CN102876981A - 一种具有硬化表面层的中低碳铬硅锰马氏体铸钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有硬化表面层的中低碳铬硅锰马氏体铸钢的制备方法，包括如下组分（wt%）：C：0.26～0.4、Si：0.95～1.3、Mn：0.70～1.20、Cr：0.70～1.10、杂质：<0.05、余量为Fe；然后通过熔炼——铸件——清砂打磨——830℃～860℃的温度下保温550～600s——在180～230℃温度下进行等温淬火或者不完全淬火，保温120s～240s——在340℃～430℃的温度区间内，保温180s～300s——淬火至室温——横流、管板式、多模连续二氧化碳激光器对钢件表面进行扫描式加热的步骤制备而成；经本发明的方法处理后的钢件保持高强度的同时兼具一定的塑性，同时表面硬度高，并且工件保持不变形，综合力学性能比传统工艺显著提高。

Description

一种具有硬化表面层的中低碳铬硅锰马氏体铸钢的制备方法

技术领域

本发明涉及一种马氏体铸钢的制备方法，属于钢制造领域，尤其涉及一种同时具有高强度和高塑韧性、并且表面硬度高的中低碳铬硅锰马氏体铸钢的制备方法。 

背景技术

在耐磨材料生产中，中低碳铬硅锰马氏体铸钢占有相当大的比重。中低碳马氏体钢通常用于高强度的调质钢，具有很高的强度和韧性，淬透性较高，冷变形塑性中等，切削加工性能良好。由于它不含贵金属元素，价格便宜，多用于制造高负荷、高速的各种重要零件，如齿轮、轴、离合器、链轮、砂轮轴、轴套、螺栓、螺母等，也用于制造耐磨、工作温度不高的零件，变载荷的焊接构件，如高压鼓风机的叶片、阀板以及非腐蚀性管道管子，还应用于航空飞机轴、梁和起落架等以及航天火箭、原子能工业等关键承力构件，是最早商品化的一类低合金超高强度钢。

众所周知，马氏体有两种亚结构，一种孪晶马氏体，其硬度高脆性大；一种为位错马氏体，其硬度高韧性好。国内马氏体耐磨钢不含Ni，且铸钢成分不均匀，故孪晶马氏体含量比例较高，韧性初步不足。另外，中低碳铬硅锰马氏体铸钢有回火脆性倾向，传统热处理工艺一般为淬火后再进行回火处理。但是传统的热处理工艺不能兼顾高强度与良好塑韧性的要求：若降低回火温度保持其抗拉强度1500-1600MPa左右，则塑性较低(延伸率仅3％-6％左右)、裂纹敏感性很高易发生低应力脆断；若提高回火温度可改善塑性(延伸率＞10％)，但强度大幅下降至1000-1100MPa。为此，需要开发简便易行的不完全淬火-等温配分热处理新工艺，在保证适当塑性的前提下大幅提高钢的拉伸强度，或者在保证高强度的同时显著改善塑性和韧性，从而实现高强度、高塑韧性的不同配合。

另外，中低碳铬硅锰马氏体铸钢大多用于承受多种工作载荷，受载情况比较复杂，要提高工件表面的承载能力，需要对其表面进行硬化处理，而传统的硬化处理工艺，如渗碳、氮化等表面化学处理和感应表面淬火、火焰表面淬火等，都存在热处理后工件表面变形较大等问题，从而影响工件的精度和使用寿命。

发明内容

本发明是要解决现有技术中存在的不足之处，提供了一种具有硬化表面层的中低碳铬硅锰马氏体铸钢的制备方法。 

本发明的技术方案为：一种具有硬化表面层的中低碳铬硅锰马氏体铸钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）根据以下组分配置原料（wt%）：

