下保温120s，此时碳由马氏体分配至马氏体之间的奥氏体中，从而稳定残余奥氏体，然后水淬至室温。经测试，钢件的屈服强度为650Mpa，抗拉强度为950Mpa，总延伸率为21％。与相同成分的TRIP钢相比，经碳分配和回火处理的钢件其抗拉强度比TRIP钢提高了200Mpa，但是总延伸率降低了10％。
实施例2：将含0.485C、1.195Mn、1.185Si、0.98Ni、0.21Nb工件加热到850℃保温3min，然后淬至100℃的恒温水槽中，并在此温度下保持5秒后，立即上淬至400℃并在此温度下保温180s，然后用水淬至室温。经测试，钢件的抗拉强度为2000Mpa，总延伸率为11％。
实施例3：将含0.485C、1.195Mn、1.185Si、0.98Ni、0.21Nb工件加热到760℃保温5min，然后淬至150℃的锡-铋淬火剂中，并在此温度下保持20秒后，立即上淬至400℃并在此温度下保温12s，然后用水淬至室温，最后在190℃回火0.5小时。经测试，钢件的屈服强度为1100Mpa，抗拉强度为1700Mpa，总延伸率为16％，洛氏硬度(HRC)为51。
实施例4：用含0.2％C，1.45％Mn，1.53％Si钢制作结构件，将工件加热到900℃保温3min，然后淬至200℃的锡-铋淬火剂中，并在此温度下保持5秒中，待部分奥氏体向马氏体转变后，立即上淬至450℃并在此温度下保温20s，此时碳由马氏体分配至马氏体之间的奥氏体中，从而稳定残余奥氏体，然后用水淬至室温，最后在180℃进行回火，回火时间为40分钟。处理后钢件的抗拉强度为1320Mpa，总延伸率为12％。

Claims (6)

1.一种采用碳分配和回火提高淬火钢件机械性能的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将工件置于有保护气氛或者真空加热炉中，然后加热使全部奥氏体化；
2)将步骤1)得到的工件初次淬入液体淬火介质中，根据淬火温度的高低，将部分奥氏体向马氏体转变；
3)将步骤2)得到的工件再次上淬至250-450℃的介质中，并在此温度下保温，碳由马氏体扩散至马氏体之间的奥氏体中，使奥氏体富碳；
4)将步骤3)得到的工件淬至水中，获得马氏体和残余奥氏体复相组织；
5)对于经上淬至250-450℃的介质并做100-1800s保温处理的工件经水淬后，直接作为结构件使用，此时马氏体基体中已析出细小弥散的共格碳化物；而对于上淬至250-450℃的介质做10-100s等温处理的工件须进行低温回火，回火温度为150-250℃，回火时间100-1800s，使马氏体基体中析出细小弥散的共格碳化物。
2.根据权利要求1所述的采用碳分配和回火提高淬火钢件机械性能的热处理方法，其特征是，所述的保护气氛为氮气或氩气。
3.根据权利要求1所述的采用碳分配和回火提高淬火钢件机械性能的热处理方法，其特征是，所述的液体淬火介质，是Sn-Bi、Pb-Sn、Pb-Bi液体、恒温盐浴和恒温水浴。
4.根据权利要求1或者3所述的采用碳分配和回火提高淬火钢件机械性能的热处理方法，其特征是，所述的液体淬火介质，其温度根据工件的成分选择，具体为：根据Ms和Mf温度及马氏体转变量与淬火温度T的关系式Vm＝1-exp[a(Ms-T)]得到获得马氏体时的淬火温度，式中，Vm是马氏体转变量，Ms、Mf分别是马氏体转变开始温度和终结温度，T在Ms和Mf之间；a是与材料有关的系数，通过热膨胀仪测定，液体淬火介质的温度T对应于Vm＝70％～90％的温度。
5.根据权利要求1所述的采用碳分配和回火提高淬火钢件机械性能的热处理方法，其特征是，步骤2)中，所述的初次淬火，对于含碳为0.15％-0.5％的钢，淬火温度为250℃-300℃。
6.根据权利要求1所述的采用碳分配和回火提高淬火钢件机械性能的热处理方法，其特征是，步骤2)中，所述的初次淬火，对于含碳量为0.5％-0.7％的钢，淬火温度为150℃-250℃。
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