CN109402350A - 一种钢材的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钢材的热处理工艺，包括以下步骤：1)淬火处理：温度为880‑940℃，保温时间为1‑7h，然后在35‑135s冷却至500‑600℃；2)回火处理：温度为590‑630℃，保温时间为3‑8h，然后冷却至室温。该热处理工艺简单易行，能够有效提升钢材的抗拉强度和屈服强度，更能够有效改善钢材的冲击功，因此，经过本发明处理工艺得到的钢材具有优异的表现性能，能够广泛用于机械行业中。

Description

一种钢材的热处理工艺
技术领域
本发明涉及一种钢材的热处理工艺，属于冶金技术领域。
背景技术
近年来，随着我国对新型可再生能源支持力度的增大，以风电为代表的清洁能源得到迅猛发展，在我国能源结构中的地位逐步提高。
风电回转轴支撑用环锻件是风电设备重要的承重与传动件，需要在较大风能变化和恶劣的天气条件环境下，承载风电机组运转负荷的动力，且不能出现质量问题。环锻件的化学成分设计要求、力学性能要求、硬度要求及超声波探伤等内在质量指标要求，直接关系风电设备的安全运行和使用寿命。而目前国内生产的的风电回转轴支撑用环锻件的质量还不够稳定，主要表现为力学性能、硬度均匀性较差，表层硬化件的有效硬度层深度较低，造成产品的承载能力与使用寿命低下。并且冷却过程中易出现开裂、变形等缺陷。
同时，风电主轴作为连接齿轮箱和风机叶片转轮的空心轴，也需要具有良好的综合性能，尤其应该具有高强度和良好的冲击韧性。
不仅是上述风电产业对材料具有较高的要求，纵观整个机械行业，即需要零件(特别是机械传动的齿轮及轴类零件)中心部具有较高的综合机械性能，又需要零件表面具有较高的耐磨性能。因此，材料热处理是机械行业的必要条件。但是目前五花八门的材料热处理工艺的效果并不理想。
发明内容
本发明提供一种钢材的热处理工艺，该热处理工艺简单易行，能够有效提升钢材的抗拉强度和屈服强度，更能够有效改善钢材的冲击功，因此，经过本发明处理工艺得到的钢材具有优异的表现性能，能够广泛用于机械行业中。
本发明提供一种钢材的热处理工艺，包括以下步骤：
1)淬火处理：温度为880-940℃，保温时间为1-7h，然后在35-135s冷却至500-600℃；
2)回火处理：温度为590-630℃，保温时间为3-8h，然后冷却至室温。
钢的热处理工艺是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构，来控制其性能的一种金属热加工工艺。
本发明通过将待处理钢材在一定条件下依次进行淬火处理和回火处理，对其内部的相结构进行改变，从而有效提高钢材的抗拉强度、屈服强度以及冲击功。
在本发明中，被处理的钢材可以是机械领域的常用材料。
如上所述的钢材的热处理工艺，其中，步骤1)中，所述冷却的介质为水或水基淬火液。
如上所述的钢材的热处理工艺，其中，所述钢材选自42CrMo4、42CrMo、34CrNiMo6和31CrMoV9中的一种。
如上所述的钢材的热处理工艺，其中，步骤1)中，所述冷却介质为水；
所述淬火处理的温度为880-920℃，保温时间为1-7h，然后在35-75s冷却至500-600℃。
如上所述的钢材的热处理工艺，其中，步骤1)中，所述冷却介质为水基淬火液；
所述淬火处理的温度为900-940℃，保温时间为4-5h，然后在90-135s冷却至500-600℃。
如上所述的钢材的热处理工艺，其中，
所述钢材为42CrMo4；
所述淬火处理的温度为880-900℃，保温时间为1-7h；
所述回火处理的温度为600-620℃，保温时间为3-8h。
如上所述的钢材的热处理工艺，其中，
所述钢材为42CrMo；
所述淬火处理的温度为880-900℃，保温时间为1-7h；
所述回火处理的温度为590-610℃，保温时间为3-8h。
如上所述的钢材的热处理工艺，其中，
所述钢材为34CrNiMo6；
所述淬火处理的温度为890-900℃，保温时间为1-6h；
所述回火处理的温度为590-610℃，保温时间为3-8h。
