CN103866095B

CN103866095B - 一种针对具有片状微观组织的Cr、Mo钢的球化退火方法

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Publication number: CN103866095B
Application number: CN201410111387.8A
Authority: CN
Inventors: 祭程; 朱苗勇; 邱木生
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2034-03-25
Also published as: CN103866095A

Abstract

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种针对具有片状微观组织的Cr、Mo钢的球化退火方法。将Cr、Mo钢轧材样品置于加热炉中，升温至700~720℃，保温4~5h，然后炉冷至580~600℃，再将Cr、Mo钢轧材出炉空冷至室温，经球化退火的Cr、Mo钢轧材显微硬度为162.20~175.35HV，其微观组织为铁素体基体上弥散分布的粒状碳化物，粒状碳化物为球化组织，评级为5~6级。本发明的方法通过在亚温温度保温一定时间，然后控制炉冷时间，获得了性能良好的球化退火钢；本发明采用的高温保温温度较原工艺保温温度低，保温时间缩短近3倍，显著节约能源消耗，提高球化退火效率；本发明的球化退火工艺后钢的硬度明显减小，球化珠光体组织更加弥散细小，球化率更高，具有良好的冷镦性能和应用前景。

Description

一种针对具有片状微观组织的Cr、Mo钢的球化退火方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种针对具有片状微观组织的Cr、Mo钢的球化退火方法。

背景技术

Cr、Mo钢是一种典型的中碳合金结构钢。汽车用12.9级高强、超高强级别的螺栓基本上以Cr、Mo冷镦钢钢种系列为主，国内轿车发动机用钢一直依赖日本进口，属于有特殊要求的高级冷镦钢。冷镦钢制造高强度螺栓的生产工艺过程主要为线材、球化退火、酸洗、磷化、皂化、拉拔、冷镦等几个环节。由于冷镦成形具有钢材利用率高、机械性能好、适宜自动化生产等优点，目前高强度螺栓成形技术大都采用冷墩成形，由于冷墩成形的效果与质量对成品螺栓的使用寿命有着重大的影响，因此需要一种优良的球化退火工艺，以便得到易于进行塑性加工的球化组织，其要求为球化碳化物均匀弥散的分布在铁素体基体上，后续在进行冷成形加工时，变形量达到60%以上，要求球化组织评级为4~6级；与此同时，球化碳化物的形状和分布对于断裂韧性也有很重要的影响，在相同的应力强度条件下，球状珠光体的裂纹扩展速率远低于片状珠光体组织。因此，球化退火工艺是获得球化组织的必要流程，也是高强度螺栓生产过程中的关键环节。

常用的球化退火方法主要有：（1）双相区等温球化退火工艺，其特点是将钢材加热到Ac₁温度以上Ac₃温度以下保温一段时间，然后随炉冷却至Ac₁温度以下保温一段时间，最后炉冷至室温；（2）双相区缓冷球化退火工艺，其特点是将钢材加热到Ac₁温度以上Ac₃温度以下保温一段时间，然后随炉冷却至室温；（3）亚温球化退火工艺，其特点是将钢材加热到Ac₁温度以下保温一段时间，然后随炉冷却至室温。多数冶金和紧固件生产企业多采用如图1所示球化退火方法，即在双相区Ac₁以上温度进行保温，对于难于球化退火的钢种，还须在高温阶段对其进行拉拔处理，以加快碳化物球化过程。一般情况下，由于在Ac₁以下等温使得碳化物完全球化周期较长，因而很少采用亚温球化退火工艺。但是，随着Cr、Mo钢线材生产过程的优化，控制轧后组织，使得亚温球化退火工艺的应用得以实现。

目前已有学者研究对比了亚温球化退火和双相区等温球化退火在中碳钢软化上的应用，研究得出亚温球化退火较双相区等温球化退火能够更快的加速碳化物球化过程。但由于Cr、Mo钢轧制条件不易控制，容易出现奥氏体晶粒长大、异常晶粒生成、碳化物在基体上分布不均匀等现象，因此，生产厂商往往采用双相区球化退火对其进行软化，以使得大块铁素体及碳化物溶解。例如40Cr钢室温组织如图3(a)所示，其室温组织较粗大，采用的球化退火工艺为将钢材加热到高于Ac₁以上20~30度保温4.5小时后炉冷至略低于Ar₁等温4小时，然后炉冷至室温。所以，亚温球化退火在业内还未见应用。

目前对于中碳合金钢球化退火领域，常见的还是双相区等温球化退火工艺，这种工艺完全是移植于过共析钢的球化退火工艺，其特点是在高温阶段对先共析渗碳体进行破碎，使未溶的碳化物作为形核中心进行球化。随着现代Cr、Mo钢轧制工艺日趋成熟，可控制大块铁素体和珠光体的生成，这为采用压温球化退火工艺提供了可能，从而显著降低生产成本和能耗，并提高生产效率。

