CN102002558B

CN102002558B - 含抑制碳化物形成元素钢的分级淬火-分配热处理工艺

Info

Publication number: CN102002558B
Application number: CN2010105698628A
Authority: CN
Inventors: 王凤英; 朱跃峰; 周惠华
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-11-26
Also published as: CN102002558A

Abstract

含抑制碳化物形成元素钢的分级淬火-分配热处理工艺属于金属材料热处理技术领域。其特征在于，将含钢加热到奥氏体化温度；然后依次进行N次淬火-分配；每一次淬火，部分奥氏体形成马氏体，紧随淬火的每一次分配，碳从形成的马氏体向附近的未转变奥氏体分配，使得被分配碳的奥氏体碳含量大于原始的奥氏体。本发明以淬火-分配工艺的热力学和动力学机理以及马氏体转变的特点为依据，利用逐级的淬火-分配工艺，使得处理后的钢微观组织中存在更多分布合理的稳定的残余奥氏体，出现大量小块、分散的高碳马氏体；细化马氏体和奥氏体组织；进行更为充分的碳扩散，特别对于残余奥氏体组织较大的中、高碳钢。从而使钢获得更优的强度和韧性。

Description

含抑制碳化物形成元素钢的分级淬火-分配热处理工艺

技术领域：

本发明属于金属材料热处理技术领域，涉及一种新热处理工艺-分级淬火-分配工艺，可用于对工业生产用含硅、铝(甚至磷)等含抑制碳化物形成元素的钢进行热处理。

背景技术：

淬火和回火工艺是马氏体钢的传统热处理工艺。淬火形成强度较高的马氏体，回火则消除应力，自马氏体内析出碳化物以及分解残余奥氏体。以往的一些工作揭示：利用残余奥氏体可以增强材料的塑性；在淬火过程中，马氏体条间的残余奥氏体会增碳(碳由马氏体条向条间奥氏体分配)；含Si钢中贝氏体相变时碳会向奥氏体扩散。但是，一般由于淬火温度较低，以及回火时显著呈现其他相变，如碳化物析出，对碳由马氏体向残余奥氏体分配以稳定奥氏体未给予重视。美国柯州矿院Speer等将高硅、铝甚至磷的钢淬火至淬火开始温度(M_s)至淬火终了温度(M_f)间一定温度，保温一段时间，使碳由马氏体分配至残余奥氏体，以稳定残余奥氏体，提高钢的塑性和韧性，称为马氏体型钢热处理的新工艺-淬火与分配工艺(quenching and partitioning process，“Q-P”工艺)。和淬火-回火的传统工艺不同，Q-P工艺为稳定残余奥氏体，应用钢中Si、Al(甚至P)等元素以阻碍Fe₃C的析出，使碳自马氏体分配到奥氏体，奥氏体因富碳，在再次冷却时不会转变为马氏体，为高强度钢兼具韧性提供新的有效工艺。文献1(徐祖耀.用于超高强度钢的淬火-碳分配-回火(沉淀)(Q-P-T)工艺.热处理，2008，23(2)：1-5)和文献2(徐祖耀.淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工艺浅介.金属热处理，2009，16(34)：1-8)，在Q-P工艺基础上，提出的新的热处理方法：淬火-分配-回火工艺。以Q-P-T工艺对超高强度钢进行处理，取得了初步的成效。

发明内容：

本发明的目的是利用含硅、铝，甚至磷等抑制碳化物形成元素钢的分级淬火分配工艺，保证工件或钢材硬度、强度、耐磨性的同时，大幅度提高钢的韧性及强韧性配合，从而达到大大提高其使用寿命，扩大其应用范围的目的。

本发明提出的含抑制碳化物形成元素钢的分级淬火-分配热处理工艺，其特征在于，将含抑制碳化物形成元素钢加热到奥氏体化温度；然后依次进行N次淬火-分配，N为大于等于2的自然数；淬火温度分别为QT1、QT2......QTN，其满足M_s＞QT1＞QT2＞...QTN＞M_f，M_s为马氏体形成开始温度，M_f为马氏体形成结束温度，分配温度分别为：PT1、PT2......PTN，分配温度范围满足M_f+30℃～M_s+200℃，分配时间小于完全分配时间；所述每一次淬火，部分奥氏体形成马氏体，紧随淬火的每一次分配，碳从形成的马氏体向附近的未转变奥氏体分配，使得被分配碳的奥氏体碳含量大于原始的奥氏体；经过N次淬火-分配后，含抑制碳化物形成元素钢微观组织结构为：以低碳马氏体为主，细小块状的高碳马氏体为增强相，大量分布合理的残余奥氏体为增韧相。