如上所述的钢材的热处理工艺，其中，
所述钢材为31CrMoV9；
所述淬火处理的温度为900-920℃，保温时间为3-8h；
所述回火处理的温度为610-630℃，保温时间为4-8h。
如上所述的钢材的热处理工艺，其中，步骤2)中，所述冷却的方式为空气冷却。
本发明的实施，至少包括以下优势：
1、本发明的钢材的热处理工艺，通过淬火处理和回火处理，得到了抗拉强度不低于1100Mpa、屈服强度不低于850MPa且冲击功(-20℃)不低于35J的钢材，从而能够满足当下机械领域中对金属零件越来越高的要求；
2、通过本发明钢材热处理工艺得到的材料，能够制作出综合机械性能显著的零件，大大降低了产品不合格几率以及产品某些参数指标不达标的现象；
3、本发明的钢材的热处理工艺，为各种机械零件提供了品质极高的原料，能够有效延长机械零件的使用寿命，显著提高机械的服役周期，延长了机械的维修周期，降低了机械的维修成本，有利于工作效率的提高；
4、本发明的钢材的热处理工艺简单易行，不需大型仪器协助，实施成本低，适于工业上的大规模推广及应用。
附图说明
图1为本发明实施例1处理得到的42CrMo4钢制零件在放大倍数为500倍时的显微镜图；
图2为本发明对照例处理得到的42CrMo4钢制零件在放大倍数为500倍时的显微镜图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种钢材的热处理工艺，包括以下步骤：
1)淬火处理：温度为880-940℃，保温时间为1-7h，然后在35-135s冷却至500-600℃；
2)回火处理：温度为590-630℃，保温时间为3-8h，然后冷却至室温。
其中，待处理钢材可以是本领域常见的材料。
首先，对待处理钢材进行淬火处理，具体地，将待处理钢材置于加热炉中，使加热炉升温至880-940℃。待处理钢材在加热炉升温过程中，其中的金属原子逐渐发生相变，当待处理钢材在880-940℃保温1-7h后，其中的铁素体发生向奥氏体发生最大限度的转换。其中，保温时间可以根据具体待处理钢材的有效尺寸选择进行调整。保温时间结束后，将待处理钢材在35-135s冷却至500-600℃，该冷却速度有助于使待处理钢材快速冷却至相变温度以下，从而利于晶粒细化和碳化物分布均匀化。
然后，对冷却至500-600℃的待处理钢材继续进行加热，使其升温至590-630℃并在该温度下保温3-8h，该回火处理有助于减小或消除淬火处理后的钢材中的内应力并且降低其硬度，以提高其延性或韧性，并且有助于确保奥氏体最大限度转化为索氏体，从而进一步提高钢材的性能。
本发明的钢材热处理工艺，通过对待处理钢材进行上述淬火处理和回火处理，有效改善了钢材内部组织形态，从而提高了钢材的抗拉强度、屈服强度以及冲击功(-20℃)，使其具有良好的机械性能。
本发明的待处理钢材，可以是普通钢材，也可以是经锻压粗加工而成的零件，当完成上述热处理工艺后，可以进一步将其精加工为精细零件。
进一步地，步骤1)中，所述冷却的介质为水或水基淬火液。
由于在本发明要求在淬火处理中能够将钢材在35-135s冷却至500-600℃，因此淬火处理中的冷却介质可以为水或水基淬火液。
具体在冷却时，可以将在880-940℃保温1-7h后的待处理钢材快速进入水或水基淬火液中，使其在在35-135s冷却至500-600℃。
由于水基淬火液的冷却速度低于水冷速度，并且水基淬火成本较高，因此在淬火处理中优选水冷方式。
此外，本发明的回火处理中，即步骤2)中，采用普通的空气冷却方式将在590-630℃保温时间3-8h后的钢材冷却至室温。
进一步地，本发明优选42CrMo4、42CrMo、34CrNiMo6和31CrMoV9中的一种作为待处理的钢材。
其中，42CrMo4钢、42CrMo钢、34CrNiMo6钢以及31CrMoV9钢的化学成分如表1所示。
表1四种钢材的化学成分(余量为铁及其他不可避免的元素)
碳成分是影响钢材性能的重要元素，碳含量的增加虽然可以对钢材起到很好的强化作用，但却显著降低了钢材的韧性，因此本发明优选上述几种碳含量较低的钢材。在降低钢材组分中的碳含量的同时调低Si、Mn元素含量上限，即，使Si含量低于0.40，Mn含量低于0.90时，可提高钢的韧性。