对于目前的公知技术，研究较多的还是针对轧后双相区球化退火的控制技术。例如CN00102387.X号专利，公开了一种亚共析合金钢的球化退火方法，即通过两次双相区等温球化退火工艺才使得碳化物完全球化；另外，涉及实施球化退火工艺前期的轧制技术，如CN201310131180.2公开了一种有利于Cr、Mo钢球化退火的轧制工艺，其中提出的球化退火方法为保温温度Ac₁以上的双相区缓冷球化退火工艺。

综上所述，对于Cr、Mo钢产品，一种针对片状组织特征的Cr、Mo钢球化退火方法的控制技术方面未见公开的研究报道。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种针对具有片状微观组织的Cr、Mo钢的球化退火方法，即针对以贝氏体和片层珠光体组织为主，奥氏体晶粒度大于等于7级的Cr、Mo钢，其金相组织如图3(b)所示。通过对其球化退火工艺进行优化，与现有通用的退火工艺条件相比，可以极大缩短球化退火时间，显著节约能源消耗，提高球化质量。

本发明的一种针对片状组织特征的Cr、Mo钢球化退火方法，按照以下步骤进行：

将轧材样品置于加热炉中，升温至700~720℃，保温4~5h，然后炉冷至580~600℃，再将Cr、Mo钢轧材出炉空冷至室温，其退火工艺流程图如图2所示；经球化退火的Cr、Mo钢轧材显微硬度为162.20~175.35HV，其微观组织为铁素体基体上弥散分布的粒状碳化物，所述的粒状碳化物为球化组织，评级为5~6级。

上述方法选用的轧材样品直径为10~15mm。

上述方法选用Cr、Mo钢轧材成分按重量百分比含C0.33~0.38%、Si0.15~0.35%、Mn0.60~0.90%、Cr0.90~1.20%、Mo0.15~0.30%、Ni≤0.030%、P≤0.035%、S≤0.035%、Cu≤0.030%，余量为Fe。

与现有技术相比本发明的特点和有益效果是：

本发明方法与传统的双相区等温球化退火方法和缓冷球化退火方法不同，采用的球化退火方法是将钢加热到Ac₁温度以下，利用片状组织的自身溶断进行珠光体的球化；且较亚温球化退火方法，本发明在随炉冷却过程中只须要冷却到600度左右即可出炉空冷，进一步缩短球化时间，提高生产效率。

本发明方法在Ac₁温度以下20-40℃范围内，即700~720℃，保温4~5h可使得片层组织中渗碳体片通过自身溶穿、溶断，并长大成球状，这与双相区球化退火机制不一样，后者是经保温后形成不均匀奥氏体及部分未溶碳化物，然后以未溶碳化物为形核核心形成球状的碳化物，并在随后的炉冷过程中球状碳化物逐渐长大。上述方法在保温后炉冷至580~600℃，再出炉空冷，在炉冷过程中，溶断的渗碳体颗粒自发球化，温度冷却到600℃左右，碳化物即球化完全，如果继续停留在炉中冷却，反而使得大颗粒碳化物吞食小颗粒球化长大，导致小颗粒碳化物溶解直至消失。

本发明方法选用的Cr、Mo钢轧材组织主要以贝氏体和片层珠光体为主。其轧制工艺主要是针对开坯加热控制、轧钢温度控制以及轧后冷却控制，改善中心偏析，细化晶粒，其奥氏体晶粒图如图4所示。并控制大块铁素体及珠光体的生成，形成以贝氏体和片层珠光体为主的片状组织。

本发明是针对指定微观组织形态的球化退火工艺，与球化退火控制技术，控制手段，研究方法都不一样；与有利于球化退火轧制工艺研究对象，研究方法也不一样。

本发明的方法通过在亚温温度保温一定时间，然后控制炉冷时间，球化退火后获得的Cr、Mo钢的微观组织为铁素体基体上弥散分布的粒状碳化物，所述的粒状碳化物为球化组织，评级为5~6级；与双相区等温球化退火工艺相比较，本发明采用的高温保温温度较原工艺保温温度低，且保温时间缩短近3倍，显著节约能源消耗，提高球化退火效率；且按本发明的球化退火工艺后钢的硬度明显减小，获得的球化珠光体组织更加弥散细小，球化率更高，由于冷镦性与碳化物球化率有良好的对应关系，这种组织状态的差异使得亚温球化退火料较双相区等温球化退火料具有更好的塑性，从而具有更好的冷镦性能。因此，本发明的方法具有良好的应用前景。

附图说明

图1是现有技术中球化退火工艺流程图；

图2是本发明球化退火工艺流程图；

图3(a)是40Cr钢室温组织金相组织图，(b)是本发明球化退火处理所用Cr、Mo钢轧材的原始金相组织图；

图4是本发明球化退火处理所用Cr、Mo钢轧材的奥氏体晶粒图；

图5是本发明实施例1中球化退火金相组织对比图；

其中：(a)为按图1工艺条件实施，(b)为按本发明实施后；

图6为本发明实施例1球化退火SEM组织对比图；

其中：(a)为按图1工艺条件实施，(b)为按本发明实施后；

图7为本发明实施例2中钢轧材球化退火处理后金相组织和SEM组织对比图；

其中：(a)为金相组织，(b)为SEM组织；

图8为本发明实施例3中钢轧材球化退火处理后金相组织和SEM组织对比图；

其中：(a)为金相组织，(b)为SEM组织。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明实施例中球化退火采用的设备为箱式电阻加热炉。

