CN105331888B - 一种20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法 - Google Patents

一种20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法 Download PDF

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Abstract

一种20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法，属于热处理技术领域。包括以下步骤：(1)熔炼；(2)表面渗碳处理：采用强渗和扩散两步工艺对20CrNi2MoV钢进行表面渗碳，渗碳层厚度为2.0～2.3mm；(3)后续热处理：出炉油冷至室温、低温回火、二次淬火、水浴处理和水浴处理后立即进行深冷处理，最后回火处理。本发明的提出的二次淬火之后的水浴处理+深冷处理的调控方法，表面及心部微观组织产生了不同程度的不可逆转变，提高了表面硬度及耐磨性，心部下贝氏体组织中的残余奥氏体一部分发生转变，一部分在低温下被稳定化而保留下来，稳定的残余奥氏体提高了心部的强韧性；本发明调控方法热处理工期，同时大大降低了能耗；本发明的20CrNi2MoV钢可用做轴承套圈。

Description

一种20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法
技术领域
本发明属于热处理技术领域，特别涉及一种20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法。
背景技术
20CrNi2MoV钢是一种优质的低碳中合金结构钢，合金配比良好。20CrNi2MoV钢通过渗碳及热处理后表面会获得高的硬度、耐磨性，高的疲劳强度，同时心部还会具有高的强韧性，可用于制造铁路轴承套圈。由于铁路轴承必须具有在高速运转服役条件下的高可靠性、耐冲击性和变轴向负荷承载能力，这就需要其装配的轴承必须能够承受更大冲击负荷，表面必须具有较高硬度和良好的耐磨性，同时心部仍保持足够的强度和韧性，因此采用渗碳及热处理工艺对轴承表面和心部的组织调控至关重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法，本发明的20CrNi2MoV钢适用于制造铁路轴承套圈，即通过对20CrNi2MoV钢表面渗碳及随后热处理，使其具备表面高硬度同时心部保持高强度和高韧性的良好配合。
本发明的20CrNi2MoV钢，化学成分的重量百分比为：C：0.16～0.22％，Mn：0.30～0.45％，Si：0.4～0.6％，P：≤0.008％，S：≤0.002％，Cr：0.30～0.45％，Mo：0.20～0.35％，Ni：1.8～2.0％，V：0.12～0.18％，Nb：0.02～0.06％，余量为Fe。
本发明的20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法，包括以下步骤：
步骤1，熔炼：按照20CrNi2MoV钢的化学成分，熔炼，并锻造成型；
步骤2，表面渗碳处理：
采用强渗和扩散两步工艺对20CrNi2MoV钢进行表面渗碳，渗碳温度为900℃～945℃，强渗的碳势为1.2～1.3％，渗碳时间为10～15h，扩散的碳势为0.9～1％，扩散时间为12～18h，渗碳层厚度为2.0～2.3mm；
步骤3，后续热处理：
(1)20CrNi2MoV钢渗碳结束后，随炉冷却至860～880℃，再出炉油冷至室温，油温为50～80℃：
(2)进行低温回火：回火温度为180～200℃，回火时间为2～3h；
(3)进行二次淬火：淬火温度为820℃～880℃，再出炉油冷至室温，油温为50～80℃；
(4)进行水浴处理：水浴温度为80～90℃，水浴时间为30～45min；
(5)水浴处理后立即进行深冷处理：深冷处理温度为-70～-80℃，深冷处理时间为1.5～2h；
(6)进行回火处理：回火温度为160～200℃，回火时间为2～3h。
本发明的20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法，提出的二次淬火之后的水浴处理+深冷处理代替了传统的一次淬火后的高温长时间回火，具有显著的工艺特点：
(1)传统的热处理工艺是一次淬火后的进行750℃，8～10h长时间高温回火，其直接目的是将稳定的淬火后残余奥氏体进行充分的分解，降低残余奥氏体的稳定性，从而在二次淬火时降低残余奥氏体的量，以此增加轴承的尺寸稳定性。本发明的调控方法采用二次淬火之后的水浴处理+深冷处理代替了传统的一次淬火后的高温长时间回火，极大地缩短了热处理工期，同时大大降低了能耗。
(2)本发明的调控方法，采用低于100℃，30～40min的水浴处理一方面没有引起残余奥氏体的稳定化，另一方面避免了淬火后立即进行深冷处理，由于残余奥氏体急速的马氏体转变以及淬火应力作用所导致的深冷处理裂纹的产生，使得深冷处理效果更加有效。
(3)采用二次淬火后的水浴处理+深冷处理工艺结果使得轴承套圈表面及心部微观组织产生了不同程度的不可逆转变，残余奥氏体在低温下发生了分解，转变为马氏体，针状马氏体发生分解，亚结构细化并弥散析出微细碳化物，极大提高了表面硬度及耐磨性；心部贝氏体组织中的残余奥氏体一部分发生转变，一部分在低温下被稳定化而保留下来，这种稳定的残余奥氏体提高了心部的强韧性。
