CN107805703B - 一种提高过共析碳素钢珠光体转变形核率的方法及装置 - Google Patents

一种提高过共析碳素钢珠光体转变形核率的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高过共析碳素钢珠光体转变形核率的方法及装置，通过热处理过程控制过共析钢奥氏体微区碳浓度，利用过共析钢过冷奥氏体在进行珠光体转变前，已经在微区形成了碳浓度差，来提高其珠光体转变形核率，从而满足提高过共析钢中珠光体转变形核率，获得珠光体团尺寸细化的全片层珠光体组织。本发明能够通过热处理工艺与相变过程控制，在保证一定晶粒尺寸条件下实现对过共析钢珠光体团尺寸的细化，由此提高过共析碳素钢的塑性指标，满足过共析高碳珠光体线材冷拔加工需要。

Description

一种提高过共析碳素钢珠光体转变形核率的方法及装置
技术领域
本发明涉及金属线材微观组织性能控制领域，属于过共析钢金属制品加工领域。
背景技术
珠光体是一种由渗碳体与铁素体片层交替排列的组织。其微观结构组织尺寸主要有原奥氏体晶粒尺寸，珠光体片层间距和珠光体团尺寸。过共析钢是指碳含量超过0.8％以上的碳素钢，其三相平衡温度为Ac1线，其碳在奥氏体中完全溶解度曲线为Accm线，Ac1温度与Accm温度之间为先共析渗碳体与奥氏体的两相区。
相关珠光体微观组织尺寸与性能关系的研究工作主要是通过不同奥氏体化温度得到不同原奥氏体晶粒尺寸，再通过不同的等温温度或冷却速度来获得不同尺寸的片层间距等组织参量(即随过冷奥氏体等温温度的降低，其珠光体片层间距细化)。珠光体钢的强度主要受片层间距影响，而其塑韧性主要受晶粒尺寸和团尺寸影响[1-4]。但目前珠光体线材的生产制造过程中，只针对珠光体团尺寸的控制来说，还没有单一的控制手段。一般来说，原奥氏体晶粒细小，在相变过程中，能够提供形核位置的晶界密度较大，则其珠光体团的尺寸相对细小，而对于力学性能的改变，较难准确分辨是珠光体团尺寸细化的影响还是晶粒尺寸细化的影响。
同时，根据Hall-Petch关系，屈服强度σ0.2将随晶粒的细化而增加，这一现象是完全不利于钢丝冷变形的需要的，因为钢丝制造需要通过冷拔变形来实现，屈服强度的提高会提高拔制卷线动力，从而加大设备负荷。特别是过共析钢，由于其碳含量较高，渗碳体含量高，渗碳体片层相对较厚，其强度高，变形困难，这就更需要通过细化珠光体团尺寸来满足塑性提高的要求。
本发明的背景就在于此，上述背景中涉及以下参考文献。
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发明内容
本发明的目的是提供一种提高过共析碳素钢珠光体转变形核率的方法及装置，通过热处理工艺与相变过程控制，在保证一定晶粒尺寸条件下实现对过共析钢珠光体团尺寸的细化，由此提高过共析碳素钢的塑性指标，满足过共析高碳珠光体线材冷拔加工需要。
本发明的技术方案如下：
首先，本发明的这种提高过共析碳素钢珠光体转变形核率的方法，是通过热处理过程控制过共析钢奥氏体微区碳浓度，利用过共析钢过冷奥氏体在进行珠光体转变前，已经在微区形成了碳浓度差，来提高其珠光体转变形核率，从而满足提高过共析钢中珠光体转变形核率，获得珠光体团尺寸细化的全片层珠光体组织。
具体的，该方法包括如下步骤：
步骤1，针对碳含量超过共析点的线材首先进行预处理，通过在线奥氏体加热后，快速冷却获得片层间距小于200nm的珠光体原始组织，完成预处理；
步骤2，再次将线材快速加热到该过共析钢相变点Accm点以上10-100℃的奥氏体区保温5-300秒；然后再快速冷却到Accm以下以及Ac1以上的先共析渗碳体与奥氏体的两相区区域，保持1-200秒；再次将以上线材加热到Accm点以上10-100℃的奥氏体区保温5-300秒；进行以上加热冷却循环步骤2-5次，由此得到精细的微区碳成分差异；
