CN102660666A - 提高石墨易切削钢力学性能的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高石墨易切削钢力学性能的热处理方法，该方法包括如下步骤：1）亚温淬火：将石墨易切削钢切削加工后，升温到（Ac3-60℃）~Ac3进行保温，然后，水冷至室温；所述Ac3为石墨易切削钢在实际加热过程中的相变温度，单位为℃；2）高温回火：再将石墨易切削钢加热到450~600℃进行保温；3）水冷至室温。本发明采用亚温淬火-高温回火的工艺路线，可以减小经淬火后的石墨易切削钢的内应力，降低脆性，提高塑性、韧性和组织的稳定性，使石墨易切削钢具有良好的强韧性配合和较高的疲劳强度，达到最佳的使用性能，克服了传统易切削钢虽然切削性能优良，但疲劳强度偏低的问题。
Description
技术领域
本发明属于钢铁热处理技术领域，具体涉及一种提高石墨易切削钢力学性能的热处理方法。
背景技术
易切削钢主要是通过在钢中单独或复合添加如S、P、Pb、Se、Te、Bi等易切削元素来提高材料的切削性能。易切削元素的加入，增加了钢的不纯净度，使材料的基本性能低于基体钢，难以满足对强度、韧性有严格要求的机械结构用钢领域。如硫系切削钢的力学性能各向异性显著，特别是横向冲击韧性比纵向时的显著降低。此外，现有普通易切削钢中的易切削元素在钢中以夹杂（如硫系易切削钢、钙系易切削钢等）或单质（如铅系易切削钢）的形式存在，而这些夹杂或单质，在拉伸或负载条件下导致应力集中而形成裂纹，从而导致钢力学性能的下降，尤其是疲劳强度的下降。例如，具有与铅系易切削钢同等以上切削性能的石墨易切削钢，一方面，由于将钢中的碳变成了石墨，因此，可利用石墨粒子的润滑作用及其在材料中的缺口作用(可视为应力集中源)来提高材料的切削性能；另一方面，由于石墨在钢中以“夹杂”的形式存在，增加了钢的不纯净度，使钢的力学性能降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高石墨易切削钢力学性能的热处理方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
1）亚温淬火：将石墨易切削钢切削加工后，升温到（Ac3-60℃）~Ac3进行保温，以使石墨易切削钢形成15~35%的铁素体与85~65%的奥氏体的混合组织，然后，水冷至室温；所述Ac3为石墨易切削钢在实际加热过程中的相变温度，单位为℃；
2）高温回火：再将石墨易切削钢加热到450~600℃进行保温；
3）水冷至室温。
优选地，所述步骤1）中，保温时间为d×（7~9.5）min，所述d为石墨易切削钢的直径，单位为mm。
优选地，所述步骤2）中，保温时间为d×（5~7.5）min，所述d为石墨易切削钢的直径，单位为mm。
优选地，所述步骤3）中，水冷降温的冷却速率为50~500℃/s，这样可以避免第二类回火脆性。
本发明采用亚温淬火-高温回火的工艺路线，通过将石墨易切削钢的再加热温度控制在（Ac3-60℃）~Ac3之间，使石墨易切削钢形成15~35%的铁素体与85~65%的奥氏体的混合组织，且形成的奥氏体的晶粒尺寸比正常淬火时的更为细小。混合组织中由于存在着弥散分布的铁素体，使钢中的晶界和相界数目大大增加，从而提高了钢的强度、塑性及疲劳强度，尤其是提高了钢的疲劳强度。此外，当含有弥散分布的铁素体石墨易切削钢承受接触应力时，局部的应力集中可以因铁素体发生塑变而松弛；虽然铁素体易萌生显微裂纹，但在萌生显微裂纹前，在较大应变区内铁素体的塑变过程要消耗大量能量，从而降低了主应力面上的应力，提高了钢的疲劳强度。经高温回火，可以进一步减小经淬火后的石墨易切削钢的内应力，降低脆性，提高塑性、韧性和组织的稳定性。回火后冷却，可以避免因元素偏聚而导致的回火脆性，从而使石墨易切削钢具有良好的强韧性配合和较高的疲劳强度，达到最佳的使用性能。根据本发明处理的石墨易切削钢，其强度大于900MPa，塑性大于12%，疲劳强度可达600MPa以上，克服了传统易切削钢虽然切削性能优良但疲劳强度偏低的问题。
附图说明
图1是实施例1回火后的金相组织显微结构示意图（2~4%的硝酸酒精侵蚀）。
图2是实施例2回火后的金相组织显微结构示意图（2~4%的硝酸酒精侵蚀）。
图3是实施例3回火后的金相组织显微结构示意图（2~4%的硝酸酒精侵蚀）。
图4是实施例4回火后的金相组织显微结构示意图（2~4%的硝酸酒精侵蚀）。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
选用钢的化学成份按质量百分数为：0.453%C，1.70%Si，1.5%Al，0.34%Mn，<0.020%P，<0.035%S，余量为Fe。首先对选用的钢进行石墨化处理并切削加工成直径为10mm的棒状石墨易切削钢，该石墨易切削钢的Ac3为1045℃；然后，将该石墨易切削钢加热到1000℃并保温80min后水冷淬火；再然后，加热到600℃并保温50min，最后，以50℃/s的冷却速率水冷到室温。经以上步骤热处理后，石墨易切削钢的疲劳强度为610MPa，其金相显微组织如图1所示。此时，组织中铁素体的体积分数为18%。其它力学性能如表1所示。