(4)采用本发明的调控方法制备出的20CrNi2MoV钢，用做轴承套圈，大大降低了轴承套圈渗碳层的残余奥氏体量，与传统的热处理工艺获得轴承套圈比较具有更好的硬度和耐磨性。
附图说明
图1本发明实施例的表面渗碳处理的工艺曲线图；
图2本发明实施例的表面渗碳处理后的后续热处理的工艺曲线图；
图3本发明实施例1经表面和心部组织调控后的20CrNi2MoV钢表面组织的金相图片；
图4本发明实施例1经表面和心部组织调控后的20CrNi2MoV钢心部组织的金相图片。
具体实施例
以下实施例采用的20CrNi2MoV钢，成分按质量百分含量为：C：0.18％，Mn：0.36％，Si：0.45％，P：0.006％，S：0.002％，Cr：0.35％，Mo：0.27％，Ni：1.8％，V：0.14％，Nb：0.03％，余量为Fe。
以下实施例中，步骤1的表面渗碳处理的工艺曲线图如图1所示；步骤2的后续热处理的工艺曲线图如图2所示。采用扫描电镜测得钢的渗碳层厚度。
实施例1
20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法，包括以下步骤：
步骤1，熔炼：按照20CrNi2MoV钢的化学成分，熔炼，并锻造成型，制成40mm×40mm×80mm的长方体试样；
步骤2，表面渗碳处理：
采用强渗和扩散两步工艺对20CrNi2MoV钢进行表面渗碳，渗碳温度为900℃，强渗的碳势为1.25％，渗碳时间为10h，扩散的碳势为0.95％，扩散时间为15h。
步骤3，后续热处理：
(1)20CrNi2MoV钢渗碳结束后，随炉冷却至880℃，再出炉油冷至室温，油温为50℃；
(2)进行低温回火：回火温度为180℃，回火时间为2h；
(3)进行二次淬火：淬火温度为850℃，再出炉油冷至室温，油温为50℃；
(4)进行水浴处理：水浴温度为90℃，水浴时间为30min；
(5)水浴处理后立即进行深冷处理：深冷处理温度为-80℃，深冷处理时间为1.5h；
(6)进行回火处理：回火温度为160℃，回火时间为2h。
本实施例经表面和心部组织调控后的试样，表面和心部取样进行组织观察和硬度测定，在心部取样加工成标准室温拉伸试样和夏比冲击试样。结果表明，经过本实施例的渗碳及热处理工艺后，钢的渗碳层厚度为2.1mm，表面硬度达到64HRC；心部硬度35HRC，抗拉强度1405MPa，屈服强度1198MPa，室温冲击功109J；试样的表面和心部组织如图3，4所示，可以看出经过本发明的渗碳及热处理工艺后表面组织主要为碎化的针状马氏体，心部为低温回火的贝氏体组织。
实施例2
20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法，包括以下步骤：
步骤1，熔炼：按照20CrNi2MoV钢的化学成分，熔炼，并锻造成型，制成40mm×40mm×80mm的长方体试样；
步骤2，表面渗碳处理：
采用强渗和扩散两步工艺对20CrNi2MoV钢进行表面渗碳，渗碳温度为920℃，强渗的碳势为1.25％，渗碳时间为12h，扩散的碳势为0.9％，扩散时间为18h。
步骤3，后续热处理：
(1)20CrNi2MoV钢渗碳结束后，随炉冷却至875℃，再出炉油冷至室温，油温为50℃；
(2)进行低温回火：回火温度为180℃，回火时间为3h；
(3)进行二次淬火：淬火温度为820℃，再出炉油冷至室温，油温为50℃；
(4)进行水浴处理：水浴温度为90℃，水浴时间为45min；
(5)水浴处理后立即进行深冷处理：深冷处理温度为-80℃，深冷处理时间为1.5h；
(6)进行回火处理：回火温度为170℃，回火时间为2h。
本实施例经表面和心部组织调控后的试样，表面和心部取样进行组织观察和硬度测定，在心部取样加工成标准室温拉伸试样和夏比冲击试样。结果表明，经过本实施例的渗碳及热处理工艺后，钢的渗碳层厚度为2.15mm，表面硬度达到65HRC，心部硬度36HRC，抗拉强度1401MPa，屈服强度1203MPa，室温冲击功105J。
实施例3
20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法，包括以下步骤：
步骤1，熔炼：按照20CrNi2MoV钢的化学成分，熔炼，并锻造成型，制成40mm×40mm×80mm的长方体试样；
步骤2，表面渗碳处理：
采用强渗和扩散两步工艺对20CrNi2MoV钢进行表面渗碳，渗碳温度为930℃，强渗的碳势为1.2％，渗碳时间为12h，扩散的碳势为1.0％，扩散时间为12h。
步骤3，后续热处理：
(1)20CrNi2MoV钢渗碳结束后，随炉冷却至860℃，再出炉油冷至室温，油温为50℃；
(2)进行低温回火：回火温度为180℃，回火时间为2h；
(3)进行二次淬火：淬火温度为850℃，再出炉油冷至室温，油温为50℃；
(4)进行水浴处理：水浴温度为90℃，水浴时间为40min；
(5)水浴处理后立即进行深冷处理：深冷处理温度为-80℃，深冷处理时间为1.5h；
(6)进行回火处理：回火温度为160℃，回火时间为3h。
本实施例经表面和心部组织调控后的试样，表面和心部取样进行组织观察和硬度测定，在心部取样加工成标准室温拉伸试样和夏比冲击试样。结果表明，经过本实施例的渗碳及热处理工艺后，钢的渗碳层厚度为2.18mm，表面硬度达到65HRC，心部硬度38HRC，抗拉强度大于1410MPa，屈服强度大于1207MPa，室温冲击101J。
实施例4
20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法，包括以下步骤：
