CN106282494B - 一种中碳合金钢的q-p热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中碳合金钢的Q‑P热处理工艺,包括如下步骤:中碳合金钢在870‑950℃下奥氏体化,随后在水基悬浮液中急冷1‑3s;然后在100‑190℃下保温5‑15min,之后在250‑280℃下保温30‑240min,最后空冷至室温。按本发明所述工艺得到的中碳合金钢,满足普通Q‑P法获得的组织要求,即获得贫碳马氏和高碳残余奥氏体的组合,除此之外,利用本发明对52Mn2SiCr钢处理后硬度达到56HRC以上,是原始试样的1.4倍以上;弯曲强度达到4009.9MPa,挠度达到9.2mm。
Description
技术领域
本发明属于热处理技术领域,是一种使中碳合金钢获得高弯曲性能的Q-P热处理方法。
背景技术
淬火分配工艺(Quenching and partitioning process, Q-P process)是Speer于2003年提出的一种钢的热处理的新工艺,该工艺是将含Si或Al的钢奥氏体化后,在Ms和Mf点之间某一温度(Quenching temperature, QT)淬火,然后在同一温度或更高温度(Partitioning temperature, PT)下保温一定时间,最后空冷至室温的工艺。最终会得到贫碳马氏体和富碳残余奥氏体的组合。Q-P钢是第三代先进高强钢(Advanced highstrength steel, AHSS)的典型代表,具有良好的强韧性组合。它以C-Mn-Si钢为基础,性能高且价格低。作为汽车的车身用钢和结构用钢,可使车身质量大大减轻,提高燃油经济性,还增强了车身的抗撞击能力,因而在汽车工业上得到了广泛的应用。
Q-P处理工艺过程如图1所示。首先将钢材加热奥氏体化,然后立即放入盐浴炉1中淬火,温度为QT,在Ms和Mf之间,随后转移到盐浴炉2中保温一定时间,温度为PT,一般高于QT,最后空冷至室温。
在Q-P处理工艺中,盐浴炉的使用贯穿整个淬火和分配阶段。盐浴主要起保温的作用,成分由硝酸盐或亚硝酸盐混合组成(比如45%NaNO3和55%Na2NO3)。虽然盐浴的保温效果很好,但使用盐浴对中碳合金钢进行Q-P处理存在以下问题:
1、盐浴的冷却速度较慢。如图2所示,在500~800℃时,盐浴的冷却速度高于快速淬火油和普通矿物油。然而在低于400℃时,冷却速度反而比快速淬火油和普通矿物油低。虽然这样有利于减少工件内应力的产生并减缓开裂倾向,但研究表明中碳合金钢在淬火过程中,由于盐浴较弱的冷却能力,会导致除马氏体和残余奥氏体之外的其他相组织出现,如珠光体和铁素体等,从而降低工件的整体力学性能。
2、硝盐的耗能较大。一般来说,淬火工件与盐浴的重量比大约为1: 10。硝盐的用量巨大,根据硝盐的比热和密度,熔化1m3 硝盐至少需要129 kW·h的电能。将1m3硝盐温度每升高或降低1℃,需要吸收或释放的能量为0.86 kW·h。因此,对于大尺寸零件,难以实现盐浴保温。
3、硝盐污染环境、伤害人体。硝酸盐蒸发或排放到空气中,对环境产生巨大污染。亚硝酸盐是一种致癌物质,长期使用,会威胁工作者的人身健康。后续的无污染处理将是一笔巨大的投入。
4、其他问题。比如淬火后,盐易粘结在工件上,残留的盐可引起腐蚀,而小孔、螺纹孔等死角处的清洗较为麻烦。除此之外,盐浴炉内易沉淀渣滓,渣滓较硬时难以清除。
综上所述,在中碳合金钢的Q-P处理过程中,盐浴炉的使用会引起一系列的环境问题和后续处理的困难,而最终获得的组织也难以达到要求获得的力学性能。此外,工业化大规模生产仍存在很大的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中碳合金钢的Q-P热处理工艺,避免了Q-P处理过程中盐浴炉的使用,同样能获得符合性能要求的产品;利用本发明对52Mn2SiCr钢进行Q-P热处理后工件硬度≥56HRC,弯曲强度≥4009.9MPa,挠度≥9.2mm,获得了符合要求的高弯曲性能产品。
实现本发明目的的技术解决方案为:
一种中碳合金钢的Q-P热处理工艺,包括如下步骤:中碳合金钢在870-950℃下奥氏体化,随后在水基悬浮液中急冷1-3s;然后在100-190℃下保温5-15min,之后在250-280℃下保温30-240min,最后空冷至室温。
进一步的,奥氏体化时的保温时间由如下公式计算:保温时间(min)=有效厚度(mm)×0.5-1.5(min/mm)。
进一步的,水基悬浮液的成分如下:
按质量比计,SiO2:Al2O3:Fe2O3:CaO:H2O=0.1:0.15:0.05:0.05:0.65。
