CN102021479A - 一种含Si中碳钢及其获得高强高塑性的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种含Si中碳钢及其获得高强高塑性的热处理方法，属于中碳钢技术领域。化学组成为：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％，余量为Fe。热处理工艺为：在850-900℃范围内奥氏体化10-20分钟；将奥氏体化的材料快速放入250-350℃盐液中盐浴淬火20-60秒钟；从250-300℃盐液中取出，放入250-350℃的空气炉内保温10-20分钟，取出后水冷至室温。优点在于，既实现材料获得高强高塑性的下贝氏体+稳定化奥氏体组织，得到较好的强韧性，替代用户复杂的热处理，同时用电阻炉保温部分代替等温淬火在盐浴炉内等温时间，降低了盐浴炉产压力，优化了盐浴淬火工艺；使该钢的强度达到1500MPa以上，面缩率达到40％以上。
Description
技术领域
本发明属于中碳钢技术领域，特别是涉及一种含Si中碳钢及其获得高强高塑性的热处理方法，针对材料获得下贝氏体+稳定奥氏体组织和高强高塑性的热处理工艺。
背景技术
中碳钢的热处理一直是工程和生产上重点的研究，传统的热处理工艺主要是淬火+回火工艺，最典型就是用于冷镦紧固件淬火回火和磨具、刃具的盐浴处理。这种热处理按照工艺要求和使用环境得到回火马氏体、回火屈氏体和回火索氏体，按照用户的要求，调整淬火和回火的工艺参数可以使组织具备高强度、高塑性、较好的冲击韧性和松弛性等优良性能。这其中涉及的是金属材料的强化方式，一般说来，主要有固溶强化、细晶强化、析出强化、位错强化、相变强化等，所以，热处理强化方式属于固溶强化和析出强化，但是一直以来存在热处理工序复杂，能耗大，成本高，强化能力有限等缺点。通过盐浴冷却外加保温处理获得下贝氏体+稳定的奥氏体组织，发挥了贝氏体单元的细晶强化、贝氏体铁素体过饱和碳的固溶强化和位错强化，同时也利用了稳定后奥氏体的组织强化，可以部分替代淬回火工艺，使材料具备更好的强度和韧性。
另外，盐浴保温时间一直是影响工程和生产的主要问题，专利“一种工业用9SiCr短时下贝氏体的等温热处理工艺”也讲述了一种通过盐浴获得良好综合力学性能指标的热处理工艺方法，但是盐浴等温时间最短需要5分钟，盐浴时间太长，专利“含钼贝氏体低合金钢及热处理工艺”也介绍了一种获得贝氏体的盐浴工艺，但是材料本身除了加入大量昂贵的Mo合金元素外，组织的转变过程也是在盐浴槽中完成，处理时间很长，很大程度上限制了这些工艺在工业上的应用前景。
众所周知合金元素Si和C是比较廉价的，冶炼过程成分也比较好控制，制造成本相对较低，同时如果能够利用这种材料实现高强高塑性的力学性能来部分替代传统热处理的工艺，无疑具有很好的发展前景，关键是这种合金材料盐浴过程和等温过程的作用进行入分析，明确各个工艺阶段对材料组织转变过程的影响。下贝氏体的形核过程前的孕育阶段和形核初期保证相对比较稳定的工艺参数，使其在盐浴炉内完成，满足下贝氏体组织热力学条件后，其贝氏体相变过程在相对较宽的工艺窗口下完成(考虑到工业空气炉温控制精度)，即在空气保温炉内完成，在这一过程中，既实现组织转变，同时剩余的残余奥氏体实现稳定化过程，而且相对传统工艺稳定化温度更低。传统的稳定化过程总是在材料冷却至室温后，再加热到稳定化工艺温度，长时间保温，而本发明将这一过程简化，达到材料对耐热性能、松弛性能要求的同时，工艺更简单。
本发明在深入分析一种含Si中碳钢贝氏体相变热力学和动力学的基础上，实现盐浴过程快速冷却和保温功能的分离，在最大限度的考虑实际大生产条件的前提下，实现金属材料高强高塑性。虽然国内外对钢的贝氏体相变和等温淬火研究很多，但是没有关于中碳含Si钢获得下贝氏体+稳定奥氏体的热处理工艺报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含Si中碳钢及其获得高强高塑性的热处理方法，使得材料获得下贝氏体和稳定的奥氏体，提高材料强度的同时，使材料更具备较好的塑性，减少了传统热处理高能耗，优化了贝氏体盐浴淬火工艺。
本发明所述的含Si中碳钢化学组成为：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％，余量为Fe。
热处理工艺为：第一步是奥氏体化处理，对材料在空气气氛下进行常规的电阻炉加热至850-900℃，保温10-20分钟；第二步是奥氏体的快速冷却处理，将材料快速放入250-350℃的盐液中保温40-60秒钟；第三步等温淬火后的保温，在常规的电阻炉中进行250-350℃保温，保温时间为5-20分钟，获得下贝氏体和稳定化奥氏体，最后水冷至室温。以上三步都在空气环境中进行。
