CN108866442B - 超高碳钢的热处理方法及制品 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种超高碳钢的热处理方法，将超高碳钢进行扩散退火处理，得珠光体组织的超高碳钢；再将珠光体组织的超高碳钢进行淬火处理后，在250℃～400℃的盐浴中保温15～30分钟，冷却，得处理后的超高碳钢制品。上述热处理方法可获得足够含量温度奥氏体的超高碳钢，经上述热处理方法处理后的超高碳钢制品不仅具有高的耐磨性，而且具有好的冲击韧性。

Description

超高碳钢的热处理方法及制品
技术领域
本发明涉及碳钢的热处理工艺，特别是涉及一种超高碳钢的热处理方法及制品。
背景技术
超高碳钢是指碳含量在1.2％～1.8％的过共析钢。在钢铁材料中，碳含量的增加会导致碳化物含量的增加，从而使得钢铁材料的耐磨性增加，但钢铁材料的塑性会下降。这主要是因为在过共析钢中，先共析网状碳化物会随着碳含量的增加增多增厚，从而导致材料变脆。
超高碳钢最终主要由马氏体、奥氏体和渗碳体组成。其中奥氏体在材料变形过程中能够吸收位错、延缓裂纹扩展，并且能在应力条件下发生TRIP效应，产生马氏体相变，吸收应力，阻碍裂纹扩展。因此，奥氏体是影响超高碳钢塑性的关键因素。然而传统的热处理工艺都较难获得足够含量的稳定奥氏体。
因此，寻找一种能够获得足够含量稳定奥氏体的超高碳钢的热处理方法成为人们研究的热点。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够获得足够含量稳定奥氏体的超高碳钢的热处理方法。
一种超高碳钢的热处理方法，以质量百分含量计，所述超高碳钢含有1.2％～1.6％的碳、1.2％～1.8％的硅、0.3％～0.8％的锰、1.2％～1.6％的铬、0.3％～0.8％的镍和0.2％～0.5％的钼；所述超高碳钢的热处理方法包括以下步骤：
将所述超高碳钢进行扩散退火处理，得珠光体组织的超高碳钢；
将所述珠光体组织的超高碳钢进行淬火处理，在250℃～400℃的盐浴中保温15～30分钟，在水中急冷，得处理后的超高碳钢制品。
在其中一个实施例中，所述扩散退火处理的条件为：在1050℃～1100℃保温12～36小时，炉冷至室温。
在其中一个实施例中，所述扩散退火处理的条件为：在1100℃保温24小时，炉冷至室温。
在其中一个实施例中，所述淬火处理的条件为：在850℃～950℃保温15～30中，于-9.3℃～133.5℃的淬火液中快速冷却。
在其中一个实施例中，所述淬火处理的条件为：在900℃保温30分钟，于25℃的淬火液中快速冷却。
在其中一个实施例中，所述淬火液为水基淬火液。
在其中一个实施例中，在400℃的盐浴中保温15分钟。
在其中一个实施例中，所述冷却的方法为：在水中急冷或空冷。
一种上述任一项所述的超高碳钢的热处理方法处理后的超高碳钢制品。
上述超高碳钢的热处理方法，将超高碳钢中硅的质量含量控制在1.2％～1.8％，可有效避免热处理过程中渗碳体析出与奥氏体富碳的竞争关系，从而使热处理过程中奥氏体富碳过程顺利进行，再通过扩散退火处理，消除晶界大量的网状碳化物，获得均匀性的珠光体组织，然后通过淬火处理，得到一部分的马氏体和奥氏体组织，最后在250℃～400℃的盐浴中保温15～30分钟，使碳从马氏体向奥氏体分配，使得奥氏体富碳，从而增加其稳定性，让奥氏体在随后的冷却过程中不发生分解。
经上述热处理方法处理后的超高碳钢不仅具有高的耐磨性，而且具有好的冲击韧性。
附图说明
图1为实施例1处理后的超高碳钢的扫描电镜图；
图2为对比例3处理后的超高碳钢的扫描电镜图；
图3为经淬火-分配-回火不同分配温度的X射线衍射图谱。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一实施方式的超高碳钢的热处理方法，包括以下步骤S110～S120：
S110、将超高碳钢进行扩散退火处理，得珠光体组织的超高碳钢。
其中，超高碳钢含有1.2％～1.6％质量含量的碳(C)、1.2％～1.8％质量含量的硅(Si)、0.3％～0.8％质量含量的锰(Mn)、1.2％～1.6％的铬(Cr)、0.3％～0.8％的镍(Ni)和0.2％～0.5％的钼(Mo)。
可以理解，上述超高碳钢还含有铁。进一步的，上述超高碳钢中还含有余量的铁。