步骤1，熔炼：按照20CrNi2MoV钢的化学成分，熔炼，并锻造成型，制成40mm×40mm×80mm的长方体试样；
步骤2，表面渗碳处理：
采用强渗和扩散两步工艺对20CrNi2MoV钢进行表面渗碳，渗碳温度为930℃，强渗的碳势为1.2％，渗碳时间为13h，扩散的碳势为0.95％，扩散时间为15h。
步骤3，后续热处理：
(1)20CrNi2MoV钢渗碳结束后，随炉冷却至870℃，再出炉油冷至室温，油温为70℃；
(2)进行低温回火：回火温度为180℃，回火时间为3h；
(3)进行二次淬火：淬火温度为820℃，再出炉油冷至室温，油温为80℃；
(4)进行水浴处理：水浴温度为90℃，水浴时间为30min；
(5)水浴处理后立即进行深冷处理：深冷处理温度为-80℃，深冷处理时间为1.5h；
(6)进行回火处理：回火温度为160℃，回火时间为3h。
本实施例经表面和心部组织调控后的试样，表面和心部取样进行组织观察和硬度测定，在心部取样加工成标准室温拉伸试样和夏比冲击试样。结果表明，经过本实施例的渗碳及热处理工艺后，本钢的渗碳层厚度为2.21mm，表面硬度达到64HRC，心部硬度35HRC，抗拉强度1409MPa，屈服强度大于1207MPa，室温冲击功110J。
实施例5
20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法，包括以下步骤：
步骤1，熔炼：按照20CrNi2MoV钢的化学成分，熔炼，并锻造成型，制成40mm×40mm×80mm的长方体试样；
步骤2，表面渗碳处理：
采用强渗和扩散两步工艺对20CrNi2MoV钢进行表面渗碳，渗碳温度为930℃，强渗的碳势为1.3％，渗碳时间为15h，扩散的碳势为1.0％，扩散时间为15h。
步骤3，后续热处理：
(1)20CrNi2MoV钢渗碳结束后，随炉冷却至880℃，再出炉油冷至室温，油温为80℃；
(2)进行低温回火：回火温度为200℃，回火时间为2h；
(3)进行二次淬火：淬火温度为840℃，再出炉油冷至室温，油温为50℃；
(4)进行水浴处理：水浴温度为90℃，水浴时间为45min；
(5)水浴处理后立即进行深冷处理：深冷处理温度为-75℃，深冷处理时间为1.8h；
(6)进行回火处理：回火温度为160℃，回火时间为2h。
本实施例经表面和心部组织调控后的试样，表面和心部取样进行组织观察和硬度测定，在心部取样加工成标准室温拉伸试样和夏比冲击试样。结果表明，经过本实施例的渗碳及热处理工艺后，钢的渗碳层厚度为2.3mm，表面硬度达到65HRC，心部硬度36HRC，抗拉强度大于1402MPa，屈服强度大于1215MPa，室温冲击功108J。
实施例6
20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法，包括以下步骤：
步骤1，熔炼：按照20CrNi2MoV钢的化学成分，熔炼，并锻造成型，制成40mm×40mm×80mm的长方体试样；
步骤2，表面渗碳处理：
采用强渗和扩散两步工艺对20CrNi2MoV钢进行表面渗碳，渗碳温度为945℃，强渗的碳势为1.2％，渗碳时间为13h，扩散的碳势为0.95％，扩散时间为15h。
步骤3，后续热处理：
(1)20CrNi2MoV钢渗碳结束后，随炉冷却至860℃，再出炉油冷至室温，油温为50℃；
(2)进行低温回火：回火温度为160℃，回火时间为3h；
(3)进行二次淬火：淬火温度为820℃，再出炉油冷至室温，油温为60℃；
(4)进行水浴处理：水浴温度为90℃，水浴时间为40min；
(5)水浴处理后立即进行深冷处理：深冷处理温度为-70℃，深冷处理时间为2h；
(6)进行回火处理：回火温度为160℃，回火时间为3h。
本实施例经表面和心部组织调控后的试样，表面和心部取样进行组织观察和硬度测定，在心部取样加工成标准室温拉伸试样和夏比冲击试样。结果表明，经过本实施例的渗碳及热处理工艺后，钢的渗碳层厚度为2.3mm，表面硬度达到65HRC，心部硬度35HRC，抗拉强度1410MPa，屈服强度大于1202MPa，室温冲击功102J。
实施例7
20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法，包括以下步骤：
步骤1，熔炼：按照20CrNi2MoV钢的化学成分，熔炼，并锻造成型，制成40mm×40mm×80mm的长方体试样；
步骤2，表面渗碳处理：
采用强渗和扩散两步工艺对20CrNi2MoV钢进行表面渗碳，渗碳温度为940℃，强渗的碳势为1.2％，渗碳时间为12h，扩散的碳势为0.95％，扩散时间为18h。
步骤3，后续热处理：
(1)20CrNi2MoV钢渗碳结束后，随炉冷却至870℃，再出炉油冷至室温，油温为60℃；
(2)进行低温回火：回火温度为180℃，回火时间为3h；
(3)进行二次淬火：淬火温度为850℃，再出炉油冷至室温，油温为60℃；
(4)进行水浴处理：水浴温度为85℃，水浴时间为30min；
(5)水浴处理后立即进行深冷处理：深冷处理温度为-80℃，深冷处理时间为1.5h；
(6)进行回火处理：回火温度为160℃，回火时间为2h。
本实施例经表面和心部组织调控后的试样，表面和心部取样进行组织观察和硬度测定，在心部取样加工成标准室温拉伸试样和夏比冲击试样。结果表明，经过本实施例的渗碳及热处理工艺后，钢的渗碳层厚度为2.25mm，表面硬度达到64HRC，心部硬度36HRC，抗拉强度1406MPa，屈服强度大于1209MPa，室温冲击功112J。

