CN1030097A - 马氏体型钢形变退火新工艺 - Google Patents

Abstract

本发明系马氏体型钢在热加工变形后的退火新 工艺。其特征是分两个阶段进行退火处理：第一阶段 是在热加工后，利用余热，在该钢马氏体相变温度 Ms至680℃之间的任一温度保温；第二阶段是在 700℃至Ac1温度之间的任一温度保温。它克服了 传统工艺在热加工后冷却到室温，导致马氏体相变所 带来的一系列弊病。既能避免钢在热加工后产生裂 纹，得到合适的硬度，又能改善钢的组织和性能，提高 钢的质量和成材率，并能降低能耗。

Description

本发明属于钢的热处理工艺。主要适用于马氏体型钢（如高速工具钢、模具钢、高淬透性结构钢和马氏体不锈钢等）的钢锭、中间坯、钢材和工件在锻造、热轧及其它各种形式的热加工变形之后的退火处理。

通常，上述马氏体型钢在各种热加工变形之后，都是缓冷到室温，然后进行退火处理。退火的目的是：消除由于热加工和随后冷却而产生的各种应力和不良组织，降低硬度，提高塑性，改善钢中碳化物的分布和形态，为下一步加工处理准备条件，如为冷机加工和冷拔、冷轧加工等提供硬度和塑性合适的坯料;为下一步热处理做好组织准备。

为了达到上述目的，现有技术中一般采用如下传统的热处理工艺〔（S·G考普著《高速钢的热处理》冶金工业出版社，P120～125）、（《热处理》1973，VoL13，No.1，P61日文）〕：

（1）对于碳和合金元素含量较高的高速钢和模具钢等，由于在热加工变形之后的冷却过程中产生了马氏体相变，所以在退火时，需将坯或材从室温加热到相变点（Acl）以上进行高温退火。一般在高温保温约5小时，然后控制温度缓慢冷却，冷却速度约为15～20℃/小时。因此，退火时间很长。

（2）对于淬透性较高的马氏体型钢，一般是采用高温回火方式退火，即从室温升温至高达700℃至Acl点之间的某温度保温退火。有时需反复几次，退火硬度才能降下来。

这种传统的热处理工艺存在如下缺点：

（1）热加工后冷却到室温，在钢中产生了马氏体相变，容易导致钢中产生裂纹，造成废品。所以必须控制冷却条件，使冷却速度不致于过快，通常是采用坑冷或堆冷等。但即便这样，冷却速度仍难以控制，若不合适，仍会产生裂纹，有时，裂纹率很高。另外，由于钢中产生了马氏体相变，还会影响钢的其它性质，如塑性等。

（2）对于多数的马氏体型钢，如高速钢和模具钢等，必须进行相变点（Acl）以上的高温退火，退火温度在850℃左右，有时高达870～880℃，并需长时间缓慢冷却，生产周期有时长达60小时以上。这样，一是周期长，生产效率低，能耗高;二是退火温度高，使碳化物变粗，影响钢的组织和性能，影响钢的使用寿命;同时，还使钢的脱碳和氧化现象严重。

（3）对于淬透性很高的钢或Acl较低的钢，虽然是在相变点以下温度退火，但通常需处理几次才能使退火硬度降下来，生产周期加长。即使这样，退火硬度有时仍然较高，未能达到要求。

（4）热加工后的钢坯、钢材或工件堆放在现场冷却，一是余热白白散掉，造成浪费;二是使环境温度上升，劳动条件较差。

总之，这种传统工艺的明显缺点是热加工变形与随后的退火处理脱节，在钢中产生了马氏体相变，由此带来了一系列的问题，造成了浪费和麻烦，并使钢的某些性能下降。

对于某些高速钢工件，也有在热加工之后，直接在750℃左右进行等温退火处理的。这种处理虽然能使退火硬度达到要求，但钢中发现形状不规则的二次碳化物沿奥氏体晶界析出，数量较少，且分布不均匀，影响了钢的质量，并且在实际生产中也难以实现。

本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种马氏体型钢热加工变形后的退火新工艺。将热加工变形与随后的退火处理紧密衔接起来，使得在热加工后钢中基本不产生马氏体相变。这样，既能避免钢坯、钢材或工件在热加工后产生裂纹，得到合适的退火硬度，又能改善被处理钢的组织和性能，使钢中析出的二次碳化物，不但细小弥散，数量多，而且分布均匀，能够提高钢的淬回火硬度，提高塑性;在完全满足下步工序要求的同时，还能达到节约能源，减少设备损耗，缩短生产周期和显著提高经济效益的目的。

