CN110216268A - 一种高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料热处理技术领域，提供了一种高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺，将高碳高合金钢加热至半固态温度区间，保温至预定时间，在压力试验机上完成半固态成形，得到半固态成形制件；将所述半固态成形制件控温冷却；将处理后的半固态成形制件进行后续热处理。本发明通过将高碳高合金钢加热至半固态温度区间后，利用合金元素在固相和液相中不同的聚集方式，从新的角度调控合金钢的显微组织；缩短高碳高合金钢的工艺流程，改善热处理工艺，通过调控材料的组织结构，获得所需要的材料使用性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料热处理技术领域，特别涉及一种高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺。
背景技术
热处理对改善金属材料内部组织结构，达到材料所需的使用性能，具有至关重要的作用。高碳高合金钢属于莱氏体钢范畴，在轴承、工模具等零部件领域用途广泛。与工程结构用钢大多以钢厂大批量钢材交货不同，用于机械制造等领域的钢铁材料(如轴承、工具等)一般需要生产企业从钢坯开始进行铸造或锻压成形、机械加工、热处理等复杂的生产工序后才能制备得到最终零部件产品，其生产流程较长。此类钢铁材料在凝固冷却过程中形成的共晶碳化物、网状碳化物在后续加工过程的遗传性和不均匀性等问题，往往需要复杂的热处理工艺或特殊处理方法(循环热处理等)，控制要求十分苛刻。
因此，开发并优化先进的钢铁材料成形加工工艺技术，提高钢铁材料产品的附加值，是先进制造业发展升级的重要保证。
发明内容
本发明的目的之一就是克服现有技术的不足，提供了一种高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺。
半固态成形是指通过控制合金熔体的凝固过程，得到非枝晶的固液混合浆料(半固态浆料)，并利用这种固液混合浆料进行成形的加工工艺。作为一种先进的材料成形工艺，半固态成形对于提高和改善金属材料性能具有十分重要的作用。半固态成形及热处理过程涉及加热、保温、变形、冷却等过程，这些热力学和动力学作用对材料的组织转变有重要影响。高碳高合金钢半固态温度区间较宽，固液相线温度相对较低，适于进行半固态成形加工。钢铁材料在加热至半固态温度区间(约1300℃)时，其固液相中的合金元素分布与传统热处理工艺奥氏体化(通常约900℃)有显著区别，如图2(a)-(d)所示。显微组织特殊的演变规律为性能调控提供了基础。通过调控半固态冷却方式以及与后续的热处理过程(退火、淬火+回火等)，获得特定需要的半固态固液相显微组织，进而从全新视角实现钢铁材料性能改善。
本发明的技术方案如下：
一种高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺，如图1所示，包括如下步骤：
S1、将高碳高合金钢加热至半固态温度区间，保温至预定时间，在压力试验机上完成半固态成形，得到半固态成形制件；
S2、将所述半固态成形制件控温冷却；
S3、将经S2处理后的半固态成形制件进行后续热处理。
进一步的，，所述高碳高合金钢为含碳量>0.6wt％，合金元素>10wt％的钢种。
进一步的，所述高碳高合金钢为M2高速钢或9Cr18不锈钢。
进一步的，步骤S1中，所述高碳高合金钢的半固态温度区间为1200℃～1300℃，保温时间根据加热件有效厚度试验确定。
进一步的，步骤S2中，所述控温冷却包括：水冷至室温；或将半固态制件转移至已预设温度的热处理炉中，进行等温处理，保温达到预定时间后，冷却至室温。
进一步的，步骤S3中，所述后续热处理为退火或淬火+回火。
进一步的，高碳高合金钢为9Cr18不锈钢，化学成为按质量百分数为：C 0.97，Cr17.33，Si 0.52，Mn 0.35，P 0.02，S 0.005，其余为Fe；材料的固相线温度为1289℃，液相线温度为1423℃；半固态坯料经由波浪形倾斜板法制备获得；
半固态触变锻造成形：将半固态坯料加热至1300℃，保温15秒后，压制成形，成形速率为0.6-30mm/s，得到半固态成形制件；
将半固态成形制件取出，迅速水冷至室温；