步骤3，完成以上循环后，将线材在在共析钢相变点Accm点以上30-100℃的奥氏体区保温5-300秒，然后快速冷却到Ac1温度以下常规珠光体转变温度500-600℃区间等温完成珠光体相变。
其中，步骤1中所述预处理是将线材在利用电加热或是高频加热的方式，加热到完全奥氏体化温度Accm点到950℃的温度区间，利用压缩空气进行喷射冷却，压缩空气压力为0.2-0.8MPa，冷却时间为1-10秒。
步骤2中所述加热冷却循环是指线材加热到Accm以上及冷却到Accm以下的升温降温是连续进行的；可以通过连续的线材加热及冷却装置来实现。
步骤3中所述完成珠光体相变是指当完成上述循环后，在奥氏体状态Accm点以上30-100℃的奥氏体区保温5-300秒后，再快速冷却到500-600℃完成珠光体相变；其快速冷却可以通过压力为0.2-0.8MPa的压缩空气连续冷却来实现。
进一步的，前述的连续的线材加热及冷却装置包括用于线材的加热部分和冷却部分；加热部分由直流电流在线加热装置，或采用高频加热的方式进行；冷却部分采用压缩空气进行冷却，其出口压力在0.2-0.8MPa，可以根据线材直径进行冷速调整；加热与冷却装置在生产线上进行周期性分布来满足循环加热的要求。
本发明的一种用于实现上述方法的装置是这样的：该装置分为四个模块，即预处理模块，循环加热冷却模块，重复布置模块和快速冷却模块；处理时待处理线材依次穿过所述四个模块；在四个模块中均设有至少一个空气压缩机，该空气压缩机在每个模块中均位于待处理线材运动路线的上方，并且每个空气压缩机下方设有一个可调压冷却喷嘴，该可调压冷却喷嘴朝向待处理线材运动路线；在待处理线材运动路线下方设有用于带动待处理线材运动的运动导轮以及将上方传下来的冷却风向下一个模块中导送的导风槽。
其中，运动导轮每两个作为一组，分别通过导线连接一个直流电发生器的正负极，组成正极线材运动导轮和负极线材运动导轮。
本发明是通过在奥氏体微区实现高密度，细化的碳浓度不均匀区，来满足过冷奥氏体相变过程中“浓度起伏”的要求，从而降低相变阻力，提高相变形核率与转变速率，从而通过珠光体转变形核率与长大速度的增加，实现“珠光体团尺寸”的细化。
本发明是利用在过共析钢Accm上下一定温度区间内反复加热冷却，利用先前预处理形成的珠光体组织，通过加热到Accm以上奥氏体化，然后再回到Accm以下Ac1以上区域析出先共析渗碳体的趋势，加快预处理过程中片状渗碳体的稳定性。从而在完全奥氏体温度区间短时保温过程中，碳浓度不会很快的均匀，由此在奥氏体温度下，在奥氏体中形成高密度的，细小的碳浓度不均匀区域，将该区域快速冷却到珠光体相变温度，由于高密度的不均匀碳浓度能够降低过冷奥氏体转变所需驱动力，因此其转变形核率增加，速率加快。
附图说明
图1是本发明的过共析钢微区碳浓度细化示意图；
图2是本发明中的生产线示意图；
图3是经循环后所得到的碳浓度微区形貌示意图；
图4是晶粒尺寸示意图；
图5是常规560℃直接等温珠光体团示意图；
图6是通过本发明实施所得到的珠光体团示意图。
附图标记说明：1-预处理模块，2-循环加热冷却模块，3-重复布置模块，4-快速冷却模块，5-待处理线材，6-空气压缩机，7-可调压冷却喷嘴，8-正极线材运动导轮，9-负极线材运动导轮，10-导风槽，11-直流电发生器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的任何限制。
本发明的方法包括利用电加热和压缩空气喷射冷却，首先通过预处理获得均匀的片层珠光体组织。随后重新加热到奥氏体相区，然后快速冷到过共析钢Accm线与Ac1线之间短时保温，再快速加热到奥氏体相区，由此在奥氏体相区与Accm线与Ac1线之间温度循环1-5次左右后，再次从奥氏体温度条件下快速冷却到500-600℃，完成珠光体相变。这样既可得到珠光体转变形核率，细化珠光体团尺寸。
以下内容请参阅图1-图6：