本发明实施例中测量显微硬度采用的国家标准为GB/T4340.1-2009。

本发明实施例中测量球化等级采用的国家标准为JB/T5074—2007中、低碳钢球化体评级方法。

本发明实施例中观测球化组织金相图采用的设备为蔡司AxioImager.M2m正置全自动材料显微镜（北京普瑞赛司仪器有限公司代理）。

实施例1

采用某钢厂325mm×280mm大方坯连铸-开坯-线材轧制工艺流程生产高强螺栓用Φ10mm盘条，钢种牌号及成分如表1所示。

表1钢种牌号及成分

牌号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo
								SCM435	0.35	0.2	0.65	0.013	0.007	0.95	0.2

将高10mm、Φ13mm的轧材样品置于加热炉中，升温至720℃保温5h，然后炉冷至580℃，再将Cr、Mo钢轧材出炉空冷至室温，经球化退火的Cr、Mo钢轧材进行线切割，再将其截面磨平、抛光，采用4%硝酸酒精腐蚀后在金相显微镜下观察，得到金相组织如图5（b）所示，SEM组织图如图6（b）所示；

若采用图1所示的原工艺下制得的钢轧材，将轧材样品在770~780℃保温，使用一共10~14小时的两次球化退火及两次拉拔工艺，其退火组织如图5（a）所示，SEM组织图如图6（a）所示。

从图中对比可见5（b）和6（b）球状碳化物在基体上分布更加弥散均匀，球化组织评级为6级，并测得其显微硬度为162.20HV。

实施例2

采用某钢厂325mm×280mm大方坯连铸-开坯-线材轧制工艺流程生产高强螺栓用Φ13mm盘条，钢种牌号及成分如表1所示。

将高10mm、Φ13mm的轧材样品置于加热炉中，升温至720℃保温4h，然后炉冷至600℃，再将Cr、Mo钢轧材出炉空冷至室温，经球化退火的Cr、Mo钢轧材进行线切割，再将其截面磨平、抛光，采用4%硝酸酒精腐蚀后在金相显微镜下观察，得到金相组织如图7（a）所示，由图可以看出球状碳化物在基体上分布较均匀，球化组织评级为5级，并测得其显微硬度为175.35HV。

实施例3

采用某钢厂325mm×280mm大方坯连铸-开坯-线材轧制工艺流程生产高强螺栓用Φ15mm盘条，钢种牌号及成分如表1所示。

将高10mm、Φ15mm的轧材样品置于加热炉中，升温至700℃保温4h，然后炉冷至600℃，再将Cr、Mo钢轧材出炉空冷至室温，经球化退火的Cr、Mo钢轧材进行线切割，再将其截面磨平、抛光，采用4%硝酸酒精腐蚀后在金相显微镜下观察，得到金相组织如图8（a）所示，所得退火组织中球状碳化物在基体上分布较弥散均匀，球化组织评级为5级，并测得其显微硬度为167.56HV。

实施例4

采用某钢厂325mm×280mm大方坯连铸-开坯-线材轧制工艺流程生产高强螺栓用Φ12mm盘条，钢种牌号及成分如表1所示。

将高10mm、Φ12mm的轧材样品置于加热炉中，升温至700℃保温5h，然后炉冷至580℃，再将Cr、Mo钢轧材出炉空冷至室温，经球化退火的Cr、Mo钢轧材进行线切割，再将其截面磨平、抛光，采用4%硝酸酒精腐蚀后在金相显微镜下观察，所得退火组织中球状碳化物在基体上分布较弥散均匀，球化组织评级为5级，并测得其显微硬度为172.35HV。

Claims

1.一种针对具有片状微观组织的Cr、Mo钢的球化退火方法，其特征在于按照以下步骤进行：

将Cr、Mo钢轧材样品置于加热炉中，升温至700~720℃，保温4~5h，然后炉冷至580~600℃，再将Cr、Mo钢轧材出炉空冷至室温，经球化退火的Cr、Mo钢轧材显微硬度为162.20~175.35HV，其微观组织为铁素体基体上弥散分布的粒状碳化物，所述的粒状碳化物为球化组织，评级为5~6级；所述的Cr、Mo钢轧材的微观组织以贝氏体和片层珠光体为主的片状组织，其奥氏体晶粒度评级为7级以上；所述的Cr、Mo钢成分按重量百分比含C0.33~0.38%、Si0.15~0.35%、Mn0.60~0.90%、Cr0.90~1.20%、Mo0.15~0.30%、Ni≤0.030%、P≤0.035%、S≤0.035%、Cu≤0.030%，余量为Fe；所述的Cr、Mo钢样品直径为10~15mm。