本发明的具体形变退火工艺方案分两个阶段，即第一阶段（低温段）和第二阶段（高温段）。现分述如下：

（1）第一阶段（低温段）：在热加工之后，将钢料置于炉中，利用余热，在该钢马氏体相变点温度Ms至680℃之间的任一温度下保温0.5～10小时。

（2）第二阶段（高温段）：紧接第一阶段，将钢料由第一阶段所进行的保温温度升到700至Acl点温度之间的任一温度，并保温2-10小时，随后炉冷或空冷。

形变退火新工艺第一阶段的作用及其温度范围选择依据如下：钢在热加工之后冷却到马氏体相变点以上温度至680℃保温，不产生（或极少产生）马氏体相变，使二次碳化物均匀形核，这是在低温段保温的作用。其上限温度应保证碳化物能均匀形核，以便钢中能有较多的细小弥散的二次碳化物析出，且分布均匀;其下限温度一般应在马氏体相变点之上。但有时热加工温度不高，保温时间不长，且基体中碳和合金元素含量不高者，既便保温温度稍低于马氏体相变点，有少量马氏体相变，对钢的退火硬度和组织影响也不大，仍能满足要求，但一般不低于马氏体相变点。

形变退火新工艺第二阶段的作用及其温度选择依据：在高温段保温，完成珠光体转变，消除在热加工过程中产生的缺陷，使二次碳化物进一步析出、长大，使之弥散的均匀的分布在基体上。这样，钢的退火硬度较低，能满足下步工序（如冷加工艺）的要求;同时，由于退火温度较低，一次碳化物难以长大，而二次碳化物数量较多，使钢在以后的淬火和回火后，得到较高的硬度，保证钢具有良好的组织和性能。这是在高温段保温的作用。其下限温度应能保证钢的退火硬度较低，一般可控制在700℃或稍高些;其上限温度应低于Acl点。由于先在低温段保温，二次碳化物能够均匀形核。既避免了马氏体相变带来的不良后果，又避免了不规则形状的碳化物沿奥氏体晶界析出，使钢有较好的塑性。

本发明是一种特殊的形变热处理工艺。目前，国内外形变热处理多是用于形变淬火、形变正火等工艺，目的在于提高强度，改善塑性和韧性等，但尚未有形变退火工艺。在热加工变形之后，在钢中产生大量的位错，能够促使碳化物析出和加速元素扩散。本发明正是利用了形变诱导碳化物析出和形变加速相变的原理，退火紧接在热加工之后，在特定的温度范围内进行，不但能够降低退火温度和缩短退火时间，并能得到较好的组织和性能。对于高速钢和模具钢这类的高碳高合金马氏体型钢，在第二阶段保温之后，碳化物已均匀、弥散地析出，珠光体相变已经完成，因此，随后的冷却速度可以较快，可以炉冷，甚至空冷，性能完全能满足要求。然而，传统的退火工艺必须进行高温退火，在850℃左右保温之后，钢呈奥氏体状态，碳化物析出和珠光体转变是在随后的冷却过程中进行的，所以冷却速度必须十分缓慢，使转变较充分地进行，得到较细的组织和较低的硬度，否则，达不到要求。通常的冷却速度是15～20℃/小时，从850℃冷却到650℃，需10小时以上，因此，退火时间很长。

形变退火新工艺的具体方案也可见附图1。图中横座标为时间τ（小时），纵座标为温度t（℃），虚线l为马氏体相变温度Ms，虚线2为Acl温度，虚线3为第一阶段（低温区）保温的上限温度680℃，虚线4为第二阶段（高温区）保温的下限温度700℃，5为第一阶段的保温时间（0.5～10小时），6为第二阶段的保温时间（2～10小时）。

采用本发明形变退火新工艺可取得优异的效果：第一，退火硬度较低，如高速钢W₉Mo₃Cr₄V和M₂的退火硬度均在HB₂₄₀以下;第二，钢中细小的二次碳化物数量多，且弥散和分布均匀，附图2为W₉Mo₃Cr₄V钢经本发明退火处理后的金相组织扫描电镜照片（倍数1250×）;而附图3为相同钢种经传统退火工艺（老工艺）处理后的金相组织扫描电镜照片（倍数1250×），由图看出，其二次碳化物数量少;第三，退火后进行淬火和回火，可得到较高的硬度，均能达到HRC67以上，比传统工艺提高约1HRC;第四，钢的塑性提高，易于继续进行冷加工等，使产品成材率提高。

