CN105385835A - 一种提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，包括以下步骤：1）将钢件进行均匀化处理；2）将钢件迅速淬入油浴中进行油淬，然后进行奥氏体化处理；3）将钢件迅速淬入盐浴中进行淬火后，再冷却；4）将钢件进行深冷处理后，再进行保温处理。本发明提供的一种提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，在保证高强度的前提下，采用碳分配和深冷回火处理，并合理设计回火温度和时间，大大提高了钢件的冲击韧性，从而提高中厚板高强钢件的强韧性。

Description

一种提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法
技术领域
本发明属于钢材热处理的技术领域，涉及一种提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，具体涉及一种采用碳配分和深冷处理加回火提高中厚板高强钢强韧性的热处理方法。
背景技术
钢材的性能主要由其组织构成及其性能所决定。而热处理过程不同，最终组织组成相不同，组成比例不同，组成相性能也不尽相同，因此热处理作为决定组织组成与性能的工艺就成为钢铁生产过程中最重要的工艺之一。
其中，中低碳低合金高强钢主要由bcc结构的铁素体类基体加残余奥氏体组成。bcc基体主要有铁素体基，贝氏体基、马氏体基以及以上三种中的两种或三种混合组织组成，是决定钢材强度的主要因素。残余奥氏体是影响强度、塑性以及韧性的重要因素。在塑性变形过程中，残余奥氏体在较高应变时发生马氏体相变，则可以抵抗材料局部变形，推迟了颈缩，因此提高了材料的强塑性。在冲击过程中，残余奥氏体的存在对韧性影响有两面性，一方面稳定的残余奥氏体可以提高材料韧性，另一方面冲击过程中，如果残余奥氏体发生相变，则新生成的马氏体可能会成为裂纹源或者断裂点，不利于韧性。
而淬火配分处理可以大大提高残余奥氏体的稳定性，此外通过添加一定量的合金元素，可以通过配分后的回火处理使马氏体中析出合金碳化物，进一步提高材料的强度与韧性。近年来，深冷处理越来越多的应用到中高碳合金钢的热处理中来，深冷处理可以使得部分不稳定的残余奥氏体发生相变，同时调整材料内部的应力状态，使材料内部产生压应力，有利于残余奥氏体的稳定性及整体材料性能。
随着钢铁企业的发展，对材料的强度，塑性，韧性提出了更高的要求。在不添加大量合金元素前提下，改善热处理工艺成为提高性能的最佳选择。中碳中厚板钢淬火配分回火处理后的钢强度级别可达2000MPa，延伸率>8％，但是该热处理后的钢低温冲击性能差，限制了该热处理的推广。目前，J.Speer等在ActaMaterialia51(国际材料学报)(2003)P2611-2622上发表的“Carbonpartitioningintoausteniteaftermartensitetransformation”一文中阐述了碳原子从马氏体到残余奥氏体分配的原理，获得了马氏体-残余奥氏体双相钢，得到高强度和塑性的先进结构钢，但是该技术没有关注对韧性的作用。徐祖耀在MaterialScienceForum(2007)P2283-2286上发表的“Designofstructure,compositionandheattreatmentprocessforstrengthsteel”一文阐述了引入弥散碳化物的作用，该热处理后的钢的强度更高，但是所设计方法主要应用于薄板钢方面。没有针对中厚板钢的热处理特性进行分析研究。而本发明在淬火配分回火工艺前提下，引入深冷处理，在保证材料足够的强塑性前提下，大大提高了材料的低温韧性，在现有文献中未见报道。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，采用碳配分和深冷处理加回火工艺，在保证材料足够的强塑性前提下，大大提高了材料的低温冲击韧性。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，包括以下步骤：
1)将钢件进行均匀化处理；
所述钢件是指中厚板高强钢件。
优选地，所述均匀化处理的加热温度为1000-1200℃。
优选地，所述均匀化处理的等温时间为2～5h。
