CN101275180A - 应用脉冲电流消除合金结构钢、工具钢基体中缺陷组织的方法 - Google Patents
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Abstract
一种应用脉冲电流消除合金结构钢、工具钢基体中缺陷组织的方法，钢材放在热处理电炉中，钢材的正负两个端面与炉外脉冲电流发生器用导线联接，当合金结构钢加热到临界相变温度AC3+50℃或者工具钢加热到临界相变温度AC1+(20～50℃)时开始保温，同时打开脉冲电流发生器，输入强度为850A－1000A、频率为50Hz－30Hz的脉冲电流，保持10～15分钟后，合金结构钢按正火工艺执行，出炉空冷，工具钢在炉内冷却；该方法在金属加热到满足相变热力学条件的同时，再输入占空比很小的低频脉冲大电流，提高组织转变速度，在较短时间内细化晶粒，清除钢中的带状组织、网状组织，为后续热处理工艺提供理想的基体组织。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用脉冲电流迅速有效地消除合金结构钢、工具钢基体中缺陷组织的方法。
背景技术
1、低、中碳钢合金结构钢如：20、45、G20CrNi2MoA、12Cr2Ni4A、20CrMnTi、20CrNi等材料，在轧制和锻造时，沿压延方向，往往会出现铁素体和珠光体这两种组织交替成层分布的情况，在显微镜下看到的这种组织称为带状组织，如图1所示。
低、中碳钢、合金结构钢中形成带状组织的原因，是由于自奥氏体状态缓慢冷却经过该材料相变临界温度Ar3和Ar1的温度范围或者在此温度范围内进行热压力加工时，钢中被拉长了的各种非金属夹杂物对铁素体的析出起核心作用，就先形成带状铁素体，因为铁素体的碳含量很低(在727℃时只有0.0218％)，它的形成促使碳向未转变的奥氏体区域扩散，余下的奥氏体经过该材料的相变临界温度Ar1时，碳浓度达到共析成分而转变为珠光体，结果形成了铁素体和珠光体这两种组织交替成层分布的带状组织。带状组织严重时，会影响到钢的被切削加工性，表面光洁度差，渗碳时引起渗层组织不均匀，热处理时易变形，硬度不均匀。“带状组织”的存在使材料的力学性能具有明显的方向性，其纵向、横向力学性能相差很大，一般纵向的抗拉强度较高，延伸率和断面收缩率比较好，而横向的抗拉强度显著降低，延伸率和断面收缩率下降尤其明显。资料介绍，同一金属材料在基体组织中有带状组织时，如果横向，即与纤维方向呈90°的寿命指标为1的话，那么纵向，即与纤维方向一致的寿命则为2.5，这表明带状组织造成的各向异性是很严重的，它的存在将导致该零件总体力学性能的降低，使零件的服役寿命减少，造成很大损失。
传统工艺是将钢件正火或反复镦粗、拔长来减少带状组织，但需要消耗大量能源和工时，效果不明显，大部分情况下仍将此组织保留到最后加工结束的零件中，所以零件服役时间不长，造成资源的浪费。
2、合金工具钢的化学成分、基体组织、应用范围与合金结构钢截然不同，它们都属于过共析成分钢，毛坯经轧制、锻造缓冷后，在基体组织中很容易形成网状碳化物与粗大片状珠光体的混合组织。碳素工具钢、合金工具钢中，如：T7、T8、T10、GCr15、9CrSi、Cr12MoV在基体组织中会出现片状珠光体和珠光体团外的网状二次渗碳体，见图2所示。该组织的存在不仅使切削性能变坏，当淬火冷却时，容易在很脆的网状渗碳体处形成应力集中而导致零件变形、开裂，造成很大损失。
处理这一问题的传统工艺之一是球化退火的方法，但在工厂中最常用是将合金工具钢加热到该钢的加热相变临界温度AC1+(20～50℃)，也就是在奥氏体+二次渗碳体两相区间，保温2小时后，在冷却相变临界温度Ar1-(20～50℃)以下温度保温4～10小时，然后随炉冷却至350℃后出炉空冷。