本发明的优点在于，第一步和第三步是在电阻加热炉内完成，第二步在盐浴炉内完成。既实现材料获得高强高塑性的下贝氏体+稳定化奥氏体组织，得到较好的强韧性，替代用户复杂的热处理，同时用电阻炉保温部分代替等温淬火在盐浴炉内等温时间，降低了盐浴炉的生产压力，优化了盐浴淬火工艺，工艺稳定，环保节能。
通过在850-900℃奥氏体化后的盐浴快速冷却和保温炉内的贝氏体转变得到下贝氏体和稳定化奥氏体组织(如图1、2所示)，提高了材料的强度和塑性，减少了能源消耗，优化了贝氏体淬火工艺；使强度达到1500Mpa以上，面缩率达到40％以上。
附图说明
图1为本发明获得的下贝氏体和稳定化奥氏体的扫描电镜组织照片(300℃)。可以发现两种组织主要贝氏体和残余奥氏体，处理的工艺不同，组织形态也发生明显的变化，盐浴温度越低，贝氏体单元的尺寸越小。
图2为本发明获得的下贝氏体和稳定化奥氏体的扫描电镜组织照片(250℃)。
图3为一种含Si中碳钢获得高强高塑性的热处理工艺图。其中，
TA：奥氏体化温度，850-900℃；
TB：盐浴淬火温度，250-350℃；
Tc：保温温度，250-350℃；
t0：奥氏体处理时间，20分钟；
t1：盐浴淬火时间40-60秒；
t2：保温时间，10-20分钟。
以下将结合本发明的实例参照附图进行详细叙述。
图4为材料的拉拔应力应变曲线(300℃)。
图5为材料的拉拔应力应变曲线(250℃)。
图6为材料的拉拔断口形貌，分为纤维区、放射区、剪切唇，为典型塑性失效断口形貌。
图7为奥氏体稳定后的内部结构(300℃)，黑色条状奥氏体带中位错被稳定化。
具体实施方式
本发明的热处理工艺过程为：材料奥氏体化，然后盐浴冷却，冷至下贝氏体相变区间，在进入空气保温炉进行等温相变，在首钢盐浴实验室获得下贝氏体+稳定化奥氏体组织和良好的综合力学性能。其化学成分如下表所示：
表1材料化学成分，余量Fe。
| 元素 | C | Si | Mn | Cr | P | S |
| 含量 | 0.5％ | 1.4％ | 0.4％ | 0.3％ | 0.013％ | 0.004％ |
实施例1
热处理过程分三步完成：
第一步，奥氏体化处理，是对材料在空气条件下使用常规的电阻炉加热至850℃等温20分钟，使材料获得均匀的奥氏体组织。
第二步，奥氏体化后盐浴处理，是对材料从850℃快速冷至下贝氏体转变温度区间，保温40秒，获得均匀的过冷奥氏体。
第三步，下贝氏体和稳定化奥氏体转变，将盐浴冷却后的材料放入300℃的空气保温炉内保温5分钟，发生下贝氏体转变和奥氏体稳定化(如图1和图7)，然后水冷至室温，强度达到1600Mpa左右，延伸率10.8％(图4)，面缩率达到45％(图6)。
以上所说的三步优选在空气环境进行。
实施例2
热处理过程分三步完成：
第一步，奥氏体化处理，是对材料在空气条件下使用常规的电阻炉加热至900℃等温10分钟，使材料获得均匀的奥氏体组织。
第二步，奥氏体化后盐浴处理，是对材料从850℃快速冷至下贝氏体转变温度区间，保温60秒，获得均匀的过冷奥氏体。
第三步，下贝氏体和稳定化奥氏体转变，将盐浴冷却后的材料放入250℃的空气保温炉内保温20分钟，发生下贝氏体转变和奥氏体稳定化(图2)，然后水冷至室温，强度达到1700Mpa左右，延伸率10.5％(图4)，面缩率达到37％。
以上所说的三步优选在空气环境进行。
由图4和图5可以看出材料先是拉伸弹性变性阶段，应力随着应变急剧增加，后进入拉伸平台，材料在一定的应力范围内缓慢增加，这一阶段过程中材料组织会发生变化，通常包括软相铁素体的形变，位错的长程运动，残余奥氏体向马氏体的转变等形变诱导性相变过程的发生，最后应力急剧下降，材料失效断裂。
Claims (2)
1.一种一种含Si中碳钢，其特征在于，化学组成为：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％，余量为Fe。
2.一种权利要求1所述含Si中碳钢获得高强高塑性的热处理方法，其特征在于，工艺步骤为：第一步为奥氏体化处理，处理温度为850-900℃，保温10-20min；第二步为将上述奥氏体化的材料快速放入250-350℃的盐液中保温40-60s；第三步是将上述盐浴后的材料放入250-350℃的马弗炉中保温5-20min，然后水冷至室温；
所述的含Si中碳钢化学组成为：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％，余量为Fe。
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