含抑制碳化物形成元素钢的二级淬火-分配热处理工艺，其特征在于，含有以下步骤：

1)将含抑制碳化物形成元素钢加热到奥氏体化温度A_c3～A_c3+100℃，等温3～60min；

2)进行第一次淬火，第一次淬火温度QT1为M_f+80℃～M_s-5℃，保温时间为2～60s，形成一次马氏体；

3)进行第一次分配，第一次分配温度PT1为QT1～M_s+200℃，保温时间为1～30000s，使碳从一次马氏体向边缘的残余奥氏体分配，使得边缘奥氏体获得稳定结构；

4)进行第二次淬火，第二次淬火温度QT2为M_f+30℃～M_s-80℃，保温时间为2～60s，部分残余奥氏体形成二次马氏体；

5)进行第二次分配，第二次分配温度PT2为QT2～M_s+200℃，保温时间为1～30000s，使碳从马氏体向未转变的奥氏体分配，使得该部分奥氏体获得稳定结构；

6)将第5步形成的产物置于水中淬火至室温，得到钢的微观组织结构以低碳马氏体为主，细小块状的高碳马氏体为增强相，大量分布合理的残余奥氏体为增韧相。

上述将含抑制碳化物形成元素钢加热到奥氏体化温度，是在电炉中进行，淬火和分配步骤是在盐浴炉中进行。

含抑制碳化物形成元素钢的三级淬火-分配热处理工艺，其特征在于，含有以下步骤：

4)进行第二次淬火，第二次淬火温度QT2为M_f+50℃～M_s-30℃，保温时间为2～60s，部分残余奥氏体形成二次马氏体；

6)进行第三次淬火，第三次淬火温度QT3为M_f+30℃～M_s-80℃，保温时间为2～60s，部分残余奥氏体形成三次马氏体；

7)进行第三次分配，第三次分配温度PT3为QT3～M_s+200℃，保温时间为1～30000s，使碳从马氏体向未转变的奥氏体分配，使得该部分奥氏体获得稳定结构；

8)将第7步形成的产物至于水中淬火至室温，得到的钢的微观组织结构以低碳马氏体为主，细小块状的高碳马氏体为增强相，大量分布合理的残余奥氏体为增韧相。

本发明以淬火-分配工艺的热力学和动力学机理以及马氏体转变的特点为依据，利用逐级的淬火-分配工艺(逐次降低淬火温度)，使得处理后的钢微观组织中存在更多分布合理的稳定的残余奥氏体，出现大量小块、分散的高碳马氏体；细化马氏体和奥氏体组织；进行更为充分的碳扩散，特别对于残余奥氏体组织较大的中、高碳钢。从而，使钢获得更优的强度和韧性的综合性能。

附图说明：

图1是钢经二级淬火-分配处理示意图；

图2是35SiMn钢经二级淬火-分配处理示意图；

图3是经分级Q-P处理后的35SiMn组织形貌SEM(a)和TEM图像(b)；

图4是经分级Q-P处理后35SiMn钢块状组织中的马氏体和残余奥氏体；

图5是经分级Q-P处理后35SiMn钢块状组织中的孪晶马氏体；

图6是经分级Q-P处理后35SiMn钢中的马氏体和条状残余奥氏体；

图7是35SiMn钢经二级淬火-分配处理示意图；

图8是淬火温度和分配温度相同时，二级淬火-分配处理示意图；

图9是淬火温度和分配温度相同时，三级淬火-分配处理示意图。

具体实施方式：

本发明是将钢加热到奥氏体化温度；淬火至M_s至M_f点之间某一温度QT1，称为一次淬火温度，生成一定含量的淬火马氏体，淬火温度与马氏体生成量之间的关系可由Koistinen-Marburger公式计算；试样在一次淬火温度QT1或将温度升至某一更高温度保温，进行碳的分配，这一温度称为一次分配温度PT1，在一次分配时间内，马氏体中的碳迅速分配至奥氏体的边缘位置，而不至扩散至奥氏体中心位置，分配时间的长短可根据马氏体的宽度和欲获得的残余奥氏体的尺寸，由分配动力学公式获得；然后，将钢淬火至一较低温度QT2(其中：M_s＞QT1＞QT2＞M_f)，再将温度升至某一更高温度保温，进行碳的第二次分配，称为PT2，由于第一次淬火分配后，奥氏体颗粒边缘富碳而中心位置贫碳，在第二次淬火的过程中，边缘的富碳奥氏体将趋于稳定，而马氏体转变更易发生在奥氏体中心位置的贫碳区，这样可以使软相的残余奥氏体将硬相的马氏体分隔开，从而获得更优的力学性能；最后，将钢从PT2淬至室温，获得最终的组织。二级淬火-分配的示意图如图1所示。在更低温度QT3...(其中，M_s＞QT1＞QT2＞QT3...＞M_f)和PT3...进行多级淬火和分配的工艺，称为多级的淬火-分配工艺。每次分配的时间内，碳元素都是发生不完全分配，即在分配时间内碳并不能实现在奥氏体中均匀分布。