C：0.26～0.4 　　

Si：0.95～1.3 　　

Mn：0.70～1.20  

Cr：0.70～1.10

杂质：<0.05

余量为Fe；

在中频无芯感应炉熔炼，先熔炼碳素钢，铬铁随料装入，炉料熔清后，炉温达到1580~1600℃加入硅铁、锰铁，硅铁、锰铁料块大小为50~60mm，然后进行熔炼合金化；

2）用铝脱氧后出炉，采用粘土砂、潮型，浇铸成铸件，冷却后进行清砂、打磨表面处理；

3）将制得的铸件钢在830℃～860℃的温度下保温550～600s完成全部奥氏体化处理；

4）经过步骤3）后，再在180～230℃温度下进行等温淬火或者不完全淬火，保温120s～240s；

5）将经过步骤4）处理的钢件，在340℃～430℃的温度区间内，保温180s～300s，然后再淬火至室温；

6）在氩气的环境下，采用横流、管板式、多模连续二氧化碳激光器对钢件表面进行扫描式加热，扫描速度为14mm/s，激光器的功率为150W，氩气的流量为5~15L/min。

本发明通过大量试验，先通过适当的组分及配比制得中低碳铬硅锰马氏体铸钢铸件，然后在热处理工艺中，将制得的铸件钢加热至830℃～860℃，即高于A_C3以上40℃～70℃的温度下保温550～600s，以完成全部奥氏体化处理，其中A_C3为亚共析钢加热时，所有铁素体都转变为奥氏体的温度；然后在180～230℃，即低于铸钢的上马氏体点M_s以下120-70℃的温度下进行等温淬火或者不完全淬火，保温120s～240s，得到部分马氏体和未转变奥氏体，然后在340℃～430℃的温度区间内保温，使碳从先形成马氏体向未转变奥氏体中扩散并使之稳定化，最后淬火到室温，得到由马氏体和富碳奥氏体组成的复相组织。相对于传统淬火回火工艺，本发明的热处理工艺能使马氏体钢在保持强度水平的前提下明显改善塑韧性。最后，通过激光对钢件表面进行硬化处理，使得钢件表面的性能进一步提升，而且采用激光表面淬火工艺，其加热、冷却速度快，不需要外部淬火介质，工件变形小，工作环境洁净，处理后不需要其他加工工序。

本发明的有益效果在于，经本发明的方法制得的中低碳铬硅锰马氏体铸钢的拉伸强度达1600MPa以上，同时塑性为10％以上，并且表面激光淬火区的平均硬度为570-600HV，明显高于基体硬度450HV。在保证该系列钢种保持高强度的同时兼具一定的塑性，且综合力学性能比传统淬火回火热处理工艺显著提高。 

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。 

 实施例1 

1）根据以下组分配置原料（wt%）：

C：0.26 　　

Si：0.95 　　

Mn：0.70  

Cr：0.70

杂质：<0.05

余量为Fe；

在中频无芯感应炉熔炼，先熔炼碳素钢，铬铁随料装入，炉料熔清后，炉温达到1580℃加入硅铁、锰铁，硅铁、锰铁料块大小为60mm，然后进行熔炼合金化；

2）用铝脱氧后出炉，采用粘土砂、潮型，浇铸成铸件，冷却后进行清砂、打磨表面处理；

3）将制得的铸件钢在830℃的温度下保温550s完成全部奥氏体化处理；

4）经过步骤3）后，再在180℃温度下进行等温淬火或者不完全淬火，保温120s；

5）将经过步骤4）处理的钢件，在340℃的温度区间内，保温180s，然后再淬火至室温；

6）在氩气的环境下，采用横流、管板式、多模连续二氧化碳激光器对钢件表面进行扫描式加热，扫描速度为14mm/s，激光器的功率为150W，氩气的流量为5L/min。

经过上述步骤，得到的钢件为由低碳马氏体和富碳奥氏体组成的复相组织，经测试，抗拉强度为1640MPa，并且塑性达到11.9％，并且表面激光淬火区的平均硬度为570HV，明显高于基体硬度。

