CN110565025B - 一种具有超高强度高碳合金钢的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料固态热加工技术领域，尤其涉及一种具有超高强度高碳合金钢的制备方法。本发明主要是通过搅拌摩擦加工来获得超细化多相组织和高含量的残余奥氏体，并采用回火处理调控高碳合金加工区的组织构态，最终获得超高强度高碳合金钢。根据实施例的记载，利用本发明所述的制备方法得到的超高强度高碳合金的平均硬度≥647HV，屈服强度≥1930MPa，抗拉强度≥2126MPa；比调质态高碳合金均得到了明显的提高。

Description

一种具有超高强度高碳合金钢的制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料固态热加工技术领域，尤其涉及一种具有超高强度高碳合金钢的制备方法。
背景技术
高碳合金钢是重要的冷轧辊、支撑辊等大型铸锻件和冷作模具用钢，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提高金属强度和塑性的技术路径。最近，卢柯提出了金属“素华”强韧化的概念(杨乐,李秀艳,卢柯.材料素化:概念、原理及应用[J].金属学报,2017(11):4-8.)，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。传统的高碳合金钢强韧化技术途径主要采用微合金化、整体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，尽管采用表面熔覆高性能合金或者进行表面机械挤压、激光冲击等可在一定程度上提高工件表面综合性能，但工艺复杂，加工层浅等问题限制了其广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、加工成本低且能够显著提高高碳合金钢综合力学性能的制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种具有超高强度高碳合金钢的制备方法，包括以下步骤：
将高碳合金钢板进行调质处理，得到调质态高碳合金钢板；
将所述调质态高碳合金钢板依次进行搅拌摩擦加工和回火处理，得到具有超高强度高碳合金钢；
所述高碳合金钢板，按质量百分比计，包括以下组分：
C 0.6～0.9％，Cr 3～12％，Mn 0.4～8％，Si 0.4～0.8％，Ni 0.1～0.5％，Mo0.4～1.5％，V 0.1～1％和余量的铁。
优选的，所述调质处理包括淬火处理和回火处理。
优选的，所述淬火处理为将高碳合金钢板加热至900～950℃，保温1～3小时后，水淬。
优选的，所述调质处理中的回火处理为将淬火处理后的高碳合金钢板冷却至室温后，加热至500～650℃，保温0.5～1.5小时。
优选的，所述搅拌摩擦加工的旋转速度为400～1000r/min，加工速度为20～100mm/min，下压量为0.1mm，所述搅拌摩擦的倾角为2.5°。
优选的，所述回火处理的温度为300～600℃，所述回火处理的时间为2～30小时。
本发明提供了一种具有超高强度高碳合金钢的制备方法，包括以下步骤：将高碳合金钢板进行调质处理，得到调质态高碳合金钢板；将所述调质态高碳合金钢板依次进行搅拌摩擦加工和回火处理，得到具有超高强度高碳合金钢；所述高碳合金钢板，按质量百分比计，包括以下组分：C 0.6～0.9％，Cr 3～12％，Mn 0.4～8％，Si 0.4～0.8％，Ni 0.1～0.5％，Mo 0.4～1.5％，V 0.1～1％和余量的铁。本发明主要是通过搅拌摩擦加工来获得超细化多相组织和高含量的残余奥氏体，并采用回火处理调控高碳合金加工区的组织构态，最终获得超高强度高碳合金钢。根据实施例的记载，利用本发明所述的制备方法得到的超高强度高碳合金的平均硬度≥647HV，屈服强度≥1930MPa，抗拉强度≥2126MPa；比调质态高碳合金均得到了明显的提高。
附图说明
图1为实施例1的调质态高碳合金钢板和超高强度高碳合金钢的拉伸性能对比图；
图2为实施例1得到的超高强度高碳合金钢的微观组织图；
图3为实施例2的调质态高碳合金钢板和超高强度高碳合金钢的拉伸性能对比图；
图4为实施例2得到的超高强度高碳合金钢的透射电镜微观组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种具有超高强度高碳合金钢的制备方法，包括以下步骤：
将高碳合金钢板进行调质处理，得到调质态高碳合金钢板；
将所述调质态高碳合金钢板依次进行搅拌摩擦加工和回火处理，得到具有超高强度高碳合金钢；
所述高碳合金钢板，按质量百分比计，包括以下组分：
C 0.6～0.9％，Cr 3～12％，Mn 0.4～8％，Si 0.4～0.8％，Ni 0.1～0.5％，Mo0.4～1.5％，V 0.1～1％和余量的铁。
在本发明中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