Claims (1)

1.一种20CrNi2MoV钢表面和心部组织的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，熔炼：按照20CrNi2MoV钢的化学成分，熔炼，并锻造成型；其中，所述的20CrNi2MoV钢，化学成分的重量百分比为：C：0.16～0.22％，Mn：0.30～0.45％，Si：0.4～0.6％，P：≤0.008％，S：≤0.002％，Cr：0.30～0.45％，Mo：0.20～0.35％，Ni：1.8～2.0％，V：0.12～0.18％，Nb：0.02～0.06％，余量为Fe；
步骤2，表面渗碳处理：
采用强渗和扩散两步工艺对20CrNi2MoV钢进行表面渗碳，渗碳温度为900℃～945℃，强渗的碳势为1.2～1.3％，渗碳时间为10～15h，扩散的碳势为0.9～1％，扩散时间为12～18h，渗碳层厚度为2.0～2.3mm；
步骤3，后续热处理：
(1)20CrNi2MoV钢渗碳结束后，随炉冷却至860～880℃，再出炉油冷至室温，油温为50～80℃；
(2)进行低温回火：回火温度为180～200℃，回火时间为2～3h；
(3)进行二次淬火：淬火温度为820℃～880℃，出炉油冷至室温，油温为50～80℃；
(4)进行水浴处理：水浴温度为80～90℃，水浴时间为30～45min；
(5)水浴处理后立即进行深冷处理：深冷处理温度为-70～-80℃，深冷处理时间为1.5～2h；
(6)进行回火处理：回火温度为160～200℃，回火时间为2～3h。
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