CN108823368A - 一种碳铬合金的热加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳铬合金的热加工方法，包括如下步骤：步骤S1：使用碳铬合金，其化学成分按照质量百分比为：碳占比0.6～0.9，铬占比3～12，锰占比0.4～8，硅占比0.4～0.8，镍占比0.1～0.5，钼占比0.4～1.5，钒占比0.1～1，其余余量为铁；步骤S2：热加工前合金板材做调质热处理，将板材加热到900‑950℃保温两个小时后水淬，然后在500‑650℃保温一个小时后炉冷，最终获得均匀的回火索氏体组织；步骤S3：将调质后的合金板材在氩气环境保护下进行搅拌摩擦加工，其中，主轴转速为400‑1000转/分钟，搅拌工具前进速度为20‑100毫米/分钟，下压量控制为0.1毫米。本发明使得加工区的硬度和强度得到提高，满足工业要求的塑性。本发明工艺简单，能耗低，环境无污染，生产成本低。

Description

一种碳铬合金的热加工方法
技术领域
本发明涉及金属材料固态热加工技术领域，尤其涉及到一种碳铬合金的热加工方法。
背景技术
碳铬合金是重要的冷轧辊、支撑辊等大型铸锻件和冷作模具所用的合金，要求具有高耐磨性、良好的强韧性和抗接触疲劳等服役性能。组织细化是目前广泛认同的同时提高金属强度和塑性的技术路径。最近，卢柯院士提出了金属“素化”强韧化的概念，其核心是通过组织超细化或纳米化及其与缺陷的相互作用实现低成本强韧化。传统的碳铬合金强韧化技术途径主要采用微合金化、锻造以及复杂的热处理。然而这些技术不仅生产成本高、能耗大，而且环境不友好。此外，对于工件表面的强韧化，传统整体锻造及表面热处理等方法存在局限性。尽管采用表面熔覆高性能合金或进行表面机械挤压、激光冲击等可在一定程度上提高工件表面综合力学性能，但工艺复杂，加工层浅等问题限制了其广泛应用。
搅拌摩擦加工技术是近年来从搅拌摩擦焊技术衍生而来的一种金属表面改性技术，可实现加工区大应变、高应变速率的热变形。本专利拟借助搅拌摩擦加工技术优势，在碳铬合金表面实现组织细化的同时，通过热输入和冷却控制在加工区获得多尺度、多组态、多相的混合组织，最终实现加工区强度显著提高并具有满足工业应用要求的塑性。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种碳铬合金的热加工方法。本发明工艺简单、加工成本低、绿色无污染而且能够提高碳铬合金表面综合力学性能。本发明主要是设计合理的搅拌摩擦加工参数来获得超细化组织；同时通过调控碳铬合金加工区的组织构态，实现合金的强韧化。
为了解决上述存在的技术问题，本发明所述方法的是通过以下技术方案实现的：
一种碳铬合金的热加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：使用碳铬合金，其化学成分按照质量百分比为：碳占比0.6～0.9，铬占比3～12，锰占比0.4～8，硅占比0.4～0.8，镍占比0.1～0.5，钼占比0.4～1.5，钒占比0.1～1，其余余量为铁；
步骤S2：热加工前合金板材做调质热处理，将板材加热到900-950℃保温两个小时后水淬，然后在500-650℃保温一个小时后炉冷，最终获得均匀的回火索氏体组织；
步骤S3：将调质后的合金板材在氩气环境保护下进行搅拌摩擦加工，加工得到多相多组态混合组织，其中，主轴转速为400-1000转/分钟，搅拌工具前进速度为20-100毫米/分钟，下压量控制为0.1毫米。
上述技术方案中，步骤S3中的多相多组态混合组织包括高碳孪晶马氏体、低碳位错马氏体、块状残余奥氏体、薄膜状残余奥氏体和未回溶的碳化物。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明不仅有效的细化了基体组织，同时，还改善了碳化物尺寸及其分布，具有多尺度、多组态、多相的组织结构特点；本发明还不仅使钢的表面硬度和耐磨性得到显著提高，而且强塑积也得到很大的提高。相比于整体锻造或者整体热处理，本发明不仅简单易操作对环境无污染，而且大大降低了生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明实施例1的母材和搅拌摩擦加工区的硬度分布对比图；
图2为本发明实施例1的母材和搅拌摩擦加工区的拉伸性能对比图；