如图1，其中，QT1、QT2分别为第一、二次淬火温度(QT1＞QT2)，PT1、PT2分别为第一、二次分配温度，A为奥氏体，M1、M2分别为一次马氏体和二次马氏体。

本发明并非对淬火-分配工艺进行简单重复操作，而是以淬火-分配工艺的热力学和动力学机理以及马氏体转变的特点为依据，利用逐级的淬火-分配工艺(逐次降低淬火温度)，使得处理后的钢微观组织中存在更多分布合理的稳定的残余奥氏体，出现大量小块、分散的高碳马氏体；细化马氏体和奥氏体组织；进行更为充分的碳扩散，特别对于残余奥氏体组织较大的中、高碳钢。从而，使钢获得更优的强度和韧性的综合性能。

根据本发明的工艺特征，设定本工艺的具体参数范围如下：奥氏体化温度为A_c3～A_c3+100℃，在奥氏体化温度的等温时间为3～60min；第一次淬火温度QT1为M_f+80℃～M_s-5℃，保温时间为2～60s；第二次淬火温度QT2为M_f+30℃～M_s-80℃，保温时间为2～60s；分配温度范围为M_f+30℃～M_s+200℃，保温时间为1～30000s，分配时的保温时间依照分配温度的不同有较大差异，目的是实现碳在马氏体、铁素体和奥氏体之间的不完全分配。另外，如果淬火温度与分配温度相同时，其保温时间的范围服从分配温度的相应规定。这里的分级淬火-分配不仅仅指这里重点描述的两级淬火-分配工艺，还指大于两级的淬火分配工艺如三级淬火-分配、四级淬火-分配等等...。多级淬火-分配工艺中的淬火温度及其相应的保温时间的适用范围参照下列的原则：淬火温度在M_s至M_f之间，温度逐次降低，保温时间以使工件的内外温度均匀为依据。

实验验证：本发明能在保证含硅、铝甚至磷等抑制碳化物形成元素钢的强度的同时，大幅度提高钢的伸长率，从而大幅度提高钢的强塑积。

下面用实施例结合附图进一步描述本发明，但本发明的使用范围不受这些实施例的限制。

实施例1：35SiMn钢的二级淬火-分配工艺1

35SiMn钢的化学成分(质量分数)为：C 0.35～0.4％，Si 1.1～1.4％，Mn 1.1～1.4％，Cr≤0.3％，Ni≤0.25％，Cu≤0.3％，M_s点约为340℃。按拉伸试样的国标要求，将铸锭、锻造后的35SiMn钢坯加工成有效直径为5mm的圆棒样品，每种工艺选取5个样品。二级淬火-分配工艺的重要参数为淬火温度的选取，用Koistinen-Marburger公式计算得到淬火至315℃时，马氏体的转变量占30％；淬火至220℃时，马氏体的转变量占70％。设定分配温度为380℃，根据碳在奥氏体中的分配动力学公式，计算得到在此温度下分配35s时，碳可分配至奥氏体内部达0.2μm的厚度，使得靠近马氏体一端的奥氏体碳浓度为2％，靠近奥氏体中心位置的碳含量依然为0.4％。从而，靠近马氏体的奥氏体因为富碳，在接下来的淬火过程中稳定，而不再转变为马氏体，中心部位的奥氏体含碳量高于原始奥氏体，在接下来的淬火过程中将转变为高碳的马氏体。

确定了淬火温度、分配温度和分配时间等参数后，35SiMn钢的二级淬火-分配工艺即可确定，如图2所示。将样品放置于加热至920℃的电炉中，保温12min，完全奥氏体化；然后置于315℃的盐浴炉中，保温10s，使钢均匀淬火至315℃；然后将样品置于380℃的盐浴炉中，保温35s，使碳从一次马氏体向奥氏体分配；然后将钢淬火至220℃的盐浴中，保温10s；然后将钢置于380℃的盐浴炉中，保温35s，使碳从二次马氏体向为转变的奥氏体分配；最后，置于水中淬火至室温。

