CN108411086A - 一种低成本高性能中碳钢的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本高性能中碳钢的生产工艺，其包括热处理和温轧工序；所述热处理工序：将中碳钢坯料在加热炉内加热到850～865℃，保温；然后将坯料投入84～88℃的热水中进行淬火。本方法首先通过对中碳钢温轧前的预处理，减少先共析铁素体的析出量，增加珠光体的数量，并控制极少量的先共析铁素体沿珠光体晶界呈条状分布；然后通过合理控制温轧工艺参数使铁素体形成细小的亚晶粒，最终组织为超细铁素体加颗粒状碳化物的复相组织，从而显著提升中碳钢的力学性能。采用本方法生产的中碳钢各项性能指标得到显著提升，达到和商业合金钢相当的强度性能；这不仅避免了昂贵合金元素的添加，并且减少的合金元素含量还有利于焊接性的提高。

Description

一种低成本高性能中碳钢的生产工艺

技术领域

本发明属于钢铁材料制备技术领域，尤其是一种低成本高性能中碳钢的生产工艺。

背景技术

碳钢是近代工业中使用最早、用量最大的基本材料。世界各工业国家，在努力增加低合金高强度钢和合金钢产量的同时，也非常注意改进碳钢的质量，扩大品种和使用范围。目前碳钢的产量在各国钢总产量中的比重，约保持在80%左右，它不仅广泛应用于建筑、桥梁、铁道、车辆、船舶和各种机械制造工业，而且在近代的石油化学工业、海洋开发等方面，也得到大量使用。近年来，通过对钢铁材料进行剧烈塑性变形或温变形，使传统钢铁材料的力学性能得以显著提升。研究表明，经过剧烈塑性变形如高压扭转，可使普通碳钢的组织细化到纳米级，从而使纳米晶碳钢的显微硬度提高5～6倍，从2.5GPa左右提高到14GPa左右，这比同成分钢经过高温淬火得到的马氏体硬度更高；即使是通常情况下很软的纯铁，在纳米晶结构状态下也具有4～5GPa的极高硬度。可见，将成分简单的中低碳钢进行超细晶/纳米晶化，可以获得与一些商业合金钢相当的强度性能。这不仅避免了昂贵合金元素的添加，也省略了合金钢所需的复杂热处理与热加工工序，并且减少的合金元素含量还有利于焊接性的提高。这对于发展高性能、低成本短流程钢铁材料无疑是非常有利的。

目前有关亚微米/纳米晶中碳钢的制造方法均处于实验室研究阶段，都无法用于实际的轧制生产线。同时，目前关于亚微米/纳米晶的研究主要集中在面心立方金属材料，如Al、Ni、Cu等。因此迫切需要开发出适用工业生产的亚微米/纳米晶中碳钢的生产工艺及其控制方法，以提升普通碳钢的综合性能，降低生产成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种综合性能好且可应用于工业生产的低成本高性能中碳钢的生产工艺。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其包括热处理和温轧工序；所述热处理工序：将中碳钢坯料在加热炉内加热到850～865℃，保温；然后将坯料投入84～88℃的热水中进行淬火。

本发明所述保温时间为35～40min。

本发明所述温轧工序：中碳钢坯料在加热炉内加热到380～480℃，保温后进行轧制，累计压下率不小于80%，轧后空冷。所述保温10～15min后进行轧制。

本发明所述中碳钢的初始组织为铁素体加珠光体，其中铁素体含量大于40%，珠光体含量小于60%；上述初始组织经热处理后，其组织中珠光体占比不小于86%，先共析铁素体占比不大于14%。

本发明构思为：中碳钢初始态为铁素体-珠光体组织，如图1所示。本发明通过对中碳钢进行奥氏体化，然后在84～88℃的热水中进行冷却，目的是减少先共析铁素体的析出量，增加珠光体的数量，使珠光体占比不小于86%，先共析铁素体占比不大于14%，并控制极少量的先共析铁素体沿珠光体晶界呈条状分布，并且珠光体团内部的渗碳体片层更加细小，呈不连续的细片层组织，如图2所示。这是由于在亚共析钢中，随着实际冷却速度的增大，先共析铁素体的析出数量减少，珠光体的量增多。但如何控制珠光体的体积分数，这要综合考虑中碳钢的成分、奥氏体化条件包括奥氏体化温度和保温时间，尤其是奥氏体化后的冷却速度及其控制方法等。通过温轧前的热处理使初始组织中的珠光体数量增加也就是增加了渗碳体的数量；同时使珠光体团中的渗碳体片层更加细小，呈不连续的细片层组织。这种组织有利于温变形过程中铁素体晶粒的细化和渗碳体的球化，得到纳米级铁素体和纳米级碳化物的复相组织。其原因一方面是由于细小的、不连续的渗碳体片层在温轧过程中更容易碎断成颗粒状，同时变形过程中产生的形变储存能加速了渗碳体的球化以及碳原子向铁素体晶粒内部的扩散和析出，但由于晶界对位错运动的阻碍作用，使得铁素体晶界处的位错密度较高，为碳化物的形核提供了有利条件，从而使晶界处渗碳体颗粒尺寸比较大且多，晶粒内部渗碳体颗粒尺寸相对细小。另一方面，温轧前的热处理也使铁素体晶粒由等轴状变成条带状沿珠光体晶界分布，且铁素体晶粒尺寸明显减小，这不仅减少了温轧过程中碳原子向铁素体晶粒扩散的距离，同时在形变储存能的作用下也加速了渗碳体颗粒在铁素体晶粒内部的析出，使温轧过程中位错沿滑移面运动的阻力（如晶界、第二相颗粒等）增加，从而使铁素体晶粒内位错密度大幅上升，造成位错的缠结和堆集，形成细小的形变亚晶。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明首先通过对中碳钢温轧前的预处理，减少先共析铁素体的析出量，增加珠光体的数量，并控制极少量的先共析铁素体沿珠光体晶界呈条状分布；然后通过合理控制温轧工艺参数使铁素体形成细小的亚晶粒，最终组织为超细铁素体加颗粒状碳化物的复相组织，从而显著提升中碳钢的力学性能。