图1为1.5％C的过共析碳素钢为例来描述过共析碳素钢丝珠光体团细化处理整个过程，图中粗点画线为1.5％C成分在相图中的位置，其中①②③④⑤区域分别代表的是1.5％C含量碳素钢的升温降温过程，整个过程中成分未发生改变，因此其所对应的各相变点也未发生改变。左边①为预处理过程，右边为循环加热②③④，以及冷却到珠光体转变温度的过程⑤。其中①预处理为将线材奥氏体化后，快速冷却到“珠光体转变温度”得到细化的珠光体片层组织，根据珠光体转变组织影响因素，可以通过调整冷速来得到细化的片层结构。随后再加热到奥氏体相区，开始进行循环。循环开始为②，即将已经奥氏体化的线材冷却到Accm以下，渗碳体与奥氏体两相区，然后再加热到奥氏体化温度③后，再次冷却到渗碳体与奥氏体两相区，根据细化需要可进行多次重复④，最后线材再次加热到奥氏体化温度后，被快速冷却到Ac1以下珠光体转变温度，从而得到高珠光体形核率，细小珠光体团尺寸的组织。
本发明方案的实现，可通过图2所示的加热冷却生产线来自动、快速的完成：该生产线的装置分为四个模块，即预处理模块1，循环加热冷却模块2，重复布置模块3和快速冷却模块4；处理时待处理线材5依次穿过所述四个模块；在四个模块中均设有至少一个空气压缩机6，该空气压缩机6在每个模块中均位于待处理线材5运动路线的上方，并且每个空气压缩机6下方设有一个可调压冷却喷嘴7，该可调压冷却喷嘴7朝向待处理线材5运动路线；在待处理线材5运动路线下方设有用于带动待处理线材5运动的运动导轮以及将上方传下来的冷却风向下一个模块中导送的导风槽10。运动导轮每两个作为一组，分别通过导线连接一个直流电发生器11的正负极，组成正极线材运动导轮8和负极线材运动导轮9。每一个模块中的处理流程和处理参数有所区别，因此虽然各个模块的内部构造相同，但是具体实施时存在较大的区别。其中重复布置模块3是指按照预定的循环次数用于重复布置循环加热冷却模块2以满足循环次数的要求。
图中预处理模块1为预处理区，空心和实心圆圈代表线材运动导轮，在分别通上直流电后，可同时作为正极和负极，即空心圆圈构成正极线材运动导轮8，实心圆圈构成负极线材运动导轮9，由此可对导轮中间的待处理线材5进行加热，当奥氏体化的线材运动出实心轮后，马上受到空气压缩机6下方的可调压冷却喷嘴7喷出压缩空气的作用，被冷却到珠光体相变温度，得到细化的片层状珠光体，完成预处理。随后待处理线材5运动进入循环加热冷却模块2中，该模块主要负责线材在Accm温度上下波动，因此该区域加热及喷气冷却耗能较小，也是通过导轮电极的控制加热，且压缩空气控制冷却，循环加热冷却模块2可以根据线材特点，在重复布置模块3中重复布置来满足在Accm温度反复加热冷却的要求。在完成循环后，进入快速冷却模块4，该区详细名称应为快速冷却获得珠光体模块，在该区域通过导轮电极再次加热到奥氏体状态后，采用压缩空气直接冷却到珠光体转变温度，获得细小的珠光体团，完成处理，进入其他生产流程。
实施例1：
对过共析0.95％C的盘条用钢预拔制为4.2mm的钢丝，进行重新索氏体化处理，采用通电导轮进行电加热，
预处理模块1导轮直流电电流为800-1000A(根据走丝速率设定)，加热时间为5秒内，在经过负极后，可将待处理线材5加热到910℃后，利用0.4MPa的压缩空气进行冷却，单位体积区域冷却时间为2s，冷速为200℃/s,完成预处理。随后再利用通电导轮加热到880℃，电流为800A，保持1-2s，通过0.3MPa的压缩空气冷却到780℃，立刻再通过通电导轮又加热到880℃，保持1-2s，又采用0.3MPa的压缩空气冷却到780℃。随后通过导轮电加热到910℃，其加热直流电电流为1000A，保温2-4秒，利用0.4MPa压缩空气，直接冷却到560℃，完成珠光体转变。过共析线材通过以上工艺条件，获得的微观组织，与采用传统加热等温工艺，所获得的微观组织特征如下，该组织特征中，珠光体团尺寸得到明显的细化，因此本发明的工艺条件，完全可以满足珠光体钢中亚结构珠光体团的尺寸细化要求。如图3为在完成循环后，采用淬火，直接水冷，冻结原始组织所所得到的透射电镜图像，可以明显看见纳米级别的碳化物富集区。(淬火后形成高碳马氏体)。