球化退火工艺的原理是：在AC1+(20～50℃)加热、保温时，给系统相变时提供了热力学条件。为降低整个系统的自由能，珠光体自发向奥氏体组织转变；网状碳化物开始溶解、断裂、破碎；层片状碳化物逐渐断裂为许多链状或点状碳化物，弥散的分布在奥氏体基体上。由于加热温度较低，时间短，刚转变成的奥氏体中化学成分极不均匀：原来是片状渗碳体的部位，碳浓度高，铁素体的部位，碳浓度低。
在随后冷却相变临界温度Ar1以下的缓冷、保温过程中，一方面，大量的碳原子会以未溶的渗碳体质点为核心集聚、或者在原来奥氏体中碳浓度高的地方产生新的核心，形成球粒状渗碳体，另一方面，过冷奥氏体由于碳原子大量的析出，含碳量很低(＜0.0218％)，而转变为铁素体组织，最终得到在铁素体基体上均匀分布球粒状碳化物的球状珠光体组织。
但是由于传统的球化退火工艺周期太长(5～10小时)，耗能严重、效率很低、质量不稳定，容易出现废品。
发明内容
为了解决传统热处理工艺中不能有效地清除合金结构钢中带状组织，合金工具钢、碳素工具钢中网状组织的问题，本发明提出一种应用脉冲电流迅速有效地消除合金结构钢、工具钢基体中缺陷组织的方法，该方法在金属加热到满足相变热力学条件的同时，再输入占空比很小的低频脉冲大电流，使基体组织转变过程中，获得额外激活能ΔE，增加扩散系数D，以改变材料的相变动力学条件，提高组织转变速度，在较短时间内细化晶粒，清除钢中的带状组织、网状组织，为后续热处理工艺提供理想的基体组织。
本发明通过以下技术措施实现：
一种应用脉冲电流迅速有效地消除合金结构钢工具钢基体中缺陷组织的方法，将钢材放在热处理电炉中，钢材的正负两个端面与炉外脉冲电流发生器用导线联接，当合金结构钢加热到临界相变温度AC3+50℃或者工具钢加热到临界相变温度AC1+(20～50℃)时开始保温，同时打开脉冲电流发生器，输入强度为850A-1000A、频率为50Hz-30Hz的脉冲电流，保持10～15分钟后，合金结构钢按正火工艺执行，出炉空冷，工具钢在炉内冷却。
本发明依据的科学原理：
研究任何相变过程，都要研究该相变系统的热力学条件和动力学条件。以材料20CrMnTi钢为例，该钢的相变临界温度AC3为825℃，在相变温度AC3+50℃加热保温时，为该试样的完全奥氏体化创造了相变的热力学条件，可以实现从铁素体和珠光体的混合物向奥氏体的自发转变，此时如果能改变相变的动力学条件，那么将会得到与常规热处理截然不同的组织。
根据麦克斯韦—玻尔兹曼定律，在N个溶质原子中，在T温度下具有跳动条件即可以克服位垒的应变能的原子所占百分数为：
n/N＝e-ΔG/KT
如果原子振动频率为v，溶质原子最邻近的间隙位置数为z，则平均每个原子在单位时间内的跳动次数即跳动频率τ即：
τ＝v.z.e-ΔG/KT
∵ΔG＝ΔH-TΔS
≈ΔE-TΔS
∴τ＝v.z.e-Δs/K.e-ΔE/KT
而D＝a2.P.τ
＝a2.P.v.z.e-Δs/K.e-ΔE/KT
由此得到D＝D0.e-ΔE/KT
式中ΔG-系统自由差
D-扩散系数，它决定着扩散的快慢的程度；
D0-扩散常数，它与温度无关，主要与溶剂晶格和溶质原子种类有关；
Q-扩散激活能，表示1克原子物质离开其平衡位置所需要的能量单位是卡/克原子，可以把它看成是不随温度变化的参量；
ΔE-额外激活能；
ΔH-热函差；
R-气体常数(1.987卡/度·克分子)；
T-绝对温度(°K)；
e-自然对数。
由上式看出，额外激活能ΔE的增加，即扩散障碍(位垒)的增加，会降低扩散系数D，不利于碳和其他元素的扩散。在组织转变发生碳原子和其他合金元素扩散时，施加的脉冲电流恰好提供了一种溶质原子扩散时所需要的额外能量，以克服扩散障碍(位垒)，使得扩散系数增加。对于间隙扩散来说，扩散激活能Q就是溶质原子发生跳动时所需的额外激活能ΔE。