本发明轧后铁素体平均晶粒尺寸为80～280nm；渗碳体呈颗粒状分布，其尺寸为50～120nm；由于温轧后晶粒尺寸细小，位错密度高，使其强韧性（屈服强度与均匀延伸率的乘积）得到大幅提高；本发明产品的抗拉强度≥1230MPa，屈服强度≥1170MPa，均匀延伸率≥6.0%，总延伸率≥8.5%。采用本发明生产的中碳钢各项性能指标得到显著提升，达到和商业合金钢相当的强度性能；这不仅避免了昂贵合金元素的添加，并且减少的合金元素含量还有利于焊接性的提高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是中碳钢初始态的铁素体-珠光体组织图；

图2是本发明中碳钢热处理后的组织图；

图3是本发明中碳钢经热处理＋温轧后的组织；

图4是初始态中碳钢经温轧后的组织。

具体实施方式

实施例1－6：本低成本高性能中碳钢的生产工艺具体如下所述。

（1）所述中碳钢的化学成分按照重量百分比配比如下：C 0.44～0.50％，Si 0.26～0.33％，Mn 0.60～0.70％，P≤0.025％，S≤0.025％，余量为Fe和不可避免的微量元素或杂质。各实施例所述中碳钢的化学成分如表1所示。

表1：各实施例所述中碳钢的化学成分（wt%）

表1中，余量为Fe和不可避免的微量元素或杂质。

（2）工艺过程包括热处理和温轧工序。所述热处理工序：将初始组织为铁素体加珠光体的中碳钢坯料放入加热炉内，随炉将坯料加热到850～865℃进行保温，以使其奥氏体化，保温时间为35～40min；然后将坯料从加热炉内取出，迅速投入84～88℃的热水中进行淬火。所述中碳钢（0.46%C）初始态的铁素体-珠光体组织如图1所示，热处理后的组织如图2所示。由图1、2可知，虽然中碳钢的初始态和热处理后的组织均为铁素体加珠光体组织，但初始态铁素体含量为41%，珠光体含量为59%，而热处理后的组织中铁素体占比减少至13%，珠光体含量增加至87%。

所述温轧工序：将经过上述热处理的坯料放入加热炉内，随炉将坯料加热到380～480℃进行保温，保温时间为10～15min后进行温轧，温轧机具有轧辊加热功能，累计压下率不小于80%，轧后空冷至室温。温轧后的组织如图3所示，未经上述热处理的初始态铁素体加珠光体中碳钢在相同工艺条件下温轧后的组织如图4所示；由图3和图4可见，经本方法热处理＋温轧处理后，铁素体形成细小的亚晶粒，最终组织为超细铁素体加颗粒状碳化物的复相组织，颗粒状碳化物均匀分布在铁素体基体上；而未经热处理直接温轧，温轧后的铁素体和珠光体沿轧制方向被拉长，尺寸明显粗大，且大多数渗碳体呈片层状，仍分布在原珠光体领域。各实施例具体的工艺参数如表2所示。

表2：各实施例的工艺参数

（3）各实施例所得中碳钢的金相组织情况以及力学性能如表3所示。

表3：所得中碳钢的金相组织情况以及力学性能

Claims (5)

1.一种低成本高性能中碳钢的生产工艺，其特征在于：其包括热处理和温轧工序；所述热处理工序：将中碳钢坯料在加热炉内加热到850～865℃，保温；然后将坯料投入84～88℃的热水中进行淬火。

2.根据权利要求1所述的一种低成本高性能中碳钢的生产工艺，其特征在于：所述保温时间为35～40min。

3.根据权利要求1所述的一种低成本高性能中碳钢的生产工艺，其特征在于，所述温轧工序：将中碳钢坯料在加热炉内加热到380～480℃，保温后进行轧制，累计压下率不小于80%，轧后空冷。

4.根据权利要求3所述的一种低成本高性能中碳钢的生产工艺，其特征在于：所述保温10～15min后进行轧制。

5.根据权利要求1－4所述的一种低成本高性能中碳钢的生产工艺，其特征在于：所述温轧后的铁素体平均晶粒尺寸为80～280nm；渗碳体呈颗粒状分布，其尺寸为50～120nm。