CN106906340B - 一种细晶热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种细晶热处理方法，属于热处理技术领域。本发明细晶热处理方法，包括以下步骤：a)将亚共析钢加热至AC3±10℃，第一次保温；然后继续升温至AC3+50～100℃，第二次保温；或b)将过共析钢加热至AC1±0～20℃，第一次保温；然后继续升温至AC1+50～100℃，第二次保温；a)和b)中第二次保温时间均为第一次保温时间的1/4‑1/3。钢材经本发明细晶热处理方法处理后，晶粒细小而均匀，综合机械性能得到明显提高。

Description

一种细晶热处理方法
技术领域
本发明涉及一种细晶热处理方法，属于热处理技术领域。
背景技术
通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。
一般而言，细晶试样不但强度高，而且韧性也好。所以细晶强化成为金属材料的一种重要强化方式，获得了广泛的应用。在大量试验基础上，建立了晶粒大小与金属强度的定量关系的一般表达式为：
σy＝σ0+kd-n
式中，σy为流变应力，σ0为晶格摩擦力，d为晶粒直径，k为与材料有关的参数，指数n常取0.5。这就是有名的Hall-Petch公式，是由Hall和Peteh两人最先在软钢中针对屈服强度建立起来的，并且后来被证明可广泛应用于各种体心立方、面心立方及六方结构金属和合金。大量试验结果已证明，此关系式还可适用于整个流变范围直至断裂，仅常数σ0和k有所不同。
近年来，锻件和铸件日渐大型化，促使冶金技术和装备取得了很大的进展，高洁净钢和超高洁净钢大量应用。高洁净钢和超高洁净钢水由于内部杂质含量非常低，在凝固结晶时没有形核核心，形核困难，并且锻件和铸件的单重和截面尺寸都很大，凝固速度很低。所有这些都会引起晶粒粗大。
晶粒粗大是大型高端铸锻件的普遍问题，通常采用的处理办法是采用变质处理，人为引进形核核心，或者采用多次正火来细化晶粒，对锻件还可以采用控制最后一火次的变形量和终锻温度来细化晶粒。变质处理是比较有效的办法，能解决大部分问题，但变质处理必须引入其它元素，通常是强碳化物形成元素，使其裂纹敏感性增强，并且有一些高端铸锻件对化学成要求很严格，不允许加入变质处理元素，多次正火处理周期长，成本高，表面氧化严重。锻件最后一火次控制其变形量和终锻温度可以细化晶粒，但容易引起混晶，并且再次热处理时加热到高温，晶粒将重新长大，变得粗大。
热处理工艺是细化晶粒最常用的手段，即可单独使用，也可与其它细化晶粒手段配合使用。常规细化晶粒的热理工艺是正火处理或多次正火处理，细化效果较差，效率较低，对于大型件常需多次正火才能达到要求。
授权公告号为CN1332043C的中国发明专利申请超细晶粒的非合金钢或低合金钢的生产方法，将钢加热到AC3温度以上的一个温度T1，以便其结构完全转变为奥氏体结构，借助温度T1和在温度T1下的保持时间(d1)强制阻碍奥氏体的晶粒长大，采用先高温再低温的热处理方式难以保证完全奥氏体化的同时晶粒不长大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种细晶热处理方法，通过阻碍细晶长大达到细化晶粒、提高钢机械性能的目的。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种细晶热处理方法，包括以下步骤：a)将亚共析钢加热至AC3±10℃，第一次保温；然后继续升温至AC3+50～100℃，第二次保温；或b)将过共析钢加热至AC1±0～20℃，第一次保温；然后继续升温至AC1+50～100℃，第二次保温；a)和b)中第二次保温时间均为第一次保温时间的1/4～1/3。
上述a)和b)中第一次保温时间T/h按如下公式确定：
T＝(1+D/100)×η×ψ
其中：D为零件的有效厚度，单位：mm；η为与材料相关的系数，低合金钢取0.95-1.05，碳素钢、C-Mn低合金钢和Si-Mn低合金钢取0.7-0.8，含镍低合金钢和中合金钢取1.1-1.2，高合金钢取1.4-1.6；ψ是与热处理用途相关的系数，性能热处理取0.4-0.6，锻后热处理和铸件退火处理取0.9-1.1。上述η和ψ的取值依据D的相对大小而定，一般来讲，D较大时取下限，D较小时取上限。
上述第二次保温处理后经正火或淬火或退火处理。
上述亚共析钢为含碳量在0.0218％～0.77％之间的钢。