CN108359904B - 一种改善极寒条件下锻态电力金具低温脆性的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改善极寒条件下锻态电力金具低温脆性的热处理方法，金具成分包括：碳0.32％～0.45％，硅0.17％～0.37％，锰0.40％～0.80％，磷不大于0.025％，硫不大于0.025％，铬0.80％～1.20％，钼0.15％～0.25％，镍、铜总量不大于0.030％，余量为Fe和不可避免杂质；方法包括：S1、正火；S2、将处理后合金钢件升温至500±10℃，保温30分钟，然后继续升温至850±10℃，保温90分钟，水淬转油淬；S3、处理后合金钢件升温至550±10℃，保温120分钟回火，出炉油冷；S4、将处理后合金钢件升温至500±10℃，保温30分钟，然后继续升温至800±10℃，保温90分钟，水淬转油淬；S5、将处理后合金钢件升温至640±10℃，保温120分钟，出炉油冷。经处理后，合金钢件室温和低温脆性显著改善，满足电力金具在极寒气候下长期工作的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种锻态电力金具热处理技术方法，改善其在极寒气候服役条件下的低温脆性。
背景技术
中碳合金结构钢具有很高的静力强度、冲击韧性和较高的疲劳极限，同时具有良好的淬透性和锻造加工成形性。特别是经过一定的热处理，可以有效地提高材料的机械性能。而材料机械性能中的强度、硬度、塑性及韧性往往是相互制约的，可以通过调整热处理来优化合金内部组织结构进而侧重改善某方面的性能，使合金钢满足不同服役环境下的力学性能要求。
采用中碳合金钢锻造成形的架空线路用电力金具主要用作连接和组合电力系统中的各类装置，以传递机械载荷、电气负荷及起到防护作用。当金具处于俄罗斯西伯利亚高寒地区气候条件下工作时，积雪、覆冰引起的金具冻裂、低温脆性等对金具运行寿命会带来不利影响。因此，要求金具材料具有较低的韧脆转变温度和良好的低温强塑性，特别是在-50℃～-70℃之间仍然保持良好的冲击韧性。然而，针对中碳合金钢的常规调质处理难以满足上述要求。
基于上述用途，提供一种与该电力金具极寒服役环境相适应的热处理，以解决低温塑韧性不足带来的脆裂问题。目前虽然已有一些关于通过热处理改善中碳合金钢(如35CrMo、42CrMo)冲击韧性的专利报道。但由于实施过程中加热、保温及冷却方式的不同，造成性能差别较大，未能达到理想水平，特别是一旦出现淬裂或贝氏体转变以及回火处理阶段的回火脆性问题，将直接对最终塑韧性产生不良影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种改善极寒服役条件下的锻态电力金具低温脆性的热处理工艺方法。其中，金具为包括如下质量分数元素的合金钢件：
碳0.32％～0.45％，
硅0.17％～0.37％，
锰0.40％～0.80％，
磷不大于0.025％，
硫不大于0.025％，
铬0.80％～1.20％，
钼0.15％～0.25％，
镍、铜总量不大于0.030％，
余量为Fe和不可避免杂质；
热处理步骤包括：
S1、将合金钢件升温至860±10℃正火，保温50～70分钟后，出炉空冷；
S2、将上述处理后合金钢件升温至500±10℃，保温20～40分钟，然后继续升温至850±10℃，保温80～100分钟，出炉水淬至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却；
S3、上述处理后合金钢件升温至550±10℃，保温100～140分钟回火，出炉油冷；
S4、将上述处理后合金钢件升温至500±10℃，保温20～40分钟，然后继续升温至800±10℃，保温80～100分钟，出炉水淬至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却；
S5、将上述处理后合金钢件升温至640±10℃，保温100～140分钟回火，出炉油冷。
经本发明方法处理后，合金钢件室温和低温脆性显著改善，适用于电力金具在极寒气候下长期工作的要求。
合金钢件中钼元素对合金钢由奥氏体分解为珠光体的转变有强烈的抑制作用，但钼对贝氏体的转变抑制作用微不足道，往往贝氏体开始转变曲线靠近左边。为避免淬火过程中油淬冷速不足可能产生的大量上贝氏体对塑韧性的不良影响，淬火过程均采用水淬转油淬的方式，同时防止了马氏体转变区淬裂倾向。
合金钢件中钼元素含量过低，对第二类回火脆性的抑制作用不明显。回火均采用油冷方式，避免了冷速较慢的空冷可能引起的第二类回火脆性对合金钢件塑韧性的不利影响及表面氧化脱碳问题，同时提高生产效率。
在一些实施方式中，步骤S1中待正火合金钢采用冷却后的锻态钢件。
本发明工艺采用锻态钢件经正火处理后，再经两次淬火和回火的热处理方式。