本发明优选的上述四种钢材中，包含较高含量的Cr，可增加钢材的淬透性，促使淬火及回火后的钢材截面上获得较均匀的组织，使其具有抗腐蚀抗氧化、抗酸、耐磨和耐疲劳的优点。但是Cr元素会使钢材在回火时脆性敏感性增强，即回火脆性转变温度上升的同时，韧性破断的冲击值和断裂韧性值下降，本发明通过回火后空冷，来消除回火脆性。
钢材中的Mo可促使晶粒进一步细化，提高钢材的力学性能，优选的，钢材中Mo0.15-0.30％。增加Cr和Mo元素含量，有利于补充钢强度的下降，同时提高韧性和延展性。
钢材的Ni在提高钢强度的同时，可提高钢材的抗酸性和韧性，提高韧性的机理是使材料基体在低温下易于交叉滑移。同时，上述四种钢材中较低的P、S含量，有利于降低钢的脆性倾向。
进一步地，淬火处理中的参数控制根据淬火处理中冷却介质的不同而有所调整。
具体地，当冷却介质为水时，淬火处理的温度为880-920℃，保温时间为1-7h，然后在35-75s冷却至500-600℃。
当所述冷却介质为水基淬火液时，淬火处理的温度为900-940℃，保温时间为4-5h，然后在90-135s冷却至500-600℃。
由于水基淬火液冷却速度较慢并且成本较高，因此为了加快处理速度、降低处理成本，优选水作为淬火处理中的冷却介质。
为了能够使上述四种钢材达到最佳热处理效果，本发明对各种钢材的热处理工艺进行了进一步研究。
当待处理钢材为42CrMo4时，本发明的热处理工艺可以包括以下步骤：
1)淬火处理
淬火处理的温度为880-900℃，保温时间为1-7h，然后通过水冷方法在35-75s冷却至500-600℃；
2)回火处理
回火处理的温度为600-620℃，保温时间为3-8h，然后通过空冷方式降至室温。
在步骤1)中，淬火处理的温度优选为890℃，保温时间优选为3h；步骤2)中，回火处理的温度优选为610℃，保温时间优选为4h。
当待处理钢材为42CrMo时，本发明的热处理工艺可以包括以下步骤：
1)淬火处理
淬火处理的温度为880-900℃，保温时间为1-7h，然后通过水冷方法在35-75s冷却至500-600℃；
2)回火处理
回火处理的温度为590-610℃，保温时间为3-8h，然后通过空冷方式降至室温。
在步骤1)中，淬火处理的温度优选为890℃，保温时间优选为4h；步骤2)中，回火处理的温度优选为590℃，保温时间优选为4h。
当待处理钢材为34CrNiMo6时，本发明的热处理工艺可以包括以下步骤：
1)淬火处理
淬火处理的温度为890-900℃，保温时间为1-6h，然后通过水冷方法在35-75s冷却至500-600℃；
2)回火处理
回火处理的温度为590-610℃，保温时间为3-8h，然后通过空冷方式降至室温。
在步骤1)中，淬火处理的温度优选为890℃，保温时间优选为5h；步骤2)中，回火处理的温度优选为600℃，保温时间优选为6h。
当待处理钢材为31CrMoV9时，本发明的热处理工艺可以包括以下步骤：
1)淬火处理
淬火处理的温度为900-920℃，保温时间为3-8h，然后通过水冷方法在35-75s冷却至500-600℃；
2)回火处理
回火处理的温度为610-630℃，保温时间为4-8h，然后通过空冷方式降至室温。
在步骤1)中，淬火处理的温度优选为910℃，保温时间优选为5h；步骤2)中，回火处理的温度优选为620℃，保温时间优选为7h。
通过本发明的钢材热处理工艺，能够获得抗拉强度不低于1100Mpa、屈服强度不低于850MPa且冲击功(-20℃)不低于35J的钢材，从而能够满足当下机械领域中对金属零件越来越高的要求，并且大大降低了金属零件生产不合格几率，使得合格率在98％以上，有效降低了生产成本，提高了生产效率。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例对42CrMo4钢制零件进行热处理工艺，具体包括以下步骤：
1)淬火处理