①消除带状组织的原理是：
由于脉冲电流的输入，不仅使材料中的碳元素、合金元素获得了额外激活能ΔE，也使得杂质元素获得了额外的激活能ΔE，可以明显提高碳原子和其他合金元素扩散速度，这样就改变了杂质元素和各种偏析在奥氏体晶界上的富集，使得纤维组织难以形成，消除先析铁素体以层状出现的可能，从而消除带状组织，将会使得相变组织更加均匀。
从实验结果对比来看，脉冲能量越大，扩散系数增加的越大，不仅增大了碳原子和合金元素的扩散速度，缩短了奥氏体化学成分均匀化过程，消除了带状组织。而且由于脉冲电流提供了额外激活能，改善了相变动力学条件，使得奥氏体的形核率增加，晶粒变细。
形核率和激活能的关系如下：
N＝Doe-Q/KT.e-w/KT
式中Do——常数；
W——临界晶核形成功。
Q——扩散激活能；
K——波尔茨曼常数；
T——绝对温度；
由上式看出，在其它因素不变的情况下，扩散激活能Q即扩散位垒(障碍)的减小，有利形核率N的增加，而要实现Q的减小，只有输入脉冲电流，提供克服扩散位垒(障碍)的额外激活能ΔE，才能大大增加形核率N。使金属在单位体积内获得更多的晶核，为金属晶粒的细化提供必要的条件。
②球化退火工艺的原理是：
碳素工具钢、合金工具钢如：T7、T8、T10、GCr15、9CrSi、Cr12MoV在AC1+(20～50℃)加热、保温时，给系统相变时提供了热力学条件，为降低整个系统的自由能，珠光体自发向奥氏体组织转变；网状碳化物开始溶解、断裂、破碎；层片状碳化物逐渐断裂为许多链状或点状碳化物，弥散的分布在奥氏体基体上。由于加热温度教低，时间短，刚转变的奥氏体中化学成分极不均匀：原来是片状渗碳体的部位，碳浓度高；原来是铁素体的部位，碳浓度低。随后在Ar1以下的缓冷、等温过程中，一方面，大量的碳原子会以未溶的渗碳体质点为核心集聚、或者在原来奥氏体中碳浓度高的地方产生新的核心，形成球粒状渗碳体；另一方面，过冷奥氏体由于碳原子大量的析出，含碳量很低(＜0.0218％)，而转变为铁素体组织，最终得到在铁素体基体上均匀分布球粒状碳化物的球状珠光体组织。
本发明的有益效果：
通过大量的实验和分析说明，碳素结构钢和合金结构钢，如20、45、G20CrNi2MoA、12Cr2Ni4A、20CrMnTi、20CrNi等材料，加热到奥氏体化温度时；碳素工具钢和合金工具钢如：T7、T8、T10、GCr15、9CrSi、Cr12MoV在AC1+(20～50℃)加热、保温时，输入一定强度、一定频率、一定时间的脉冲电流，对相变系统提供了额外激活能ΔE，大大增加形核率N，明显提高碳原子和其他合金元素扩散速度，改善了相变动力学条件，使得奥氏体的形核率增加，晶粒变细。消除了用传统的、单一的热处理工艺难以消除的带状组织、网状碳化物、层片状碳化物和粗大晶粒这些基体组织中的缺陷，在传统的、单一的热处理工艺基础上，输入50Hz，1000A的脉冲电流这一新工艺，可以为后续的热处理、渗碳、淬火、回火提供良好的基体组织。同时，为企业进一步提高产品质量、提高产品竞争力、做好节约能源、降低成本消耗，提高工作效率等方面提供了一项新的技术。
本发明是电力电子技术与金属固态相变技术相结合而形成的一个边沿新技术，发展前景非常广阔，突破了传统热处理工艺局限。经过多个钢种材料，如合金结构钢G20CrNi2MoA、12Cr2Ni4A、20CrMnTi、20CrNi等材料，合金工具钢GCr15、9CrSi、9Cr2Mo、碳素工具钢T 8、碳素结构钢20，渗氮专用钢38CrMOAI的实验，均取得良好的效果。
附图说明
图1是20CrMnTi钢中的带状组织金相显微放大图。