将半固态成形制件退火处理。
进一步的，退火温度为200℃、550℃、或800℃；退火时间2小时。。
进一步的，高碳高合金钢为M2高速钢，化学成分按质量百分数为：C 0.85，W 5.71，Mo 4.71，Cr 4.03，V 1.82，Si 0.36，Mn 0.35，P 0.026，S 0.009，其余为Fe；材料的固相线温度为1229℃，液相线温度为1447℃；半固态坯料经由波浪形倾斜板法制备获得；
将M2半固态坯料加热至1280℃，保温15秒后，压制成形，得到半固态成形制件；
将半固态成形制件迅速转移至热处理炉腔室中，预设温度并保温至预定时间，在保温处理完成后将样品快速冷却至室温；
将半固态成形制件进行淬火+回火处理。
进一步的，所述预设温度为1200℃，800℃，或400℃，保温20分钟。
本发明的有益效果为：通过将高碳高合金钢加热至半固态温度区间后，利用合金元素在固相和液相中不同的聚集方式，从新的角度调控合金钢的显微组织；缩短高碳高合金钢的工艺流程，改善热处理工艺，通过调控材料的组织结构，获得所需要的材料使用性能；通过本发明的技术方案使热处理工艺方法便于控制，产品质量高；工艺简单新颖，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1所示本发明实施例一种高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺的示意图。
图2(a)所示为半固态坯料合金元素铁在固液相分布能谱图。
图2(b)所示为半固态坯料合金元素铬在固液相分布能谱图。
图2(c)所示为半固态坯料合金元素碳在固液相分布能谱图。
图2(d)所示为半固态坯料显微组织形貌。
图3所示为备9Cr18半固态成形制件不同条件下的显微组织图：(a)半固态制件；(b)200℃退火；(c)550℃退火；(d)800℃退火。
图4所示为9Cr18半固态制件不同条件下硬度变化图。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
实施例1
本实施例一种高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺，包括：
(1)半固态材料为9Cr18不锈钢，化学成为按质量百分数为：C 0.97，Cr 17.33，Si0.52，Mn 0.35，P 0.02，S 0.005，其余为Fe。通过差式扫描量热仪(DSC)，确定材料的固相线温度为1289℃，液相线温度为1423℃。半固态坯料经由波浪形倾斜板法制备获得。
(2)半固态触变锻造成形：将半固态坯料加热至1300℃，保温15秒后，压制成形，成形速率为0.6-30mm/s，得到半固态制件。
(3)将半固态制件取出，迅速水冷至室温，此时得到的显微组织固相为奥氏体，硬度为330HV，液相为共晶组织，硬度约为720HV，如图3和图4所示。
(4)将9Cr18半固态制件分别在200℃，550℃，800℃退火2小时，材料硬度随退火温度的升高逐渐上升，出现明显的二次硬化现象，对于获得具有良好耐磨性和强韧性具有重要意义。
实施例2
本实施例中：
(1)半固态材料为M2高速钢，化学成为按质量百分数为：C 0.85，W 5.71，Mo 4.71，Cr 4.03，V 1.82，Si 0.36，Mn 0.35，P 0.026，S 0.009，其余为Fe。通过差式扫描量热仪(DSC)，确定材料的固相线温度为1229℃，液相线温度为1447℃。半固态坯料经由波浪形倾斜板法制备获得。
(2)将M2半固态坯料加热至1280℃，保温15秒后，将半固态样品迅速转移至不同预热温度的热处理炉腔室中，预设温度分别为1200℃，800℃，400℃，保温20分钟，在保温处理完成后将样品快速冷却至室温。
(3)不同冷却方式的样品，显微组织碳化物溶解析出不同，在1200℃保温处理后，样品硬度较高，碳化物较少，基体为马氏体组织；在400℃保温处理后，样品硬度较低，碳化物种类较多，基体为珠光体组织，如表1所示。
表1实施例2中的M2高速钢半固态控温冷却性能
| 制备工艺 | 显微组织特征 | 硬度(HV) |
| 半固态+1200℃保温 | 马氏体组织 | 843 |
| 半固态+400℃保温 | 珠光体+碳化物 | 517 |
(4)将半固态成形制件进行淬火+回火处理。