将42CrMo4钢制零件利用井式炉加热至890℃，在890℃保温3h后，将42CrMo4钢制零件从井式炉中取出并浸入清水中，在75s冷却至500℃；
2)回火处理
将上述冷却至500℃的42CrMo4钢制零件利用井式炉加热至610℃，在610℃保温4h后，将42CrMo4钢制零件从井式炉中取出并自然冷却至室温。
经上述热处理得到的42CrMo4钢制零件的力学性能，采用EN/10083-3-2006进行检测，检测结果如下：
1、抗拉强度：1170Mpa
2、屈服强度：880MPa
3、冲击功(-20℃)：58J
经本实施例热处理工艺处理的42CrMo4钢制零件的力学性能优异，其抗拉强度和屈服强度高，减少了疲劳裂纹的产生；冲击功高，有效降低了钢材突然断裂的倾向。此外，经本实施例热处理工艺处理的42CrMo4钢制零件经耐磨、耐腐蚀实验检测，其耐磨性、耐腐蚀性也符合机械金属零件的需要。即，采用本实施例热处理得到的42CrMo4钢制零件满足零件在不同受荷状态下的需要。
同时，对经过上述处理的42CrMo4钢制零件切割并对切割面在显微镜下进行检测，图1为本发明实施例1处理得到的42CrMo4钢制零件在放大倍数为500倍时的显微镜图。
实施例2
本实施例对42CrMo钢制零件进行热处理工艺，具体包括以下步骤：
1)淬火处理
将42CrMo钢制零件利用井式炉加热至890℃，在890℃保温4h后，将42CrMo钢制零件从井式炉中取出并浸入水中，在75s冷却至530℃左右；
2)回火处理
将上述冷却至530℃左右的42CrMo钢制零件利用井式炉加热至610℃，在610℃保温4h后，将42CrMo钢制零件从井式炉中取出并自然冷却至室温。
经上述热处理得到的42CrMo钢制零件的力学性能，采用EN/10083-3-2006进行检测，检测结果如下：
1、抗拉强度：1100Mpa
2、屈服强度：870MPa
3、冲击功(-20℃)：50J
经本实施例热处理工艺处理的42CrMo钢制零件的力学性能优异，其抗拉强度和屈服强度高，减少了疲劳裂纹的产生；冲击功高，有效降低了钢材突然断裂的倾向。此外，经本实施例热处理工艺处理的42CrMo钢制零件经耐磨、耐腐蚀实验检测，其耐磨性、耐腐蚀性也符合机械金属零件的需要。即，采用本实施例热处理得到的42CrMo钢制零件满足零件在不同受荷状态下的需要。
实施例3
本实施例对34CrNiMo6钢制零件进行热处理工艺，具体包括以下步骤：
1)淬火处理
将34CrNiMo6钢制零件利用井式炉加热至880℃，在880℃保温5h后，将34CrNiMo6钢制零件从井式炉中取出并浸入水中，在75s冷却至530℃左右；
2)回火处理
将上述冷却至530℃左右的34CrNiMo6钢制零件利用井式炉加热至600℃，在600℃保温6h后，将34CrNiMo6钢制零件从井式炉中取出并自然冷却至室温。
经上述热处理得到的34CrNiMo6钢制零件的力学性能，采用EN/10083-3-2006进行检测，检测结果如下：
1、抗拉强度：1180Mpa
2、屈服强度：860MPa
3、冲击功(-20℃)：46J
经本实施例热处理工艺处理的34CrNiMo6钢制零件的力学性能优异，其抗拉强度和屈服强度高，减少了疲劳裂纹的产生；冲击功高，有效降低了钢材突然断裂的倾向。此外，经本实施例热处理工艺处理的34CrNiMo6钢制零件经耐磨、耐腐蚀实验检测，其耐磨性、耐腐蚀性也符合机械金属零件的需要。即，采用本实施例热处理得到的34CrNiMo6钢制零件满足零件在不同受荷状态下的需要。
实施例4
本实施例对31CrMoV9钢制零件进行热处理工艺，具体包括以下步骤：
1)淬火处理
将31CrMoV9钢制零件利用井式炉加热至910℃，在910℃保温5h后，将31CrMoV9钢制零件从井式炉中取出并浸入水中，在75s冷却至550℃；
2)回火处理
将上述冷却至550℃的31CrMoV9钢制零件利用井式炉加热至620℃，在620℃保温7h后，将31CrMoV9钢制零件从井式炉中取出并自然冷却至室温。
经上述热处理得到的31CrMoV9钢制零件的力学性能，采用EN/10083-3-2006进行检测，检测结果如下：
1、抗拉强度：1200Mpa