图2是9CrSi钢中的网状组织金相显微放大图。
图3是本发明的实施例一，20CrMnTi钢奥氏体化输入脉冲电流后的晶粒度金相显微放大图。
图4是本发明的实施例二，9CrSi钢输入脉冲电流后的晶粒度金相显微放大图。
图5是本发明的原理图。
具体实施方式
例一、消除合金结构钢中带状组织：
低、中碳素钢和合金结构钢如：20、45、G20CrNi2MoA、12Cr2Ni4A、20CrMnTi、20CrNi等材料，每种材料制作钢材试样尺寸为φ15×12mm，分为若干组。每个试样的两个端面用导线联接。试验时，用一个钢材试样放在该材料的临界相变温度AC3+50℃的电炉中加热、保温时，它的两根导线在炉外与MY--2005型脉冲电流发生器连接，作为脉冲电流的承载体。试样到临界相变温度后开始保温，同时输入一定强度和一定频率的脉冲电流，不同试样分别输入强度为800A、900A、1000A，频率为50Hz、30Hz、15Hz等不同参数的脉冲电流。保持10～15分钟后，按正火工艺执行，出炉空冷。随后，对以上不同组别的试样进行金相检验和分析，从中筛选出最佳的组织以及脉冲参数。经过金相分析，输入强度为1000A，频率为50Hz的脉冲电流得到的组织最理想，如图3所示。
例二、消除合金工具钢和碳素工具钢中网状组织：
碳素工具钢和合金工具钢如：T7、T8、T10、GCr15、9CrSi、Cr12MoV等材料，在该材料的临界相变温度AC1+(20～50℃)加热、保温时，把试样的两端面用两根导线与之连接。它的两根导线在炉外与MY--2005型脉冲发生器连接，作为脉冲电流的承载体。试样加热到临界相变温度后开始保温，同时打开脉冲电流发生器，输入一定电流和一定频率的脉冲参数，不同试样分别输入600A、800A、900A、1000A，频率分别是40HZ、50HZ、50HZ、30HZ等不同参数的脉冲参数，输入脉冲电流的频率由SS-2004型示波仪显示。到10～15分钟后，在炉内冷却。随后对以上不同组别的试样进行金相检验和金相分析，从中筛选出最佳的组织以及脉冲参数。经过分析输入强度为1000A，频率为50Hz的脉冲电流得到的组织最理想，如图4所示。
本发明实施例中使用的电加热炉、脉冲信号发生器、示波仪、温度控制仪等设备的联接关系示意如图5所示。
Claims (3)
1、一种应用脉冲电流消除合金结构钢、工具钢基体中缺陷组织的方法，其特征在于：钢材放在热处理电炉中，钢材的正负两个端面与炉外脉冲电流发生器用导线联接，当合金结构钢加热到临界相变温度AC3+50℃或者工具钢加热到临界相变温度AC1+(20～50℃)时开始保温，同时打开脉冲电流发生器，输入强度为850A-1000A、频率为50Hz-30Hz的脉冲电流，保持10～15分钟后，合金结构钢按正火工艺执行，出炉空冷，工具钢在炉内冷却。
2、根据权利要求1所述的应用脉冲电流消除合金结构钢、工具钢基体中缺陷组织的方法，其特征在于所述合金结构钢是低、中碳素钢和合金结构钢：20、45、G20CrNi2MoA、12Cr2Ni4A、20CrMnTi、20CrNi。
3、根据权利要求1所述的应用脉冲电流消除合金结构钢、工具钢基体中缺陷组织的方法，其特征在于所述工具钢是碳素工具钢和合金工具钢：T7、T8、T10、GCr15、9CrSi、Cr12MoV。
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2008
- 2008-05-16 CN CNA200810058396XA patent/CN101275180A/zh active Pending
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