本发明提出的半固态控温冷却工艺主要依据在于：
1)高碳高合金钢材料在加热至半固态温度区间后存在固液两相。对于高碳高合金钢，不同于传统奥氏体化过程，此时基本无碳化物存在，合金元素主要分布在固液两相中，并且合金元素在固相和液相中具有不同的聚集方式，碳和合金元素在液相中富集(见附图2)；
2)通过半固态成形后不同的冷却方式与后续热处理相结合，可以设计和得到不同的合金元素固溶和析出存在方式，从新的角度调控合金钢的显微组织，最终获得需要的材料性能。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (10)
1.一种高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将高碳高合金钢加热至半固态温度区间，保温至预定时间，在压力试验机上完成半固态成形，得到半固态成形制件；
S2、将所述半固态成形制件控温冷却；
S3、将经S2处理后的半固态成形制件进行后续热处理。
2.如权利要求1所述的高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺，其特征在于，所述高碳高合金钢为含碳量>0.6wt％，合金元素>10wt％的钢种。
3.如权利要求2所述的高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺，其特征在于，所述高碳高合金钢为M2高速钢或9Cr18不锈钢。
4.如权利要求1所述的高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺，其特征在于，步骤S1中，所述高碳高合金钢的半固态温度区间为1200℃～1300℃，保温时间根据加热件有效厚度试验确定。
5.如权利要求1所述的高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺，其特征在于，步骤S2中，所述控温冷却包括：水冷至室温；或将半固态制件转移至已预设温度的热处理炉中，进行等温处理，保温达到预定时间后，冷却至室温。
6.如权利要求1所述的高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺，其特征在于，步骤S3中，所述后续热处理为退火，或淬火+回火。
7.如权利要求3所述的高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺，其特征在于，
高碳高合金钢为9Cr18不锈钢，化学成为按质量百分数为：C 0.97，Cr 17.33，Si 0.52，Mn 0.35，P 0.02，S 0.005，其余为Fe；材料的固相线温度为1289℃，液相线温度为1423℃；半固态坯料经由波浪形倾斜板法制备获得；
半固态触变锻造成形：将半固态坯料加热至1300℃，保温15秒后，压制成形，成形速率为0.6-30mm/s，得到半固态成形制件；
将半固态成形制件取出，迅速水冷至室温；
将半固态成形制件退火处理。
8.如权利要求7所述的高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺，其特征在于，退火温度为200℃、550℃、或800℃；退火时间2小时。
9.如权利要求3所述的高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺，其特征在于，
高碳高合金钢为M2高速钢，化学成分按质量百分数为：C 0.85，W 5.71，Mo 4.71，Cr4.03，V 1.82，Si 0.36，Mn 0.35，P 0.026，S 0.009，其余为Fe；材料的固相线温度为1229℃，液相线温度为1447℃；半固态坯料经由波浪形倾斜板法制备获得；
将M2半固态坯料加热至1280℃，保温15秒后，压制成形，得到半固态成形制件；
将半固态成形制件迅速转移至热处理炉腔室中，预设温度并保温至预定时间，在保温处理完成后将样品快速冷却至室温；
将半固态成形制件进行淬火+回火处理。
10.如权利要求9所述的高碳高合金钢半固态成形控温冷却热处理工艺，其特征在于，所述预设温度为1200℃，800℃，或400℃，保温预定时间为20分钟。
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