2、屈服强度：890MPa
3、冲击功(-20℃)：55J
经本实施例热处理工艺处理的31CrMoV9钢制零件的力学性能优异，其抗拉强度和屈服强度高，减少了疲劳裂纹的产生；冲击功高，有效降低了钢材突然断裂的倾向。此外，经本实施例热处理工艺处理的31CrMoV9钢制零件经耐磨、耐腐蚀实验检测，其耐磨性、耐腐蚀性也符合机械金属零件的需要。即，采用本实施例热处理得到的31CrMoV9钢制零件满足零件在不同受荷状态下的需要。
对照例
本对照例对42CrMo4钢制零件进行热处理工艺，具体包括以下步骤：
1)淬火处理
将42CrMo4钢制零件利用井式炉加热至860℃，在860℃保温4h后，油冷40min至300℃；
2)回火处理
将上述冷却至300℃左右的42CrMo4钢制零件利用井式炉加热至560℃，在560℃保温4h后，将42CrMo4钢制零件从炉中取出并自然冷却至室温。
经上述热处理得到的42CrMo4钢制零件的力学性能，采用应为EN/10083-3-2006进行检测，检测结果如下：
1、抗拉强度：1000Mpa
2、屈服强度：600MPa
3、冲击功(-20℃)：8J
经本对照例热处理工艺处理的42CrMo4钢制零件的力学性能相对于前述实施例明显较差。
同时，对经过上述处理的42CrMo4钢制零件切割并对切割面在显微镜下进行检测，图2为本发明对照例处理得到的42CrMo4钢制零件在放大倍数为500倍时的显微镜图。
由图2和图1对比可知，本发明热处理工艺得到的钢制零件具有十分致密的组织结构，因此本发明的热处理工艺能够有效提升材料的机械强度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种钢材的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)淬火处理：温度为880-940℃，保温时间为1-7h，然后在35-135s冷却至500-600℃；
2)回火处理：温度为590-630℃，保温时间为3-8h，然后冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的钢材的热处理工艺，其特征在于，步骤1)中，所述冷却的介质为水或水基淬火液。
3.根据权利要求2所述的钢材的热处理工艺，其特征在于，所述钢材选自42CrMo4、42CrMo、34CrNiMo6和31CrMoV9中的一种。
4.根据权利要求3所述的钢材的热处理工艺，其特征在于，步骤1)中，所述冷却介质为水；
所述淬火处理的温度为880-920℃，保温时间为1-7h，然后在35-75s冷却至500-600℃。
5.根据权利要求3所述的钢材的热处理工艺，其特征在于，步骤1)中，所述冷却介质为水基淬火液；
所述淬火处理的温度为900-940℃，保温时间为4-5h，然后在90-135s冷却至500-600℃。
6.根据权利要求4所述的钢材的热处理工艺，其特征在于，所述钢材为42CrMo4；
所述淬火处理的温度为880-900℃，保温时间为1-7h；
所述回火处理的温度为600-620℃，保温时间为3-8h。
7.根据权利要求4所述的钢材的热处理工艺，其特征在于，所述钢材为42CrMo；
所述淬火处理的温度为880-900℃，保温时间为1-7h；
所述回火处理的温度为590-610℃，保温时间为3-8h。
8.根据权利要求4所述的钢材的热处理工艺，其特征在于，所述钢材为34CrNiMo6；
所述淬火处理的温度为890-900℃，保温时间为1-6h；
所述回火处理的温度为590-610℃，保温时间为3-8h。
9.根据权利要求4所述的钢材的热处理工艺，其特征在于，所述钢材为31CrMoV9；
所述淬火处理的温度为900-920℃，保温时间为3-8h；
所述回火处理的温度为610-630℃，保温时间为4-8h。
10.根据权利要求1所述的钢材的热处理工艺，其特征在于，步骤2)中，所述冷却的方式为空气冷却。
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