正火主要是消除锻造内应力，为淬火做组织准备。
第一次淬火回火采用的是中碳合金钢的调质工艺，得到回火索氏体组织，为第二次淬火作组织准备。
第二次采用略低于Ac3温度进行亚温淬火，利用马氏体组织之间包含少量细小残存分散的铁素体来提高合金钢件的韧性。
另外，第一次回火采用550±10℃的较低回火温度，目的是保持较细的碳化物和马氏体束组织的方向性，在第二次亚温淬火过程中形成较细的铁素体，并在其之间形成同向长大的马氏体组织。
第二次回火采用640±10℃的较高回火温度，目的是进一步改善合金钢件塑韧性。
该成分合金钢件用经本发明的方法处理后，合金钢件室温断后伸长率可达26.8％，在-70℃仍然保持良好的冲击韧性，冲击吸收功约81J，满足了西伯利亚高寒地区气候条件下的长期稳定工作要求。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、在调质处理基础上采用亚温淬火处理过程中，通过控制淬火和回火过程中的冷速条件，防止了马氏体转变区淬裂的可能性，同时有效消除了上贝氏体组织及回火脆性对合金钢件塑韧性带来的不利影响。
2、考虑了两次回火温度的区别，第一次回火目的是保持较细的碳化物和马氏体束组织的方向性，为形成细条状分布铁素体作淬火组织准备。第二次回火后组织中碳化物球化及组织方向性减弱，提高了合金钢件塑韧性。
在一些实施方式中，步骤S1中将锻后冷却的合金钢件置于温度低于100±10℃的箱式炉中正火，升温到860±10℃，保温50～70分钟后，出炉空冷。
在一些实施方式中，锻态钢件采用柱状铸态钢件锻造。
在一些实施方式中，S2与S4中出炉水淬至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却时间点通过红外线测温仪判断。
在一些实施方式中，S2与S4中出炉水淬至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却时间点通过声级计判断。可以通过声级计与红外线测温仪的联动使用，找到声级计的最佳参数范围。
附图说明
图1为实施例2提供的热处理方法所得金具在-70℃下的冲击试样断口照片图；
图2为对比例1提供的热处理方法所得金具在-70℃下的冲击试样断口照片图。
具体实施方式
本发明提供一种改善极寒服役条件下的锻态电力金具低温脆性的热处理工艺方法，该电力金具成分包括如下质量分数的元素：
碳0.32％～0.45％，
硅0.17％～0.37％，
锰0.40％～0.80％，
磷不大于0.025％，
硫不大于0.025％，
铬0.80％～1.20％，
钼0.15％～0.25％，
镍、铜总量不大于0.030％，
余量为Fe和不可避免杂质；
采用本发明提供的工艺处理上述成分的锻态金具，进行了实施例1～3；并以现有工艺进行了对比例1、2；
实施例1：
采用规格为Φ55mm×140mm柱状钢坯锻造至电力金具所需形状的锻态合金钢件，将其置于温度低于100℃的箱式炉中正火，升温到860℃，保温60分钟后，出炉空冷；
正火后将合金钢件升温至500℃，保温30分钟，然后继续升温至850℃，保温90分钟，出炉水淬，将水淬后合金钢件冷却至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却；
淬火后将合金钢件升温至540℃，保温120分钟回火，出炉油冷；
上述处理后将合金钢件升温至500℃，保温30分钟，然后继续升温至790℃，保温90分钟，出炉水淬，将水淬后合金钢件冷却至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却；
淬火后将合金钢件升温至630℃，保温120分钟回火，出炉油冷。
实施例2：
采用规格为Φ55mm×140mm柱状钢坯锻造至电力金具所需形状的锻态合金钢件，将其置于温度低于100℃的箱式炉中正火，升温至860℃，保温60分钟后，出炉空冷；
正火后将金具升温至500℃，保温30分钟，然后继续升温至850℃，保温90分钟，出炉水淬，将水淬后合金钢件冷却至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却；
淬火后将合金钢件升温至550℃，保温120分钟回火，出炉油冷；
上述处理后将合金钢件升温至500℃，保温30分钟，然后继续升温至800℃，保温90分钟，出炉水淬，将水淬后合金钢件冷却至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却；
淬火后将合金钢件升温至640℃，保温120分钟回火，出炉油冷。
实施例3：
采用规格为Φ55mm×140mm柱状钢坯锻造至电力金具所需形状的锻态合金钢件，将其置于温度低于100℃的箱式炉中正火，升温至860℃，保温60分钟后，出炉空冷；