图4为所用材料原始晶粒尺寸。图5为常规等温工艺条件下所得到的珠光体团形貌尺寸，图6为本发明中通过以上循环工艺后所得到的珠光体团形貌尺寸。可观察到在相同晶粒尺寸条件下，图6中珠光体团的尺寸明显小于图5中珠光体团的尺寸。
以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高过共析碳素钢珠光体转变形核率的方法，其特征在于：通过热处理过程控制过共析钢奥氏体微区碳浓度，利用过共析钢过冷奥氏体在进行珠光体转变前，已经在微区形成了碳浓度差，来提高其珠光体转变形核率，从而满足提高过共析钢中珠光体转变形核率，获得珠光体团尺寸细化的全片层珠光体组织；
该方法包括如下步骤：
步骤1，针对碳含量超过共析点的线材首先进行预处理，通过在线奥氏体加热后，快速冷却获得片层间距小于200 nm的珠光体原始组织，完成预处理；步骤1中所述预处理是将线材在利用电加热或是高频加热的方式，加热到完全奥氏体化温度Accm点到950℃的温度区间，利用压缩空气进行喷射冷却，压缩空气压力为0.2-0.8MPa，冷却时间为1-10秒；
步骤2，再次将线材快速加热到该过共析钢相变点Accm点以上10-100 ℃的奥氏体区保温5-300秒；然后再快速冷却到Accm以下以及Ac1以上的先共析渗碳体与奥氏体的两相区区域，保持1-200秒；再次将以上线材加热到Accm点以上10-100 ℃的奥氏体区保温5-300秒；进行以上加热冷却循环步骤2-5次，由此得到精细的微区碳成分差异；步骤2中所述加热冷却循环是指线材加热到Accm以上及冷却到Accm以下的升温降温是连续进行的；通过连续的线材加热及冷却装置来实现；所述连续的线材加热及冷却装置包括用于线材的加热部分和冷却部分；加热部分由直流电流在线加热装置，或采用高频加热的方式进行；冷却部分采用压缩空气进行冷却，其出口压力在0.2-0.8MPa；加热与冷却装置在生产线上进行周期性分布；
步骤3，完成以上循环后，将线材在在共析钢相变点Accm点以上30-100 ℃的奥氏体区保温5-300秒，然后快速冷却到Ac1温度以下常规珠光体转变温度500-600 ℃区间等温完成珠光体相变。
2.根据权利要求1所述的提高过共析碳素钢珠光体转变形核率的方法，其特征在于：步骤3中所述完成珠光体相变是指当完成上述循环后，在奥氏体状态Accm点以上30-100 ℃的奥氏体区保温5-300秒后，再快速冷却到500-600℃完成珠光体相变；其快速冷却是通过压力为0.2-0.8MPa的压缩空气连续冷却来实现。
3.一种用于实现权利要求1或2所述方法的装置，其特征在于：该装置分为四个模块，即预处理模块（1），循环加热冷却模块（2），重复布置模块（3）和快速冷却模块（4）；处理时待处理线材（5）依次穿过所述四个模块；在四个模块中均设有至少一个空气压缩机（6），该空气压缩机（6）在每个模块中均位于待处理线材（5）运动路线的上方，并且每个空气压缩机（6）下方设有一个可调压冷却喷嘴（7），该可调压冷却喷嘴（7）朝向待处理线材（5）运动路线；在待处理线材（5）运动路线下方设有用于带动待处理线材（5）运动的运动导轮以及将上方传下来的冷却风向下一个模块中导送的导风槽（10）。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述运动导轮每两个作为一组，分别通过导线连接一个直流电发生器（11）的正负极，组成正极线材运动导轮（8）和负极线材运动导轮（9）。
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