CN101724736B - 铬锰硅系低合金结构钢热处理上贝氏体淬火强化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种铬锰硅系低合金结构钢的上贝氏体淬火强化工艺，它是将材料30CrMnSiA在880℃奥氏体化后淬入上贝氏体形成区的某一特定温度段，保温一定的特定时间后，材料转入水中冷却淬火，然后，再转入硝盐回火炉中或其它热处理电炉进行某一特定温度回火，回火时间为60分钟至90分钟，回火结束后材料水冷。本发明在保持相同硬度、相同的屈服强度、相同的拉伸强度下，提高冲击韧性78％以上。

Description

铬锰硅系低合金结构钢热处理上贝氏体淬火强化工艺
技术领域
本发明涉及钢铁材料低合金结构钢的热处理技术。
背景技术
钢铁材料30CrMnSiA、35CrMnSiA、20CrMnSiA、25CrMnSiA等铬锰硅系钢种目前传统的热处理强化工艺方法是：首先将铬锰硅系钢通过热处理加热设备升温加热，一般加热至880℃±10℃保温一段时间，铬锰硅系钢在880℃下发生奥氏体晶粒形核、长大，最后完全转变为奥氏体晶粒，随着保温时间的推移，奥氏体晶粒内合金元素得到均匀化，奥氏体晶粒长大。在随后的常规热处理淬火工艺方法有两种：第一种是介质冷却淬火，介质一般是热处理淬火油或水，以及一些有机淬火介质。奥氏体化后的铬锰硅系钢经介质淬火冷却后，奥氏体直接转变为马氏体。材料得到强化，再按照对材料的硬度、机械性能要求选择不同的回火温度和回火时间进行回火处理。第二种是下贝氏体等温淬火，奥氏体化后的铬锰硅系钢，在温度为160℃至280℃之间的某一温度段，在等温硝盐槽中冷却并保温一段时间后得到一定量的下贝氏体组织，随后出槽水冷或空冷得到淬火马氏体、下贝氏体、残余奥氏体的混合组织，再根据材料的硬度和机械性能要求进行回火温度和回火时间的选择并完成回火处理。以上两种常规的铬锰硅系钢种淬火工艺对冲击韧性的提高有限，也是目前最常见的淬火工艺强化方法。
发明内容
为了进一步大幅度提高铬锰硅系钢种的冲击韧性，同时也维持高的抗拉伸强度和屈服强度。本发明提出一种全新的铬锰硅系低合金结构钢上贝氏体淬火强化工艺方法，该工艺方法是在铬锰硅系钢种材料奥氏体化后，奥氏体向马氏体转变前，在某一等温温度段孕育生核生成的上贝氏体，上贝氏体呈细片状，形成一片上贝氏体，一片奥氏体，又一片上贝氏体，又一片奥氏体，交替排列而组成的双相组织，等温结束后，一片一片的奥氏体区域发生奥氏体向马氏体转变，得到马氏体和上贝氏体复相组织。
本发明解决其技术问题所采用的技术工艺方案是：
将材料为30CrMnSiA、35CrMnSiA、20CrMnSiA、25CrMnSiA等铬锰硅系钢种制成的零件通过热处理加热设备(如盐浴炉、箱式电阻炉、真空炉等)升温至880℃，根据零件最大截面积大小保温一定时间后，将零件迅速淬入温度为360℃±10℃硝盐槽中，保温60分钟结束后，又将零件从硝盐槽中取出，快速转移至水中淬火冷却，冷却时间视零件大小、厚薄而定，一般小而薄的零件水中冷却1-2分钟，形状大而厚的零件水中冷却达2-5分钟，然后，将零件放入硝盐回火炉中(或井式电阻炉、真空回火炉等)回火，回火温度视零件所需要的硬度而决定，一般采用中温回火，即回火温度在360℃～420℃范围内，回火保温时间为60分钟至90分钟。零件回火结束后采用水冷，冷却时间2-5分钟，整个上贝氏体淬火强化工艺结束。
本发明的上贝氏体淬火强化机理是：将铬锰硅系钢种制成的零件通过热处理加热设备(如盐浴炉、箱式电阻炉、网带式加热炉、真空炉等)升温加热至880℃后，保温一段时间，使零件金相组织完全奥氏体化，在保温过程中，碳原子和合金元素在奥氏体晶粒内充分扩散，使铬锰硅系钢的奥氏体得到均匀化，880℃奥氏体均匀化结束，铬锰硅系钢零件迅速淬火等温硝盐槽中，硝盐槽温度360℃±10℃，零件在硝盐槽中保温60分钟，在这一温度段360℃，等温60分钟过程中，奥氏体晶粒中部分发生奥氏体向上贝氏体转变，这种转变不是均匀的转变，而是局部的转变，转变得到的上贝氏体极薄，它形貌呈片状，在奥氏体晶粒内形成一层上贝氏体，一层奥氏体，又一层上贝氏体，又一层奥氏体，上贝氏体与奥氏体层层相叠，在一个奥氏体晶粒中，有很多个不同生长方向的上贝氏体——奥氏体混合层。铬锰硅系钢零件在360℃等温60分钟完成后，零件从等温硝盐槽出炉转而进入水槽中急冷，在奥氏体晶粒内的层状奥氏体迅速转变成为马氏体，原来的一层上贝氏体一层奥氏体，又一层上贝氏体，又一层奥氏体变为一层上贝氏体一层马氏体，又一层上贝氏体，又一层马氏体，再加上一些残余奥氏体.