CN108285965B - 一种钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺 - Google Patents

一种钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺 Download PDF

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Abstract

本申请提供的钢铁材料的淬火‑配分‑深冷‑回火处理工艺，包括以下步骤：将钢铁材料进行完全或部分奥氏体化处理；再将钢铁材料降温至Ms以下进行淬火处理，其中，Ms为马氏体开始转变的温度；接着，将钢铁材料进行配分处理，配分温度为Ms以上的某一温度或配分温度等于淬火温度，接着冷却至室温；再将钢铁材料进行深冷处理，再升温至室温；接着，进行回火处理。上述钢铁材料的处理工艺通过在淬火‑配分后、回火前安排一次深冷处理，通过将温度降至部分残余奥氏体的Ms以下，使得这部分不稳定残余奥氏体组织发生转变，同时保留下具有较强稳定性的残余奥氏体，该工艺能使钢铁材料在其他性能更优或保持同一水平的前提下，显著提高钢铁材料的冲击韧性。

Description

一种钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺
技术领域
本发明涉及材料处理工艺技术领域，尤其涉及一种钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺。
背景技术
钢中奥氏体可以产生相变诱发塑性(TRIP)效应、阻碍裂纹扩展(BPC)效应和吸收位错(DARA)效应，以及作为主要的“氢陷阱”，可以显著地阻碍裂纹萌生和扩展，提高钢铁材料的耐磨性、抗接触疲劳以及抗延迟断裂性能。不稳定的残余奥氏体在钢铁构件的服役过程中，即使在很小的应变下也诱发转变成马氏体并释放出氢将最终会加快钢中微裂纹的扩展和表层剥落，恶化钢铁构件的服役性能，因此有效调控钢中的残余奥氏体的含量、形态、尺寸等来提高其稳定性将具有十分重要的科学和工程意义。
淬火-配分(quenching&partitioning,Q&P)和淬火-配分-回火(quenching–partitioning–tempering,Q-P-T)工艺为传统淬火钢中的残余奥氏体调控提供了新的思路。Q&P工艺是指钢从单相奥氏体淬火至马氏体相变开始温度(Ms)和终止温度(Mf)之间的某一温度(Tq)，然后在配分温度下保温一段时间，使碳从过饱和的马氏体中分配(扩散)到奥氏体中去，从而使一定量的残余奥氏体富碳稳定至室温。淬火-配分-回火(quenching–partitioning–tempering,Q-P-T)工艺则对Q&P工艺进行进一步发展，除碳配分处理外，再在一定温度保温时析出共格、弥散的复杂碳化物，呈现析出强化的效果。大量的研究和工程应用已经表明，经过Q&P和Q-P-T处理的钢件比传统的淬火-回火(Q-T)钢件具有更多、更稳定的残余奥氏体。然而，经Q&P或Q-P-T工艺处理后，组织强塑性显著提升，组织中存在较多的残余奥氏体，其稳定性虽有提高，在外部环境的温度与外力的影响下，仍存在部分发生转变而给构件服役带来风险的情况，同时韧性水平不高，因而有必要进一步提高残余奥氏体的稳定性以提高钢铁材料强韧性。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种能够增强钢铁材料韧性、进一步提高钢铁材料中残余奥氏体稳定性的钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺。
一种钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺，包括以下步骤：
将钢铁材料进行完全奥氏体化处理或部分奥氏体化处理；
接着，将所述钢铁材料降温至Ms以下进行淬火处理，其中，Ms为马氏体开始转变的温度；
接着，将所述钢铁材料进行配分处理，配分温度为Ms以上的某一温度或配分温度等于淬火温度，配分处理后将所述钢铁材料冷却至室温；
接着，将所述钢铁材料进行深冷处理，再升温至室温；
接着，进行回火处理。
在一个实施例中，所述深冷处理置于淬火处理-配分处理之后、回火处理之前进行。
在一个实施例中，所述深冷处理的操作为，将所述钢铁材料降温至-80℃～-196℃的深冷温度，在深冷温度保温8h～24h。
在一个实施例中，在所述深冷处理的操作中，以2℃/min～5℃/min的降温速率降温至深冷温度；
将所述钢铁材料进行深冷处理后，以2℃/min～5℃/min的升温速率升至室温。
在一个实施例中，在所述深冷处理的操作中，所述深冷温度为-196℃。