为与已有工艺进行对比，同时还分别取5个样品进行了淬火-回火(Q-T)和淬火-分配(Q-P)处理，工艺参数分别为：900℃-12min+淬火+270℃回火和900℃-12min+315℃-10s+380℃-60s+淬火。对三组样品的机械性能进行了测试，结果如表1所示。与一般的淬火-回火工艺相比，二级淬火-分配工艺保证钢材具有高强度的同时，大幅度的提高了延伸率，使钢材的强塑积比Q-T样品提高了65％。

表1经淬火-回火、淬火-分配和二级淬火-分配处理后，35SiMn钢的强度、塑性和强塑积

根据X射线检测结果，分级Q-P样品的残余奥氏体的含量达12％，高于Q-P样品的7.88％，这是Q-P样品延伸率高的重要原因。对淬火-回火钢、淬火-分配钢和二级淬火-分配钢的样品分别进行扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)检测，发现与淬火-回火钢、淬火-分配钢不同，二级淬火-分配钢的主要组织为板条状马氏体中夹杂一些块状组织，如图3所示。对图3中标识的块状组织进行了分析，结果如图4所示，这些块状组织的主要成分为马氏体和残余奥氏体，尺寸在1-3μm之间，块体中央为硬相马氏体，边缘包裹一层软相残余奥氏体，这与我们组织设计的初衷吻合。另外，这些块状组织中出现了大量的孪晶马氏体，如图5所示。这可能是由于，在一次碳分配过程中，未转变的奥氏体获得了周围马氏体中分配过来的碳而富碳，使其在二次淬火的过程中因富碳转变为高碳的孪晶马氏体。二级淬火-分配钢中还出现了一些条状的残余奥氏体，这些残余奥氏体被马氏体分隔为一些断续的长条，如图6所示。

可见，分级Q-P处理使得35SiMn钢具有了一些特殊的组织特征：低碳的马氏体板条中夹杂着小块状的高碳孪晶马氏体，增强了组织的强度；残余奥氏体的含量达到12％，分布在高碳马氏体的边缘，将高碳马氏体包围，或成薄片状分布在低碳的板条马氏体之间，或成条状分布于马氏体之间，保证了钢材的塑性。从而，使钢材的强塑性远高于普通的淬火回火钢，也高于Q-P钢。

实施例2：35SiMn钢的二级淬火-分配工艺2

用Koistinen-Marburger公式计算得到淬火至315℃时，马氏体的转变量占30％；淬火至250℃时，马氏体的转变量占50％。设定分配温度为380℃，分配时间35s。

选取35SiMn钢样品5个，二级淬火-分配工艺的示意图如图7所示。将样品放置于加热至920℃的电炉中，保温12min，完全奥氏体化；然后置于315℃的盐浴炉中，保温10s，使钢均匀淬火至315℃；然后将样品置于380℃的盐浴炉中，保温35s，使碳从一次马氏体向奥氏体分配；然后将钢淬火至250℃的盐浴中，保温10s；然后将钢置于380℃的盐浴炉中，保温35s，使碳从二次马氏体向为转变的奥氏体分配；最后，置于水中淬火至室温。

测得其抗拉强度和强塑积分别为13.87％和20852MPa·％，均高于Q-P钢，更高于Q-T钢。

实施例3：35SiMn钢的二级淬火-分配工艺，其中淬火温度等于分配温度

用Koistinen-Marburger公式计算得到淬火至320℃时，马氏体的转变量占25％；淬火至200℃时，马氏体的转变量占80％。设定一次分配温度为320℃，二次分配温度为200℃，根据碳在奥氏体中的分配动力学公式，计算得到在一次和二次分配温度下分别保温190s和10000s时，可实现以高强高韧的板条状低碳马氏体为主，以分散的小块高碳马氏体为增强相，以分布合理的适量残余奥氏体为增韧相的最终组织调控目标。

选取35SiMn钢样品5个，二级淬火-分配工艺的示意图如图8所示。将样品放置于加热至920℃的电炉中，保温12min，完全奥氏体化；然后置于320℃的盐浴炉中，保温190s，使碳从一次马氏体向奥氏体分配；然后将钢淬火至200℃的盐浴中，保温10000s，使碳从二次马氏体向为转变的奥氏体分配；最后，置于水中淬火至室温。此热处理工艺的特点是：淬火温度和分配温度相等，分配过程是在淬火温度下进行的。