进一步的,急冷时水基悬浮液的流速保持在0.1~0.2m/s
本发明与现有技术相比,其显著优点为:
(1)不采用盐浴介质淬火,避免其使用缺陷和可能引起的各种环境问题;也不采用易使工件开裂的普通水淬火。
(2)自制的水基悬浮液延缓了工件的内应力产生,能有效避免开裂,另外,自制的水基悬浮液极大降低热处理成本,同时符合绿色生产理念。
(3)在250-280℃下分配处理,该分配温度较之传统的Q-P热处理工艺相比偏低,较低的分配温度,避免了魏氏组织等的出现,结果表明,采用本发明提供的Q-P热处理工艺,硬度得到明显提升,达到56HRC,弯曲强度达到4009.9MPa,挠度达到9.2mm。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为传统Q-P处理的工艺图
图2为现有技术不同淬火介质的冷却速度比较图。
图3为本发明所述的Q-P热处理工艺过程图。
图4为采用本发明工艺下的52Mn2SiCr钢显微组织金相图。
图5为采用本发明工艺下的52Mn2SiCr钢硬度随热处理工艺变化图。
具体实施方式
如图3所示,本发明所述的一种中碳合金钢的热处理方法,包括其在870-950℃下奥氏体化,奥氏体化保温时(min)=有效厚度(mm)×0.5-1.5(min/mm),随后在自制的水基悬浮液中急冷1-3s,急冷时水基悬浮液的流速保持在为0.1~0.5m/s;然后在100-190℃保温5-15min;之后随炉升温至250-280℃,保温30-240min;最后空冷至室温,其中,水基悬浮液组分质量比如下:SiO2:Al2O3:Fe2O3:CaO:H2O=0.1:0.15:0.05:0.05:0.65。
本发明的具体热处理工艺过程如下:
第一步:准备好两台普通电阻加热炉,一台加热炉温度加热到870-950℃,同时另一台加热炉加热到100-190℃。等待温度稳定,再进行下一步骤。
第二步:将工件快速推入温度为870-950℃的加热炉中,并使得工件靠近热电偶处。保温时间由工件的有效厚度决定,奥氏体化保温时(min)=有效厚度(mm)×0.5-1.5(min/mm)。工件送入加热炉后,等待温度稳定在870-900℃开始计保温时间。
第三步:加热后,快速取出工件,迅速在室温的自制的淬火水基悬浮液介质中淬火1-3s。
第四步:淬火1-3s后,迅速送入温度为100-190℃的加热炉中,保温5-15min(温度稳定再计时)。
第五步:随炉升温至250-280℃,保温30-240min后空冷至室温。
图4所示的为采用本发明实施例所述的热处理工艺得到的52Mn2SiCr钢的显微组织。从图4可以看到平行的贝氏体束,黑色块状/条状马氏体,细小的马氏体/贝氏体加残余奥氏体。残余奥氏体和贝氏体对材料的韧性起着较大的作用,而贝氏体和高碳马氏体为材料强度的主要影响因素。
经实施例所述的Q-P热处理工艺处理前后硬度值的比较如图5所示。硬度值的高低往往可以最直观地反映性能的好坏。从图5中可以看出,与原始试样相比,经实施例所述的Q-P热处理工艺处理后,硬度值有了大幅度提高,由原先的40HRC增长到56HRC以上,是原先的1.4倍以上。
表1为采用本发明实施例所述工艺后52Mn2SiCr钢弯曲强度与弯曲挠度随热处理工艺的变化。可以发现随着分配时间的增加,弯曲强度不断增大,120min时达到最大值。随着淬火温度的提高,弯曲强度不断增大。弯曲挠度的变化规律与弯曲强度一致。即当淬火温度为180℃,分配时间为240min时,弯曲强度最大,达4009.9MPa,挠度最大,为9.2mm。也就是说,淬火温度为180℃,分配时间为120min时,该中碳合金钢可以获得最佳的强韧性组合。
表1 采用本发明工艺下的52Mn2SiCr钢弯曲强度与弯曲挠度随热处理工艺的变化
Claims (3)
1.一种中碳合金钢的Q-P热处理工艺,其特征在于,包括如下步骤:中碳合金钢在870-950℃下奥氏体化,随后在水基悬浮液中急冷1-3s;然后在100-190℃下保温5-15min,之后在250-280℃下保温30-240min,最后空冷至室温,其中,水基悬浮液的成分如下:
按质量比计,SiO2:Al2O3:Fe2O3:CaO:H2O=0.1:0.15:0.05:0.05:0.65。
2.如权利要求1所述的工艺,其特征在于,奥氏体化时的保温时间由如下公式计算:保温时间/min=有效厚度/mm×0.5-1.5/min/mm。
3.如权利要求1所述的工艺,其特征在于,急冷时水基悬浮液的流速保持在0.1~0.2m/s。
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