将超高碳钢中硅的质量含量控制在1.2％～1.8％，可有效避免热处理过程中渗碳体析出与奥氏体富碳的竞争关系，从而使热处理过程中奥氏体富碳过程顺利进行。
Mn可以降低钢的临界冷速速度，提高淬透性且具有良好的脱氧作用，将超高碳钢中Mn的质量含量控制在0.3％～0.8％，可避免Mn含量过高导致降低马氏体转变温度(Ms)，增加残余奥氏体含量。
铬是强碳化物形成元素，将超高碳钢中Cr的质量含量控制在1.2％～1.6％，可有效抑制由于Si的加入所引起的Fe3C的石墨化，并且提高材料淬透性，从而提高材料的加工、成型性能。
将超高碳钢中Mo的质量含量控制在0.2％～0.5％，有利于形成含Mo的特殊碳化物，如M2C、M6C等，有利于增加材料的耐磨性。
进一步的，退火处理的方法为：在1050℃～1100℃保温12～36小时，炉冷至室温。
进一步的，退火处理的方法为：在1100℃保温24小时，炉冷至室温。
将超高碳钢通过扩散退火处理，可消除晶界大量的网状碳化物，使其溶解在奥氏体中，获得均匀性的珠光体组织。
S120、将上述珠光体组织的超高碳钢进行淬火处理后，在250℃～400℃的盐浴中保温15～30分钟，冷却，得处理后的超高碳钢制品。
其中，淬火的方法为：在850℃～950℃保温15～30分钟，于-9.3℃～133.5℃的淬火液中快速冷却。
进一步的，淬火的方法为：在900℃保温30分钟，于25℃的淬火液中快速冷却。
珠光体组织在850℃～950℃保温15～30分钟部分或者完全转化为奥氏体组织，再在-9.3℃～133.5℃的淬火液中快速冷却，使部分奥氏体向马氏体转变，获得马氏体和残余奥氏体的双相组织。
需要说明的是，133.5℃为马氏体转变开始温度，-9.3℃为马氏体转变终了温度(可根据超高碳钢的成分，采用JMatPro软件计算出的“C”曲线得出)，因此珠光体组织在部分或者全部转化为奥氏体组织后，在-9.3℃～133.5℃的淬火液中快速冷却，就可使部分奥氏体向马氏体转变，获得马氏体和残余奥氏体的双相组织。
进一步的，淬火液为水基淬火液。
在本实施方式中，淬火液为水、盐水、碱水、有机高分子水溶液、饱和氯化钙水溶液、三硝水溶液(NaNO3、NaNO2、KNO3)等常用水基淬火液。
进一步的，冷却的方法为：在水中急冷或空冷。
可以理解，尺寸较大的超高碳钢可以选择空冷，防止应力过大导致开裂等情况。
马氏体和残余奥氏体的双相组织，在250℃～400℃的盐浴中保温15～30分钟，使碳从马氏体向残余奥氏体分配，使得残余奥氏体富碳，从而增加其稳定性，让奥氏体在随后的冷却过程中不发生分解。
经上述热处理方法处理后的超高碳钢制品不仅具有高的耐磨性，而且具有好的冲击韧性。
以下为具体实施例。
实施例1
超高碳钢的化学成分(质量含量)为：C 1.2-1.6％,Si 1.2-1.8％,Mn 0.3-0.8％,Cr 1.2-1.6％,Ni 0.3-0.8％,Mo 0.2-0.5％，经JMatPro软件所计算出的“C”曲线得出的马氏体转变开始温度(Ms)和转变终了温度(Mf)分别约为133.5℃和-9.2℃。
经过高温扩散退火工艺：1100℃保温24h，炉冷至室温，获得无网状碳化物的超细珠光体组织。
淬火-分配-回火工艺：在900℃保温30分钟，然后在25℃的水中快速冷却，立即在400℃的盐浴中保温15分钟，在水中急冷，得到处理后的超高碳钢制品，如图1所示。
实施例2
超高碳钢的化学成分(质量含量)为：C 1.2-1.6％,Si 1.2-1.8％,Mn 0.3-0.8％,Cr 1.2-1.6％,Ni 0.3-0.8％,Mo 0.2-0.5％，经JMatPro软件所计算出的“C”曲线得出的马氏体转变开始温度(Ms)和转变终了温度(Mf)分别约为133.5℃和-9.2℃。
经过高温扩散退火工艺：1050℃保温36h，炉冷至室温，获得无网状碳化物的超细珠光体组织。
淬火-分配-回火工艺：在950℃保温15分钟，然后在25℃的水中快速冷却，立即在250℃的盐浴中保温30分钟，在水中急冷，得到处理后的超高碳钢制品。
实施例3
超高碳钢的化学成分(质量含量)为：C 1.2-1.6％,Si 1.2-1.8％,Mn 0.3-0.8％,Cr 1.2-1.6％,Ni 0.3-0.8％,Mo 0.2-0.5％，经JMatPro软件所计算出的“C”曲线得出的马氏体转变开始温度(Ms)和转变终了温度(Mf)分别约为133.5℃和-9.2℃。