随后的中温回火(360℃～420℃范围)又将这些片状马氏体区域转变为回火屈氏体区，但是片状马氏体区域的特征被遗留或继承下来。在零件受到大的冲击载荷作用下，裂纹通过传统热处理工艺淬火加回火得到的奥氏体晶粒内两个回火屈氏体区域远比穿越数个片状回火屈氏体区和上贝氏体区容易得多，这一微观裂纹扩展机理使回火屈氏体与上贝氏体混合组织具有高强度时，也具有高的冲击韧性，提高冲击韧性78％以上。参见图1A和图1B，图中，1是裂纹，2是回火屈氏体区，3是奥氏体晶界，4是上贝氏体。本发明的有益效果是：在同一种材质同一种形状规格的零件上，在零件经历不同热处理工艺后得到相同的硬度水平下，通过本工艺方法在保持相同的屈服强度和拉伸强度的前提下，可极大地提高30CrMnSiA、35CrMnSiA、20CrMnSiA、25CrMnSiA等铬锰硅系钢种的冲击韧性和塑性，由其是冲击韧性可高于传统工艺二倍。
附图说明
图1A是普通及传统热处理零件淬火回火后，零件内部微裂纹扩散机理图。
图1B是本发明采用的上贝氏体淬火后零件内部微裂纹扩散机理图。
图2是本发明的热处理工艺曲线图；
图3是普通及传统热处理，30CrMnSiA于880℃奥氏体化、油冷淬火，500℃回火90分钟水冷处理后的金相组织图(500×5％硝酸酒精腐蚀)。
图4是30CrMnSiA于880℃奥氏体化，280℃等温30分钟水冷，300℃回火90分钟水冷处理后的金相组织图(500×5％硝酸酒精腐蚀)。
图5是本发明上贝氏体淬火强化热处理，30CrMnSiA于880℃奥氏体化，硝盐槽360℃等温60分钟水冷，380℃回火60分钟水冷后的金相组织图(500×5％硝酸酒精腐蚀)；
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
以热处理零件“导引”为例，零件材料：30CrMnSiA，技术要求：热处理后硬度：34HRC-40HRC；底平面平面度≤0.30毫米；在两端尺寸100毫米处，底平面平面度≤0.50毫米；尺寸：95.5+0.87 0，27.2+0.28 0
结合工艺图2，将零件用铁丝捆绑好后，垂直放入盐浴炉中，盐浴炉控制温度为880℃，零件保温时间为12分钟，保温结束后立即将导引淬入等温硝盐槽中，硝盐槽温度控制在360℃，零件在硝盐槽中保温时间在60分钟，保温结束，将结构件迅速转入水槽中水冷却，水冷却时间为2分钟，水温控制在0℃-30℃，然后将零件放入硝盐回火炉中进行回火，硝盐回火炉温度控制在380℃±10℃范围内，零件回火时间为60分钟至90分钟，回火结束后，零件进入冷水槽中水冷却，水冷却时间为1至2分钟，水温控制在0℃-30℃。
30CrMnSiA采用常用传统热处理淬火回火工艺和本发明上贝氏体强化工艺性能对比见表1，金相组织比较见图3、图4、图5。
表1：30CrMnSiA两种传统淬火工艺与本发明工艺上贝氏体等温淬火力学性能对比。
  工艺类别 σs(Mpa) σb(Mpa) 6(％) ψ(％) Akv(MJ/M2)   洛氏硬度
  传统热处理油淬火工艺①   1180   1290   14   51   76.3   39HRC
  传统热处理280℃等温淬火工艺② 1310 1470 13 51 57 45HRC
  本专利上贝氏体强化工艺③ 1040 1240 8 55 136 39HRC
注：①传统热处理油淬火工艺为：880℃加热，油冷却淬火，回火500℃，60分钟至90分钟，回火结束后水冷却。
②传统热处理280℃等温淬火工艺为：880℃加热，280℃等温40分钟，等温结束后水冷，回火300℃，60分钟至90分钟，回火结束后水冷却。
③本发明上贝氏体强化工艺为：880℃加热，360℃等温60分钟，等温结束后水冷却，回火380℃±10℃，回火时间60分钟至90分钟，回火结束后水冷却。

Claims (1)

1.铬锰硅系低合金结构钢热处理上贝氏体淬火强化工艺，其特征在于：将铬锰硅系低合金结构钢零件在880℃奥氏体化后淬入360℃±10℃的等温硝盐炉中保温60分钟，保温结束后，又将零件转入水中淬火冷却，冷却时间1-5分钟，然后，零件转入硝盐回火炉中或其它热处理电炉中回火，回火温度380℃±10℃，回火保温时间为60分钟至90分钟，回火结束后零件水冷，整个热处理工序结束；
所述铬锰硅系低合金结构钢为30CrMnSiA、35CrMnSiA、20CrMnSiA或25CrMnSiA。
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