实施例2 

1）根据以下组分配置原料（wt%）：

C：0.28 　　

Si：1.1 　　

Mn：0.90  

Cr：0.95

杂质：<0.05

余量为Fe；

在中频无芯感应炉熔炼，先熔炼碳素钢，铬铁随料装入，炉料熔清后，炉温达到1590℃加入硅铁、锰铁，硅铁、锰铁料块大小为50mm，然后进行熔炼合金化；

2）用铝脱氧后出炉，采用粘土砂、潮型，浇铸成铸件，冷却后进行清砂、打磨表面处理；

3）将制得的铸件钢在840℃的温度下保温580s完成全部奥氏体化处理；

4）经过步骤3）后，再在210℃温度下进行等温淬火或者不完全淬火，保温180s；

5）将经过步骤4）处理的钢件，在390℃的温度区间内，保温230s，然后再淬火至室温；

6）在氩气的环境下，采用横流、管板式、多模连续二氧化碳激光器对钢件表面进行扫描式加热，扫描速度为14mm/s，激光器的功率为150W，氩气的流量为15L/min。

经过上述步骤，得到的钢件基体为由低碳马氏体和富碳奥氏体组成的复相组织，经测试，抗拉强度为1730MPa，并且塑性达到13.1％，并且表面激光淬火区的平均硬度为600HV，明显高于基体硬度。

实施例3 

1）根据以下组分配置原料（wt%）：

C： 0.4 　　

Si： 1.3 　　

Mn： 1.20  

Cr： 1.10

杂质：<0.05

余量为Fe；

在中频无芯感应炉熔炼，先熔炼碳素钢，铬铁随料装入，炉料熔清后，炉温达到1600℃加入硅铁、锰铁，硅铁、锰铁料块大小为60mm，然后进行熔炼合金化；

2）用铝脱氧后出炉，采用粘土砂、潮型，浇铸成铸件，冷却后进行清砂、打磨表面处理；

3）将制得的铸件钢在860℃的温度下保温600s完成全部奥氏体化处理；

4）经过步骤3）后，再在230℃温度下进行等温淬火或者不完全淬火，保温240s；

5）将经过步骤4）处理的钢件，在440℃的温度区间内，保温180s～300s，然后再淬火至室温；

6）在氩气的环境下，采用横流、管板式、多模连续二氧化碳激光器对钢件表面进行扫描式加热，扫描速度为14mm/s，激光器的功率为150W，氩气的流量为15L/min。

经过上述步骤，得到的钢件基体为由低碳马氏体和富碳奥氏体组成的复相组织，经测试，抗拉强度为1710MPa，并且塑性达到12.7％，并且表面激光淬火区的平均硬度为590HV，明显高于基体硬度。

Claims (1)

1.一种具有硬化表面层的中低碳铬硅锰马氏体铸钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）根据以下组分配置原料（wt%）：

C：0.26～0.4 　　

Si：0.95～1.3 　　

Mn：0.70～1.20  

Cr：0.70～1.10

杂质：<0.05

余量为Fe；

在中频无芯感应炉熔炼，先熔炼碳素钢，铬铁随料装入，炉料熔清后，炉温达到1580~1600℃加入硅铁、锰铁，硅铁、锰铁料块大小为50~60mm，然后进行熔炼合金化；

2）用铝脱氧后出炉，采用粘土砂、潮型，浇铸成铸件，冷却后进行清砂、打磨表面处理；

3）将制得的铸件钢在830℃～860℃的温度下保温550～600s完成全部奥氏体化处理；

4）经过步骤3）后，再在180～230℃温度下进行等温淬火或者不完全淬火，保温120s～240s；

5）将经过步骤4）处理的钢件，在340℃～430℃的温度区间内，保温180s～300s，然后再淬火至室温；

6）在氩气的环境下，采用横流、管板式、多模连续二氧化碳激光器对钢件表面进行扫描式加热，扫描速度为14mm/s，激光器的功率为150W，氩气的流量为5~15L/min。