经过高温扩散退火工艺：1100℃保温12h，炉冷至室温，获得无网状碳化物的超细珠光体组织。
淬火-分配-回火工艺：在850℃保温30分钟，然后在25℃的水中快速冷却，立即在350℃的盐浴中保温20分钟，在水中急冷，得到处理后的超高碳钢制品。
对比例1
对比例1与实施例1基本相同，不同的是，对比例1将淬火-分配-回火工艺替换为淬火-回火工艺：在900℃保温30分钟，然后在25℃的水中快速冷却，然后在400℃的空气电阻炉中保温2小时，在水中急冷，得到处理后的超高碳钢制品。
对比例2
对比例2与实施例1基本相同，不同的是，对比例2中淬火-分配-回火工艺为：在900℃保温30分钟，然后在25℃的水中快速冷却，立即在180℃的盐浴中保温15分钟，在水中急冷，得到处理后的超高碳钢制品。
对比例3
对比例3与实施例1基本相同，不同的是，对比例3中淬火-分配-回火工艺为：在900℃保温30分钟，然后在25℃的水中快速冷却，立即在400℃的盐浴中保温20秒，在水中急冷，得到处理后的超高碳钢制品，如图2所示。
对比例4
对比例4与实施例1基本相同，不同的是，对比例4中的超高碳钢的化学成分(质量含量)为：C 1.2-1.6％,Si 0.3-0.6％,Mn 0.3-0.8％,Cr 1.2-1.6％,Ni 0.3-0.8％,Mo0.2-0.5％。
按国家标准各取5个10×10×55mm的无缺口冲击试样，测其冲击韧性并算出平均值。耐磨性的评价采用美国标准ASTM G105-16standard执行，其中转速240转/分钟，持续时间是25分钟，载荷选择是100N。实验后用精读为0.001g的分析天平测量磨损后的失重，结果见表1。
表1
Figure BDA0001735610030000071
Figure BDA0001735610030000081
由表1可以看出，与传统的热处理方法相比，经本申请的热处理方法处理后的超高碳钢制品，在保证耐磨性的同时，大幅度提高了冲击韧性。
此外，由图3可知，超高碳钢经过传统的淬火-回火热处理工艺后，其X射线衍射图谱只出现马氏体和碳化物的衍射峰。而经过本申请的淬火–分配–回火工艺后超高碳钢的X射线衍射图还出现了比较明显的奥氏体衍射峰。这说明，超高碳钢经过本申请的淬火–分配–回火工艺后，奥氏体由于马氏体的碳分配过程而富碳最终在室温稳定了下来。另外，对比分配温度250℃和400℃的衍射图谱，可以发现，250℃的奥氏体峰要强于400℃，且未出现M3C碳化物的峰，说明与较高温度(400℃)分配回火相比，较低温度分配–回火(250℃)能有效的抑制碳化物的析出，使得马氏体的碳更多的分配给奥氏体，得到更多的奥氏体被保留至室温。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种超高碳钢的热处理方法，其特征在于，以质量百分含量计，所述超高碳钢含有1.2％～1.6％的碳、1.2％～1.8％的硅、0.3％～0.8％的锰、1.2％～1.6％的铬、0.3％～0.8％的镍和0.2％～0.5％的钼；所述超高碳钢的热处理方法包括以下步骤：
将所述超高碳钢进行扩散退火处理，得珠光体组织的超高碳钢；所述扩散退火处理的条件为：在1050℃～1100℃保温12～36小时，炉冷至室温；
将所述珠光体组织的超高碳钢进行淬火处理后，在250℃～400℃的盐浴中保温15～30分钟，冷却，得处理后的超高碳钢制品；所述淬火处理的条件为：在850℃～950℃保温15～30分钟，于-9.3℃～133.5℃的淬火液中快速冷却。
2.根据权利要求1所述的超高碳钢的热处理方法，其特征在于，所述扩散退火处理的条件为：在1100℃保温24小时，炉冷至室温。
3.根据权利要求1所述的超高碳钢的热处理方法，其特征在于，所述淬火处理的条件为：在900℃保温30分钟，于25℃的淬火液中快速冷却。
4.根据权利要求3所述的超高碳钢的热处理方法，其特征在于，所述淬火液为水基淬火液。
5.根据权利要求1～4任一项所述的超高碳钢的热处理方法，其特征在于，在400℃的盐浴中保温15分钟。
6.根据权利要求1所述的超高碳钢的热处理方法，其特征在于，所述冷却的方法为：在水中急冷或空冷。
7.一种权利要求1～6任一项所述的超高碳钢的热处理方法处理后的超高碳钢制品。
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