正火后将合金钢件升温至500℃，保温30分钟，然后继续升温至850℃，保温90分钟，出炉水淬，将水淬后合金钢件冷却至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却；
淬火后将合金钢件升温至560℃，保温120分钟回火，出炉油冷；
上述处理后将合金钢件升温至500℃，保温30分钟，然后继续升温至810℃，保温90分钟，出炉水淬，将水淬后合金钢件冷却至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却；
淬火后将合金钢件升温至650℃，保温120分钟回火，出炉油冷。
对比例1：
采用规格为Φ55mm×140mm柱状钢坯锻造至电力金具所需形状的锻态合金钢件，将其置于温度低于100℃的箱式炉中正火，升温至860℃，保温60分钟后，出炉空冷；
正火后将合金钢件升温至500℃，保温30分钟，然后继续升温至850℃，保温90分钟，出炉油淬冷却；
淬火后将合金钢件升温至550℃，保温120分钟回火，出炉油冷。
对比例2：
采用规格为Φ55mm×140mm柱状钢坯锻造至电力金具所需形状的锻态合金钢件，将其置于温度低于100℃的箱式炉中正火，升温到860℃，保温60分钟后，出炉空冷；
正火后将合金钢件升温至500℃，保温30分钟，然后继续升温至800℃，保温90分钟，出炉水淬，将水淬后合金钢件冷却至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却；
淬火后将合金钢件升温至640℃，保温120分钟回火，出炉油冷。
将处理后的金具进行拉伸力学性能与冲击性能测试，所用测试方法均采用相应国家标准(GB/T 228-2002；GB/T 229-2007)，测试结果如表1所示。
表1：实施例1～3及对比例1、2的金具性能测试结果
如表1所示，经本发明方法处理后，金具抗拉和屈服强度有所下降，但塑韧性显著改善，材料低温-50℃～-70℃冲击性能大幅提高，-70℃冲击吸收功达81J，室温断后伸长率达26.8％。
图1、2为经过实施例2和对比例1的工艺后，钢件在-70℃下的冲击试样断口比较。
与对比例相比，实施例中的冲击断面纤维区明显较多，晶状区占比不超过50％，冲击过程表现出一定的韧性断裂，表明采用该发明工艺能够满足金具在西伯利亚高寒地区气候条件下的长期稳定工作要求。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种改善极寒条件下锻态电力金具低温脆性的热处理方法，其特征在于：所述金具为包括如下质量分数元素的合金钢件：
碳 0.32％～0.45％，
硅 0.17％～0.37％，
锰 0.40％～0.80％，
磷不大于 0.025％，
硫不大于 0.025％，
铬 0.80％～1.20％，
钼 0.15％～0.25％，
镍、铜总量不大于 0.030％，
余量为Fe和不可避免杂质；
所述热处理步骤包括：
S1、将所述合金钢件升温至860±10℃正火，保温50～70分钟后，出炉空冷；
S2、将上述处理后合金钢件升温至500±10℃，保温20～40分钟后，然后继续升温至850±10℃，保温80～100分钟，出炉水淬至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却；
S3、上述处理后合金钢件升温至550±10℃，保温100～140分钟回火，出炉油冷；
S4、将上述处理后合金钢件升温至500±10℃，保温20～40分钟后，然后继续升温至800±10℃，保温80～100分钟，出炉水淬至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却；
S5、将上述处理后合金钢件升温至640±10℃，保温100～140分钟回火，出炉油冷。
2.根据权利要求1所述热处理方法，其特征在于：步骤S1中待正火合金钢采用冷却后的锻态钢件。
3.根据权利要求2所述热处理方法，其特征在于：步骤S1中将锻后冷却的合金钢件置于温度低于100±10℃的箱式炉中正火，升温到860±10℃，保温50～70分钟后，出炉空冷。
4.根据权利要求2所述热处理方法，其特征在于：所述锻态钢件采用柱状铸态钢件锻造。
5.根据权利要求1所述热处理方法，其特征在于：所述S2与S4中出炉水淬至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却时间点通过红外线测温仪判断。
6.根据权利要求1所述热处理方法，其特征在于：所述S2与S4中出炉水淬至合金钢件Ms点温度转入油池中继续油淬冷却时间点通过声级计判断。
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