图3(a)和图3(b)分别为本发明实施例1的搅拌摩擦加工区的透射微观组织表征图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种碳铬合金的热加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：使用碳铬合金，其化学成分按照质量百分比为：碳占比0.6～0.9，铬占比3～12，锰占比0.4～8，硅占比0.4～0.8，镍占比0.1～0.5，钼占比0.4～1.5，钒占比0.1～1，其余余量为铁；
步骤S2：热加工前合金板材做调质热处理，将板材加热到900-950℃保温两个小时后水淬，然后在500-650℃保温一个小时后炉冷，最终获得均匀的回火索氏体组织；
步骤S3：将调质后的合金板材在氩气环境保护下进行搅拌摩擦加工，加工得到多相多组态混合组织，其中，主轴转速为400-1000转/分钟，搅拌工具前进速度为20-100毫米/分钟，下压量控制为0.1毫米。
其中本发明的步骤S3中的多相多组态混合组织包括高碳孪晶马氏体、低碳位错马氏体、块状残余奥氏体、薄膜状残余奥氏体和未回溶的碳化物。
本发明所依据的原理是：利用搅拌摩擦加工的大应变、高应变速率、快速加热、短时保温的特殊强热变形特点，以及加工区的热-力条件梯度获得由高碳孪晶马氏体、低碳位错马氏体、块状残余奥氏体、薄膜状残余奥氏体和少量为回溶的碳化物等构成的多组态、多尺度、多相组织结构。
实施例1：
将一块长200毫米，宽100毫米，厚度为4毫米的Cr3钢板作加工前的调质处理，即将板材加热到900℃保温两个小时后水淬，然后550℃保温一个小时炉冷，从而获得均匀的回火索氏体组织。然后将调质后的板材进行搅拌摩擦加工，其中，主轴转速为800转/分钟，搅拌工具前进速度为30毫米/分钟，下压量控制为0.1毫米，搅拌工具倾角-2.5°，为了防止表面氧化，加工过程在氩气环境下进行。
对上述经过搅拌摩擦加工区进行垂直于加工方向的显微硬度分布测量，结果如图1所示，加工区的平均硬度达到756HV，比母材平均硬度提高了346HV；加工区拉伸性能测试结果如图2所示，屈服强度(1670MPa)和抗拉强度(1843MPa)均比母材有了很大的提升下，而且还有着满足工业应用要求的延伸率；图3(a)和图3(b)为加工区组织观察结果，其中，(a)图为加工区组织中的块状的残余奥氏体和高碳孪晶马氏体，(b)图为加工区组织中存在薄膜状残余奥氏体、低碳位错马氏体及少量未溶碳化物。
实施例2：
将一块长200毫米，宽100毫米，厚度为4毫米的Cr5钢板作加工前调质处理，即将板材加热到950℃保温两个小时后水淬，然后650℃保温一个小时炉冷，从而获得均匀的回火索氏体组织。然后将调质后的板材进行搅拌摩擦加工，其中，主轴转速为600转/分钟，搅拌工具前进速度为50毫米/分钟，下压量控制为0.1毫米，搅拌工具倾角-2.5°，为了防止表面氧化，加工过程在氩气环境下进行。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。应该指出，本发明是基于碳铬合金强韧化机制而提出的搅拌摩擦加工方法，本发明不受上述实施例的限制，可以使用不同于实施例的搅拌摩擦加工手段达到类似的多尺度、多组态、多相的混合组织，并在强度明显提升的前提下具有良好的塑性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种碳铬合金的热加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：使用碳铬合金，其化学成分按照质量百分比为：碳占比0.6～0.9，铬占比3～12，锰占比0.4～8，硅占比0.4～0.8，镍占比0.1～0.5，钼占比0.4～1.5，钒占比0.1～1，其余余量为铁；
步骤S2：热加工前合金板材做调质热处理，将板材加热到900-950℃保温两个小时后水淬，然后在500-650℃保温一个小时后炉冷，最终获得均匀的回火索氏体组织；
步骤S3：将调质后的合金板材在氩气环境保护下进行搅拌摩擦加工，加工得到多相多组态混合组织，其中，主轴转速为400-1000转/分钟，搅拌工具前进速度为20-100毫米/分钟，下压量控制为0.1毫米。
2.根据权利要求1所述的一种碳铬合金的热加工方法，其特征在于，步骤S3中的多相多组态混合组织包括高碳孪晶马氏体、低碳位错马氏体、块状残余奥氏体、薄膜状残余奥氏体和未回溶的碳化物。
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