常见牌号为：15CrMo、20CrMo、30CrMo、34CrMo、35CrMo、42CrMo、50CrMo、34CrMo1、24CrMo10、20Cr1Mo1、12Cr2Mo1、3Cr-1Mo-1/4V、2 1/4Cr-1Mo-1/4V、21CrMo10、1Cr5Mo、Cr5Mo、12Cr1MoV、24CrMoV、35CrMoV、30Cr2MoV、30Cr1Mo1V、32Cr3WMoV、38CrMoAl、17MoV、20MnMo、18MnMoNb、20SiMn、35SiMn、42SiMn、50SiMn、35SiMnMo、42SiMnMo、35CrMnMo、40CrMnMo、32Cr2MnMo、20Cr2Mn2Mo、18CrMnMoB、30CrMn2MoB、42MnMoV、37SiMn2MoV、37SiMnMoWV、50SiMnMoB、20CrMnTi、12CrNi2、20Cr2Ni4、15Cr2Ni4、17Cr2Ni2Mo、30Cr2Ni2Mo、34CrNi1Mo、34CrNi3Mo、40CrNi、50CrNi、40CrNiMo、40CrNi2Mo、18Cr2Ni4W、15CrNiMoW、25Cr2Ni4MoV、25CrNi3MoV、26Cr2Ni4MoV、5CrMnMo、5CrNiMo、5CrNiW、5SiMn2W、55SiMnMoV、5CrMnSiMoV、3Cr2w8V、4Cr5MoV1Si、6CrW2Si、60SiMnMo、60CrMnMo、60CrMnMo1、50CrNiMo、60CrNiMo、60Cr2NiMoV、45Cr4NiMoV、50Cr5NiMoV、70Cr3Mo等等。
所述过共析钢为含碳量在0.77％～2.11％之间的钢。常用牌号如下：9Cr、9Cr2、9Cr2Mo、9Cr2W、9CrV、T8、T10、T12、GCr15、GCr15SiMn等。
上述钢的牌号一般为锻件或结构件的钢号，铸钢件通常在上述钢号前加上“ZG”字头，如ZG35CrMo。
上述细晶热处理方法可用于锻件锻后热处理、铸件的退火处理和零件的性能热处理。
本发明细晶热处理方法，先在临界点附近奥氏体化，此时由于温度较低，晶粒难以长大，但同时奥氏体化也不充分，稳定性和均匀性较差，然后升到高温进行充分奥氏体化，此时晶粒会长大，但晶粒长大需要有一定的时间，所以需要严格控制保温时间，使之来不及长大，以达到细化晶粒的效果。钢材经本发明细晶热处理方法后，晶粒细小而均匀，综合机械性能得到明显提高。
具体实施方式
实施例1
本实例为托辊轴的锻后热处理工艺，材料为35CrMo，AC3为790℃，有效厚度为φ950mm，采用真空冶炼+真空浇注的双真空高纯钢锭，经锻造成形后，先在780℃保温10小时，然后再加热到890℃保温2.5小时，出炉空冷进行正火处理，最后进行扩氢回火处理。批量生产表明，几乎不出现粗晶，并且热处理周期短，节能效果明显。
对比例1
本对比例为托辊轴的锻后热处理工艺，材料为35CrMo，AC3为790℃，有效厚度为φ950mm，采用真空冶炼+真空浇注的双真空高纯钢锭，经锻造成形后，890℃×8h正火+850℃×10h正火的两次正火工艺，然后进行扩氢回火处理。在超声波探伤检验时经常因晶粒粗大而不合格，不得不进行重复热处理。
实施例2
本实施例采用本发明的细晶热处理工艺对偏心轮进行性能热处理，材料为ZG20CrNi2Mo，AC3为810℃，φ2850×2080mm，有效厚度为H2080mm，先在820℃保温10小时，然后再到910℃保温3小时，出炉进行调质处理。晶粒度7-8级，机械性能达到供货要求。其中一个典型批次的机械性能为：σs＝712MPa；σb＝815MPa，ψ＝19.5％；δ＝63％。
对比例2
本对比例为偏心轮的性能热处理工艺，材料为ZG20CrNi2Mo，AC3为810℃，φ2850×2080mm，有效厚度为H2080mm，热处理工艺为890℃保温10h后出炉调质处理，晶粒较粗大，晶粒度4-5级，机械性能达不到用户要求。
实施例3
采用本发明的细晶热处理工艺进行9Cr2Mo轧辊的退火工艺，AC1为780℃，有效厚度为φ980mm，先在780℃保温9小时，然后再到810℃保温3小时进行退火处理。批量生产很少发现粗晶现象。
对比例3
本对比例为9Cr2Mo轧辊的退火工艺，AC1为780℃，有效厚度为φ980mm，热处理工艺为810℃保温9h退火处理，所得晶粒粗大。

Claims (2)

1.一种细晶热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
a）将亚共析钢加热至AC3±10℃，第一次保温；然后继续升温至AC3＋50~100℃，第二次保温；或
b）将过共析钢加热至AC1±0~20℃，第一次保温；然后继续升温至AC1＋50~100℃，第二次保温；
a）和b）中第二次保温时间均为第一次保温时间的1/4~1/3；
a）和b）中第一次保温时间T/h按如下公式确定：T=(1+D/100)×η×ψ
其中：D为零件的有效厚度，单位：mm；η为与材料相关的系数，碳素钢、C-Mn低合金钢和Si-Mn低合金钢取0.7-0.8，含镍低合金钢和中合金钢取1.1-1.2，高合金钢取1.4-1.6，其他低合金钢取0.95-1.05；ψ是与热处理用途相关的系数，性能热处理取0.4-0.6，锻后热处理和铸件退火处理取0.9-1.1。
2.根据权利要求1所述的细晶热处理方法，其特征在于，所述第二次保温处理后经正火或淬火或退火处理。
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Denomination of invention: A fine grain heat treatment method

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