与传统的现有退火工艺相比，本发明形变退火新工艺具有如下优越性：

（1）退火处理紧接在热加工变形之后进行，使马氏体型钢（包括高速工具钢、模具钢、高淬透性结构钢和马氏体不锈钢等）在热加工之后不产生马氏体相变，避免了裂纹产生，减少了废品;同时改善了钢的退火组织和性能，提高钢的质量，使高速钢的淬、回火硬度提高，且塑性提高，易于继续进行冷拔、冷轧壤浼庸け湫危岣叱刹穆省?

（2）退火温度降低，退火时间缩短，并利用余热，因此，降低了能耗，经济效果显著。

（3）缩短了生产周期，降低了设备消耗，提高了设备利用率。现有的退火工艺中，退火温度高，保温和缓冷时间长，使得生产周期长，设备的有效利用率小，能源消耗和设备消耗都较大。

实施例一

采用本发明的形变退火新工艺对W₉Mo₃Cr₄V、W₆Mo₅Cr₄V₂等钢号的5种热轧材进行热加工后的退火处理。试验钢号和热轧材的热轧温度列入表1。上述钢材热轧后，进行第一阶段的低温段退火处理，具体退火温度和时间如表1所示。第一阶段保温之后，并在现有的退火炉上继续升温，开始第二阶段的处理。当温度升到第二阶段设定的温度时，进行保温，第二阶段退火温度和保温时间列入表1。第二阶段保温之后，分别进行炉冷或空冷。经形变退火后钢材的退火硬度（HB）和淬回火硬度（HRC）如表2所示。

实施例二

本实施例是对供冷轧用的热轧板坯在热加工后进行传统退火工艺和本发明退火新工艺的对比试验。这种退火工艺的目的是提高冷轧板坯冷塑性，以便易于冷轧，提高成材率。试验钢种均为同一炉的W₉Mo₃Cr₄V高速钢。

传统退火工艺如下：将在870℃温度热轧后的W₉Mo₃Cr₄V钢坯料堆冷到室温，然后将坯料放入热处理炉中，从室温升温到850℃，升温时间为15小时以上，保温时间为5小时;保温后以15～20℃/小时的速度从850℃冷却到550℃，然后再空冷，冷却时间20小时以上;冷却完后，需再进行一次冷成形前处理，以便进一步降低屈服强度，增冷塑性。为此，继续将坯料放入常化炉中，并升温到730～750℃，保温0.5～2小时。保温后，逐张出炉风冷至330℃，然后空冷，至整堆坯料出炉完毕，需耗时10小时以上。

上述传统退火工艺的整个退火处理时间需60小时以上。

将退火完毕的坯料进行冷轧，其成材率为50%。

本发明退火新工艺如下：将在870℃温度下热轧后的坯料紧接热轧后置于热处理炉中，在450℃温度进行第一阶段退火，保温时间1小时;保温之后，紧接着继续升温，进行第二阶段的退火处理，退火温度为780℃，保温时间为5小时，保温结束后，整堆坯料进行炉冷，整个退火处理共耗时20小时。退火后的坯料进行冷轧，其成材率达60.1%。

由该实施例看出，与传统的退火工艺相比，本发明退火新工艺所耗的时间大大缩短，至少可缩短20小时以上;并省去了冷成形前的热处理工艺;成材率提高10%，经济效果显著。

Claims (3)

1、一种马氏体型钢(如高速工具钢、模具钢、高淬透性结构钢和马氏体不锈钢等)热加工变形后的退火新工艺，其特征在于该退火新工艺紧接在热加工进行；且新工艺分两个阶段进行：第一阶段是在热加工之后，利用余热，在该钢马氏体相变温度Ms至680℃之间的任一温度进行保温，第二阶段是紧接第一阶段保温后，由第一阶段保温温度继续升温到700℃至该钢的Acl温度之间的任一温度进行体温。

2、根据权利要求1所述的退火新工艺，其特征在于第一阶段的保温时间为0.5～10小时，第二阶段的保温时间为2～10小时。

3、根据权利要求1所述的退火新工艺，其特征在于第二阶段结束时，钢料可随后炉冷或空冷。

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