2)将经步骤1)处理后的钢件迅速淬入油浴中进行油淬，然后进行奥氏体化处理；
优选地，所述油淬是将钢件迅速淬入室温条件下油浴的淬火油中，并搅拌不少于1分钟时间，让钢件得到马氏体的初始组织。这样可以增加奥氏体形核位置，消除条带组织。
优选地，所述奥氏体化处理的温度为800-1000℃。
优选地，所述奥氏体化处理的等温时间根据钢件具体厚度调整，即每毫米厚度的钢件所需奥氏体化处理的等温时间不少于2分钟。
3)将经步骤2)处理后的钢件迅速淬入盐浴中进行淬火后，再冷却；
优选地，所述淬火，包括如下步骤：
A)将钢件迅速淬入盐浴中进行初次淬火；
更优选地，所述初次淬火的时间为5～300s(即5s-5min)。
更优选地，所述初次淬火的温度根据所需马氏体体积分数决定，所述马氏体体积分数根据下述公式(Ⅰ)计算：
VM＝1-exp[-0.11×(Ms-T)](Ⅰ)
式中，VM——马氏体体积分数的相对含量；
Ms——马氏体相变开始温度；
T——淬火温度。
钢件的强度主要由马氏体基体决定，其中所述初次淬火生成的马氏体量对后续贝氏体及残余奥氏体量都有很大影响，一般初次淬火马氏体体积分数为10～30％。
B)将钢件迅速转移至比步骤A)中盐浴具有更高温度的盐浴中等温处理一段时间后，淬至室温。
更优选地，所述等温处理的时间为10～1800s(即10s-30min)。
更优选地，所述等温处理的温度为250-450℃。
所述等温处理可以使钢件的马氏体中的碳原子扩散到奥氏体中，使奥氏体富碳，提高奥氏体稳定性。
优选地，所述冷却方式为油淬、水淬或空冷中的任意一种。所述冷却使钢件得到马氏体和残余奥氏体的混合复相组织。
更优选地，所述油淬是将经等温处理后的钢件迅速淬入室温条件下油浴的淬火油中，并搅拌至少1分钟时间。
更优选地，所述水淬是将经等温处理后的钢件迅速淬入水浴中冷却至室温。
更优选地，所述空冷是将经等温处理后的钢件在空气中冷却至室温。
4)将经步骤3)处理后的钢件进行深冷处理后，再进行保温处理。
优选地，所述深冷处理的时间为1800-10800s(即30min-3h)。
优选地，所述深冷处理的温度为-180至-50℃。
优选地，所述深冷处理的介质为液氮与酒精混合介质。所述液氮与酒精混合介质为本领域常规使用的介质。
所述深冷处理能够使钢件中的不稳定奥氏体相变，减少内应力。
优选地，所述保温处理在盐浴中进行。
优选地，所述保温处理的温度为150-250℃。
优选地，所述保温处理的时间为1800-18000s(即30min-5h)。
所述保温处理，也称回火热处理，能够使钢件中的马氏体基体中析出弥散细小的碳化物，并且改善马氏体基体的应力分布，调节残余应力。该变化对钢件的强韧性影响很大，可根据具体性能要求，确定回火温度和时间提高钢冲击韧性。一般情况下，优化的回火温度和时间由热电工曲线或电阻测量参数决定，针对不同的钢种，在不同的温度、时间下回火，观察热电工曲线或电阻变化，从而确定碳化物析出而未长大的最佳温度与时间。本发明中的上述保温处理优选适用于碳含量为0.3～0.7％的钢。
优选地，所述钢件在保温处理后还要进行水淬处理。
更优选地，所述水淬是将经保温处理后的钢件迅速淬入水浴中冷却至室温。
优选地，上述油浴中的溶剂为淬火油。
优选地，上述盐浴为恒温盐浴。
优选地，上述盐浴中的淬火介质为55％硝酸钾和45％亚硝酸钠。所述55％硝酸钾为占总质量55％的硝酸钾。所述45％亚硝酸盐为占总质量45％的亚硝酸钠。
上述室温为20-25℃。
本发明第二方面提供一种提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法在中低碳低合金中厚板钢中的应用。
优选地，所述中低碳低合金中厚板钢为含碳(C)、硅(Si)和铝(Al)元素的合金钢。
更优选地，所述中低碳低合金中厚板钢中还含有铌(Nb)、钼(Mo)、镍(Ni)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)等任意一种或多种元素。
进一步优选地，所述中低碳低合金中厚板钢，按质量百分比计，包括如下组分：
碳0.3～0.7％；
硅0.05～2.5％；
铝0.01-1.0％；
铌0.0-0.2％；
钼0.0-2.0％；
镍0.0-4.0％；
锰0.05-2.0％；
铬0.0-4.0％；
钒0.0-0.3％。