在一个实施例中，在所述深冷处理的操作中，在深冷温度的保温时间为24h。
在一个实施例中，所述深冷处理的操作为，将所述钢铁材料先冷却至-80℃保温2h，再冷却至-150℃保温2h，最后冷却至-196℃保温4h。
在一个实施例中，所述部分奥氏体化处理的温度为Ac1～Ac3；
所述完全奥氏体化处理的温度为Ac3以上；
其中，Ac1为加热时铁素体开始转变为奥氏体的温度，Ac3为加热时铁素体全部转变为奥氏体的终了温度。
在一个实施例中，所述完全奥氏体化的温度为高于Ac3温度30℃～50℃。
在一个实施例中，所述钢铁材料含有Si或Al元素，所述钢铁材料的组织中包含α相和残余奥氏体，所述α相为马氏体或贝氏体或铁素体。
上述钢铁材料的处理工艺通过在淬火-配分后、回火前安排一次深冷处理，通过将温度降至部分残余奥氏体的Ms以下，使得这部分不稳定残余奥氏体组织发生转变，同时保留下具有较强稳定性的残余奥氏体，该工艺能使钢铁材料在提升或保持原有淬火-配分工艺处理后强塑性能的前提下，显著提高钢铁材料的冲击韧性。
附图说明
图1为本申请的钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺的工艺路线图；
图2为本申请的一实施方式的钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺处理的钢铁材料的透射照片；
图3为对比例的传统淬火-配分-回火工艺处理的钢铁材料的EBSD相分布图(黑色为奥氏体，基体为马氏体或贝氏体)；
图4为实施例1的钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺处理的钢铁材料的EBSD相分布图(黑色为奥氏体，基体为马氏体或贝氏体)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图1，一实施方式的钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺，包括以下步骤：
S10、将钢铁材料进行完全奥氏体化处理或部分奥氏体化处理。
钢铁材料含有Si或Al元素等，以保证残余奥氏体的形成。钢铁材料的组织中主要包含α相和少量残余奥氏体，α相为马氏体或贝氏体。可见，钢铁材料并不仅限于马氏体钢，钢中也可包含贝氏体、铁素体、珠光体等其他相。
其中，部分奥氏体化处理的温度为Ac1～Ac3。
完全奥氏体化处理的温度为Ac3以上。优选的，完全奥氏体化的温度为高于Ac3温度30℃～50℃。
其中，Ac3为加热时铁素体全部转变为奥氏体终了温度，Ac1为加热时铁素体开始转变为奥氏体的温度。
S20、接着，将钢铁材料降温至Ms以下进行淬火处理，其中，Ms为马氏体开始转变的温度。
S30、接着，将钢铁材料进行配分处理，配分温度为Ms以上的某一温度或配分温度等于淬火温度，配分处理后将钢铁材料冷却至室温。
配分处理的操作为在配分温度下保温一段时间。在一个实施例中，保温的时间可以为0.1h～12h。
配分温度下保温一段时间，可以使碳从过饱和的马氏体中分配(扩散)到奥氏体中去，从而使一定量的残余奥氏体富碳稳定至室温。
S40、接着，将钢铁材料进行深冷处理，再升温至室温。
深冷处理的操作为，将钢铁材料降温至-80℃～-196℃的深冷温度，在深冷温度保温8h～24h。
在一个实施例中，深冷处理的操作为，将钢铁材料先冷却至-80℃保温2h，再冷却至-150℃保温2h，最后冷却至-196℃保温4h。
在一个实施例中，深冷处理的操作中，深冷温度为-196℃。
在一个实施例中，深冷处理的保温时间为8h～12h。在另一个实施例中，深冷处理的保温时间为12h～24h。优选的，深冷处理的操作中，在深冷温度的保温时间为24h。
S40中，深冷处理的操作中，以2℃/min～5℃/min的降温速率降温至深冷温度。深冷处理后，以2℃/min～5℃/min的升温速率升至室温。
S50、接着，进行回火处理。
在一个实施例中，回火处理的操作为，将钢铁材料从室温升温至150℃～500℃，并保温2h～12h。
优选的，钢铁材料从深冷温度升温至室温后30min之内进行回火处理。
深冷处理通常是指将材料在低温环境下保持一段时间，然后加热到室温来提高其力学性能的一种附加工艺。深冷处理是传统热处理的一种重要的补充工序，用以提高材料的力学性能。由于在室温中保留下来的奥氏体的Ms一般低于室温，所以深冷处理可以将部分奥氏体转变成马氏体，用以保证组织的稳定性。在深冷处理过程中，残余奥氏体可以转变成马氏体，这意味着深冷处理可以消除一些不稳定的残余奥氏体。同时，深冷处理可以通过促使碳化物的形成和均匀分配来提高材料的强度和抗磨损性能。在深冷温度下，收缩的马氏体晶格可以将碳原子“挤出”到缺陷处并减少内应力，后续回火过程中这些碳原子往往有助于碳化物的形核达到析出强化的目的。