实施例2
选用钢的化学成份按质量百分数为：0.46%C，1.75%Si，1.4%Al，0.30%Mn，0.0036%B，0.0066%N，<0.020%P，<0.035%S，余量为Fe。首先对选用的钢进行石墨化处理并切削加工成直径为12mm的棒状石墨易切削钢，该石墨易切削钢的Ac3为1030℃；然后将该石墨易切削钢加热到980℃并保温100min后水冷淬火；再然后，加热到450℃并保温70min；最后，以100℃/s的冷却速率水冷到室温。经以上步骤热处理后，石墨易切削钢的疲劳强度为650MPa，其金相显微组织如图2所示。此时，组织中铁素体的体积分数为25%。其它力学性能如表1所示。
实施例3
选用钢的化学成份如实施例1。首先对选用的钢进行石墨化处理并切削加工成直径为15mm的棒状石墨易切削钢，该石墨易切削钢的Ac3为1045℃；然后，将该石墨易切削钢加热到950℃并保温120min后水冷淬火；再然后，加热到450℃并保温80min；最后，以500℃/s的冷却速率水冷到室温。经以上步骤热处理后，石墨易切削钢的疲劳强度为680MPa，其显微组织如图3所示。此时，其金相显微组织中铁素体的体积分数为35%。其它力学性能如表1所示。
实施例4
选用钢的化学成份按质量百分数为：0.46%C，1.75%Si，0.30%Mn，0.0036%B，0.0066%N，<0.020%P，<0.035%S，余量为Fe。首先对选用的钢进行石墨化处理并切削加工成直径为20mm的棒状石墨易切削钢，该石墨易切削钢的Ac3为860℃；然后，将该石墨易切削钢加热到850℃并保温150min后水冷淬火；再然后。加热到450℃保温并150min；最后，以200℃/s的冷却速率水冷到室温。经以上步骤热处理后，石墨易切削钢的疲劳强度为620MPa，其金相显微组织如图4所示。此时，组织中铁素体的体积分数为15%。其它力学性能如表1所示。
由表1可知，采用本发明方法对石墨易切削钢进行处理后，其屈服强度可达600MPa以上、抗拉强度可达900MPa以上、延伸率可达15%以上、断面收缩率可达28%以上，高于Y45国标。
另外，由于本领域内石墨易切削钢一般需车床加工成圆棒形使用，因此本发明的亚温淬火和高温回火步骤的保温时间都与石墨易切削钢的直径成正比。当然，如果石墨易切削钢不是加工成圆棒型，而是其它形状，本领域内的技术人员也容易知道，为使石墨易切削钢形成15~35%的铁素体与85~65%的奥氏体的混合组织和减小经淬火后的石墨易切削钢的内应力，以降低脆性、提高塑性、韧性和组织的稳定性，而相应调整保温的时间，比如板型钢，保温的时间与其板厚成正比。
表1
| 实施例 | 屈服强度(MPa) | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(%) | 断面收缩率(%) |
| 实施例1 | 670 | 935 | 15 | 30 |
| 实施例2 | 700 | 950 | 15.5 | 28 |
| 实施例3 | 675 | 950 | 15 | 30 |
| 实施例4 | 600 | 900 | 18 | 35 |
| Y45国标 | 500-800 | ＞12 | ＞20 |
Claims (5)
1.一种提高石墨易切削钢力学性能的热处理方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
1）亚温淬火：将石墨易切削钢切削加工后，升温到（Ac3-60℃）~Ac3进行保温，以使石墨易切削钢形成15~35%的铁素体与85~65%的奥氏体的混合组织，然后，水冷至室温；所述Ac3为石墨易切削钢在实际加热过程中的相变温度，单位为℃；
2）高温回火：再将石墨易切削钢加热到450~600℃进行保温；
3）水冷至室温。
2.根据权利要求1所述的提高石墨易切削钢力学性能的热处理方法，其特征在于：所述步骤1）中，保温时间为d×（7~9.5）min，所述d为石墨易切削钢的直径，单位为mm。
3.根据权利要求1或2所述的提高石墨易切削钢力学性能的热处理方法，其特征在于：所述步骤2）中，保温时间为d×（5~7.5）min，所述d为石墨易切削钢的直径，单位为mm。
4.根据权利要求1或2所述的提高石墨易切削钢力学性能的热处理方法，其特征在于：所述步骤3）中，水冷降温的冷却速率为50~500℃/s。
5.根据权利要求3所述的提高石墨易切削钢力学性能的热处理方法，其特征在于：所述步骤3）中，水冷降温的冷却速率为50~500℃/s。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张永军等: "机械结构用无铅易切削钢的发展", 《材料导报》, vol. 19, no. 12, 31 December 2005 (2005-12-31), pages 68 - 71 * |
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