所述中低碳低合金中厚板钢中含硅、铝元素目的是抑制渗碳体析出，让碳能够在等温处理中由马氏体中快速扩散至奥氏体中；含Nb和Mo元素是为了在碳配分过程或回火过程中析出弥散共格碳化物，从而在不明显降低钢件的塑性情况下强化组织。Mn元素是强固溶强化及稳定奥氏体元素，Ni是稳定奥氏体元素。
如上所述，本发明是一种提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，加热钢件使之完全奥氏体化，然后将钢件淬入不同温度的液体淬火介质中，得到不同含量的马氏体，随后将钢件在更高温度等温一定时间实现碳配分过程，使马氏体中的碳扩散到奥氏体中，具体碳配分温度及时间可通过热力学软件模拟进行优化设计；将等温完成的钢件经油淬、水淬或空冷至室温，获得马氏体和奥氏体混合组织；然后将钢件进行深冷处理一定时间后低温回火，让马氏体组织析出弥散碳化物并调节残余应力，从而提高钢件的强度和韧性。
本发明的一种提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，根据淬火-碳分配-深冷处理-等温回火的原理，提出了让含锰、硅、铝、铌、镍等元素的合金钢进行碳分配和深冷处理加回火工艺处理，从而使钢件带有弥散共格碳化物(非渗碳体)的马氏体和相当含量的残余奥氏体的组织。具体来说，其根据钢件化学成分和强度、韧性要求，来调整初次淬火温度和时间、碳配分温度和时间、等温淬火温度和时间、低温回火温度和时间来获得不同马氏体含量、强度，富碳残余奥氏体和细小弥散碳化物的混合复相组织。
与现有技术相比，本发明中的热处理方法，针对中厚板钢件，在保证高强度的前提下，采用碳分配和深冷回火处理，并合理设计回火温度和时间，大大提高了钢件的冲击韧性，从而提高中厚板高强钢件的强韧性。
附图说明
图1显示为回火过程热电工曲线及电阻变化示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指绝对压力。
此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明。
本发明中实施例使用的中厚板高强钢件为中低碳低合金中厚板钢。所述中低碳低合金中厚板钢为含碳(C)、硅(Si)和铝(Al)元素的合金钢。所述中低碳低合金中厚板钢中还含有铌(Nb)、钼(Mo)、镍(Ni)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)等任意一种或多种元素。所述中低碳低合金中厚板钢，按质量百分比计，优选包括如下组分：碳0.3～0.7％；硅0.05～2.5％；铝0.01-1.0％；铌0.0-0.2％；钼0.0-2.0％；镍0.0-4.0％；锰0.05-2.0％；铬0.0-4.0％；钒0.0-0.3％。
实施例1
选用一种中低碳低合金中厚板钢件，其按质量百分比计，包括如下组分：C：0.46％、Si：1.3％、Mn：1.7％、Mo：0.35％、Nb：0.04％、Ni：1.1％、V：0.06％、Al：0.04％。
将钢件在1050℃高温等温2h，进行均匀化处理。然后将钢件迅速淬入室温条件下油浴的淬火油中搅拌不少于1分钟进行油淬，然后在820℃等温20min进行奥氏体化处理。再迅速淬入恒温盐浴中在220℃等温30s，进行初次淬火。之后立刻将钢件迅速转移至更高温度的恒温盐浴中在310℃等温5min，进行等温淬火。然后水淬至室温，在-180至-50℃的低温液氮与酒精混合介质中等温1h进行深冷处理，再在恒温盐浴中在180℃保温3h，最后水淬至室温，获得钢件样品1#。
实施例2
选用一种中低碳低合金中厚板钢件，其按质量百分比计，包括如下组分：C：0.40％、Si：0.3％、Mn：1.5％、Mo：0.4％、Nb：0.04％、Ni：1.0％、Cr：0.7％、Al：0.045％。
将钢件在1050℃高温等温2h，进行均匀化处理。然后将钢件迅速淬入室温条件下油浴的淬火油中搅拌不少于1分钟进行油淬，然后在860℃等温20min进行奥氏体化处理。再迅速淬入恒温盐浴中在240℃等温30s，进行初次淬火。之后立刻将钢件迅速转移至更高温度的恒温盐浴中在350℃等温10min，进行等温淬火。然后水淬至室温，在-180至-50℃的低温液氮与酒精混合介质中等温1h进行深冷处理，再在恒温盐浴中在250℃保温3h，最后水淬至室温，获得钢件样品2#。
实施例3