实施例4：35SiMn钢的三级淬火-分配工艺，其中淬火温度等于分配温度

用Koistinen-Marburger公式计算得到淬火至320℃时，马氏体的转变量占25％；淬火至250℃时，马氏体的转变量占50％；淬火至200℃时，马氏体的转变量占80％。设定一次分配温度为320℃，二次分配温度为250℃，三次分配温度为250℃，根据碳在奥氏体中的分配动力学公式，计算得到在一次、二次和三次分配温度下分别保温190s、3600s和10000s时，可实现以高强高韧的板条状低碳马氏体为主，以分散的小块高碳马氏体为增强相，以分布合理的适量残余奥氏体为增韧相的最终组织调控目标。

选取35SiMn钢样品5个，三级淬火-分配工艺如图9所示。将样品放置于加热至920℃的电炉中，保温12min，完全奥氏体化；然后置于320℃的盐浴炉中，保温190s，使碳从一次马氏体向奥氏体分配；然后将钢淬火至250℃的盐浴中，保温3600s，使碳从马氏体向为转变的奥氏体分配；然后将钢淬火至200℃的盐浴中，保温10000s，使碳从马氏体向为转变的奥氏体分配；最后，置于水中淬火至室温。

实施例5：0.19C-1.61Mn-0.35S-1.1Al钢的二级淬火-分配工艺

0.19C-1.61Mn-0.35S-1.1Al钢是一种传统形变诱导塑性(TRIP)钢，所含铝元素可在碳分配过程中抑制碳化物的形成，M_s点约为260℃。

用Koistinen-Marburger公式计算得知，淬火至225℃时，马氏体的转变量约30％；淬火至125℃时，马氏体的转变量约占70％。设定一次分配温度和二次分配温度皆为380℃，根据碳在奥氏体中的分配动力学公式，计算得到在一次和二次分配温度下分别保温30s时，可实现生碳的不完全分配，实现最终组织调控目标。

选取0.19C-1.61Mn-0.35S-1.1Al钢样品5个，将样品放置于加热至900℃的电炉中，保温12min，完全奥氏体化；然后置于225℃的盐浴炉中，保温10s，使钢均匀淬火至225℃，此时形成的一次马氏体占总体积的30％；然后将样品置于380℃的盐浴炉中，保温30s，使碳从一次马氏体向奥氏体分配；然后将钢淬火至125℃的盐浴中，形成40％的二次马氏体，此时马氏体的总量为70％；然后将钢置于380℃的盐浴炉中，保温30s，使碳从马氏体向未转变的奥氏体分配；最后，置于水中淬火至室温。热处理后的样品进行了X-射线和TEM检测，发现组织中有大量残余奥氏体，几乎没有发现碳化物。

事实上，硅、铝，甚至磷等元素皆可在淬火及碳分配的过程中抑制碳化物的形成，使得含有这些元素的钢经过分级淬火-分配后，获得大量的残余奥氏体和高碳马氏体，从而大幅度的提高综合力学性能。

Claims

1.含抑制碳化物形成元素钢的分级淬火-分配热处理工艺，其特征在于，

将含抑制碳化物形成元素钢加热到奥氏体化温度；然后依次进行N次淬火-分配，N为大于等于2的自然数；淬火温度分别为QT1、QT2......QTN，其满足M_s＞QT1＞QT2＞...QTN＞M_f，M_s为马氏体形成开始温度，M_f为马氏体形成结束温度，分配温度分别为：PT1、PT2......PTN，分配温度范围满足M_f+30℃～M_s+200℃，分配时间小于完全分配时间；所述每一次淬火，部分奥氏体形成马氏体，紧随淬火的每一次分配，碳从形成的马氏体向附近的未转变奥氏体分配，使得被分配碳的奥氏体碳含量大于原始的奥氏体；经过N次淬火-分配后，含抑制碳化物形成元素钢微观组织结构为：以低碳马氏体为主，细小块状的高碳马氏体为增强相，大量分布合理的残余奥氏体为增韧相。

2.如权利要求1所述的含抑制碳化物形成元素钢的分级淬火-分配热处理工艺，其特征在于，含有以下步骤：

3.如权利要求2所述的含抑制碳化物形成元素钢的分级淬火-分配热处理工艺，其特征在于：将含抑制碳化物形成元素钢加热到奥氏体化温度，是在电炉中进行，淬火和分配步骤是在盐浴炉中进行。

4.如权利要求1所述的含抑制碳化物形成元素钢的分级淬火-分配热处理工艺，其特征在于，含有以下步骤：

5.如权利要求4所述的含抑制碳化物形成元素钢的分级淬火-分配热处理工艺，其特征在于：

将含抑制碳化物形成元素钢加热到奥氏体化温度，是在电炉中进行，淬火和分配步骤是在盐浴炉中进行。