因此，本申请的钢铁材料的处理工艺称之为淬火-配分-深冷-回火工艺(Quenching-Partitioning-Cryogenic-Tempering,QPCT)，即通过对Q-P-T工艺进一步优化，在淬火-配分后、回火前安排一次深冷处理。深冷处理通过环境温度的下降，将温度降至部分残余奥氏体的Ms以下，使得这部分不稳定残余奥氏体组织发生转变，同时保留下具有较强稳定性的残余奥氏体，该工艺能使钢铁材料在提升或保持原有淬火-配分工艺处理后强塑性能的前提下，显著提高钢的冲击韧性。另外，深冷处理还能促进钢中微合金元素在回火过程中的析出强化效果。此外，后续回火工艺使剩余的奥氏体进一步稳定，同时促进碳化物的形成以实现析出强化，有助于性能的提升。因此，淬火-配分-深冷-回火工艺可以进一步提高钢铁材料中残余奥氏体稳定性，同时降低残余应力水平。
下面为具体实施例部分。
对比例
将一种低碳低合金钢(20Mn2Si2V)进行传统的淬火-配分-回火(QPT)处理，在900℃奥氏体化后淬火至320℃后，在360℃进行配分处理后，不进行深冷处理，直接进行常规的回火处理。
实施例1
将一种低碳低合金钢(20Mn2Si2V)进行淬火-配分-深冷-回火(QPCT)处理，在900℃奥氏体化后淬火至320℃后，在360℃进行配分处理后，在该温度下保温45min后淬至室温，再以2℃/min的冷却速度冷却至-196℃，保温12～24h之后，以2℃/min的升温速度升温至室温后，进行回火处理。
表1 对比例与实施例1工艺的性能对比
Figure BDA0001547782750000061
可见，低碳低合金锰硅钢(20Mn2Si2V)经上述钢铁材料的处理工艺：淬火-配分-深冷-回火工艺处理后，抗拉强度达到1200MPa～1300MPa，断后伸长率达到17％～19％，U型冲击韧性(20℃)达到110J～140J，获得了具有超高强度与优良塑韧性配合，尤其具备优异的冲击韧性，综合力学性能指标优异，并显著改善残余应力情况。
由表1可以看出，与QPT处理相比，QPCT处理后的试样在强度与硬度方面略有升高，屈服强度明显提高，同时室温冲击韧性(U型)提高了约23％，韧性提高效果显著。请同时参考图2至图4，从组织上看，传统的淬火-配分-回火工艺的组织中块状奥氏体较多，经淬火-配分-深冷-回火处理后组织中奥氏体减少。XRD的检测结果表明，QPT处理后的钢铁材料的残余奥氏体含量为～12vol％，QPCT处理后的钢铁材料的残余奥氏体含量为～10vol％，说明本申请的钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺使其中的块状残余奥氏体及部分膜状奥氏体转化，马氏体与位错密度增加，因此强度与硬度提高。深冷处理使残余奥氏体发生的马氏体相变，从投射照片可以看到其中经膜状奥氏体转变而成膜状马氏体/奥氏体岛，增加了组织中γ/α相界，有利于韧性的提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
将钢铁材料进行完全奥氏体化处理或部分奥氏体化处理；
接着，将所述钢铁材料降温至Ms以下进行淬火处理，其中，Ms为马氏体开始转变的温度；
接着，将所述钢铁材料进行配分处理，配分温度为Ms以上的某一温度或配分温度等于淬火温度，配分处理后将所述钢铁材料冷却至室温；
接着，将所述钢铁材料进行深冷处理，再升温至室温；
接着，进行回火处理；
其中，在所述深冷处理的操作中，以2℃/min～5℃/min的降温速率降温至深冷温度；将所述钢铁材料进行深冷处理后，以2℃/min～5℃/min的升温速率升至室温；
其中，所述深冷处理的操作为，将所述钢铁材料先冷却至-80℃保温2h，再冷却至-150℃保温2h，最后冷却至-196℃保温4h。
2.如权利要求1所述的钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺，其特征在于，所述部分奥氏体化处理的温度为Ac1～Ac3；
所述完全奥氏体化处理的温度为Ac3以上；
其中，Ac1为加热时铁素体开始转变为奥氏体的温度，Ac3为加热时铁素体全部转变为奥氏体的终了温度。
3.如权利要求2所述的钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺，其特征在于，所述完全奥氏体化的温度为高于Ac3温度30℃～50℃。
4.如权利要求1所述的钢铁材料的淬火-配分-深冷-回火处理工艺，其特征在于，所述钢铁材料含有Si或Al元素，所述钢铁材料的组织中包含α相和残余奥氏体，所述α相为马氏体或贝氏体或铁素体。
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