选用一种中低碳低合金中厚板钢件，其按质量百分比计，包括如下组分：C：0.35％、Si：0.3％、Mn：1.4％、Mo：0.3％、Nb：0.03％、Ni：1.0％、Cr：0.7％、Al：0.04％。
将钢件在1050℃高温等温2h，进行均匀化处理。然后将钢件迅速淬入室温条件下油浴的淬火油中搅拌不少于1分钟进行油淬，在860℃等温20min进行奥氏体化处理。再迅速淬入恒温盐浴中在250℃等温30s，进行初次淬火。之后立刻将钢件迅速转移至更高温度的恒温盐浴中在380℃等温10min，进行等温淬火。然后水淬至室温，在-180至-50℃的低温液氮与酒精混合介质中等温1h进行深冷处理，再在恒温盐浴中在200℃保温3h，最后水淬至室温，获得钢件样品3#。
实施例4
将上述实施例1-3中获得的钢件样品1-3#进行相关性能测试，测试结果见表1。由表1可知，本发明中经热处理后的钢件，在保证高强度的前提下，其强韧性大大提高。
表1钢件样品相关性能测试表
项目 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％) -40℃低温冲击功(J)
样品1# 1510 2100 9 16
样品2# 1430 1950 11 17
样品3# 1250 1890 12 16
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，包括以下步骤：
1)将钢件进行均匀化处理；
2)将经步骤1)处理后的钢件迅速淬入油浴中进行油淬，然后进行奥氏体化处理；
3)将经步骤2)处理后的钢件迅速淬入盐浴中进行淬火后，再冷却；
4)将经步骤3)处理后的钢件进行深冷处理后，再进行保温处理。
2.根据权利要求1所述的提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，其特征在于，在步骤1)中，所述均匀化处理的加热温度为1000-1200℃；所述均匀化处理的等温时间为2～5h。
3.根据权利要求1所述的提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，其特征在于，在步骤2)中，所述奥氏体化处理的温度为800-1000℃；所述奥氏体化处理的等温时间根据钢件具体厚度调整，即每毫米厚度的钢件所需奥氏体化处理的等温时间不少于2分钟。
4.根据权利要求1所述的提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，其特征在于，在步骤3)中，所述淬火，包括如下步骤：
A)将钢件迅速淬入盐浴中进行初次淬火；
B)将钢件迅速转移至比步骤A)中盐浴具有更高温度的盐浴中等温处理一段时间后，淬至室温。
5.根据权利要求4所述的提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，其特征在于，在步骤A)中，所述初次淬火的时间为5～300s；所述初次淬火的温度根据所需马氏体体积分数决定。
6.根据权利要求4所述的提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，其特征在于，在步骤B)中，所述等温处理的时间为10～1800s；所述等温处理的温度为250-450℃。
7.根据权利要求1所述的提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，其特征在于，在步骤4)中，所述深冷处理的时间为1800-10800s；所述深冷处理的温度为-180至-50℃。
8.根据权利要求1所述的提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，其特征在于，在步骤4)中，所述保温处理在盐浴中进行，所述保温处理的温度为150-250℃；所述保温处理的时间为1800-18000s。
9.根据权利要求1所述的提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法，其特征在于，所述盐浴中的淬火介质为55％硝酸钾和45％亚硝酸钠。
10.根据权利要求1-9任一所述的提高中厚板高强钢件强韧性的热处理方法在中低碳低合金中厚板钢中的应用。
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