本发明将高碳合金钢板进行调质处理，得到调质态高碳合金钢板。在本发明中，所述高碳合金钢板，按质量百分比计，优选包括以下组分：C 0.6～0.9％，Cr 3～12％，Mn 0.4～8％，Si 0.4～0.8％，Ni 0.1～0.5％，Mo 0.4～1.5％，V 0.1～1％和余量的铁。在本发明中，按照型号类型，所述高碳合金钢板优选为Cr3钢板或Cr5钢板。
在本发明中，所述调质处理优选包括淬火处理和回火处理；所述淬火处理优选为将高碳合金钢板加热至900～950℃，保温1～3小时后，水淬；更优选为将高碳合金钢板加热至910～940℃，保温1.5～2.5小时后，水淬；最优选为将高碳合金钢板加热至920～930℃，保温2小时后，水淬。本发明对所述加热的方式和加热的速率没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的加热方式和加热速率进行即可；本发明对所述水淬没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的水淬过程进行即可。在本发明中，所述回火处理优选为将淬火处理后的高碳合金钢板冷却至室温后，加热至500～650℃，保温0.5～1.5小时，更优选为加热至550～600℃，保温0.8～1.2小时，最优选加热至560～580℃，保温1.0小时。所述回火处理后优选对回火处理后的高碳合金钢板进行炉冷；本发明对所述炉冷没有任何特殊的限定，按本领域技术人员熟知的炉冷方式进行即可。
在本发明中，所述调质态高碳合金钢板具有均匀的回火索氏体组织。
得到调质态高碳合金钢板后，本发明将所述调质态高碳合金钢板依次进行搅拌摩擦加工和回火处理，得到具有超高强度高碳合金钢；在本发明中，所述搅拌摩擦加工的旋转速度优选为400～1000r/min，更优选为600～800r/min；所述搅拌摩擦的加工速度优选为20～100mm/min，更优选为30～70mm/min，最优选为40～60mm/min；所述搅拌摩擦的下压量优选为0.1mm；所述搅拌摩擦的倾角优选为2.5°。在本发明中，所述搅拌摩擦加工优选为在氩气环境下进行。
在本发明中，所述回火处理的温度优选为300～600℃，更优选为350～550℃，最优选为400～500℃；所述回火处理的时间优选为2～30小时，更优选为5～20小时，最优选为10～15小时。
所述回火处理后，本发明优选对回火处理后的高碳合金钢进行空冷；本发明对所述空冷没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的空冷过程进行即可。
在本发明中，所述调质处理、搅拌摩擦加工和回火处理对合金钢的成分种类和配比没有影响。即经过上述处理后得到的具有超高强度高碳合金钢的成分与所述高碳合金钢板的成分可视为相同。
下面结合实施例对本发明提供的具有超高强度高碳合金钢的制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将Cr3钢板加热到900℃保温2小时后进行水淬到室温，然后在加热至550℃保温1小时后炉冷，得到均匀的回火索氏体组织的调质态高碳合金钢板；
在氩气气氛下，将调质态高碳合金钢板进行搅拌摩擦加工(旋转速度为800r/min，加工速度为30mm/min，下压量为0.1mm和倾角2.5°)后，对搅拌摩擦加工区进行回火处理(300℃，20小时)后，空冷，得到具有超高强度高碳合金钢。
图2为所述超高强度高碳合金钢的微观组织图；其中左图为金相观察组织图，右图为扫描电镜观察组织图。由图2可知，经搅拌摩擦加工及回火处理后，组织显著细化，且马氏体完全分解，残余奥氏体发生转变，超高强高Cr3钢具有均匀的贝氏体组织。
实施例2
将Cr5钢板加热到950℃保温2小时后进行水淬至室温，然后加热至650℃保温1小时后炉冷，得到均匀的回火索氏体组织的调质态高碳合金钢板；
在氩气气氛下，将调质态高碳合金钢板进行搅拌摩擦加工(旋转速度为1000r/min，加工速度为30mm/min，下压量为0.1mm和倾角2.5°)后，对搅拌摩擦加工区进行回火处理(450℃，2小时)后，空冷，得到具有超高强度高碳合金钢；
图4为所述超高强度高碳合金钢的透射电镜微观组织图，由图4可知，经搅拌摩擦加工及回火处理后，马氏体发生分解，超高强高Cr5钢具有均匀的索氏体组织。
测试例
按照GB/T228—2002以及GB/T4340.1—1999的标准，对实施例1～2得到的超高强度高碳合金和实施例1～2的调质态高碳合金进行力学性能的测试；
图1为实施例1的调质态高碳合金钢板(quenched and tempered Cr3 steel)和超高强度高碳合金钢(ultra high strength Cr3 steel)的拉伸性能对比图，由图1可知，实施例1超高强度高碳合金钢的抗拉强度为2322MPa，比调质态高碳合金钢的抗拉强度1490MPa有显著提升；
实施例1超高强度高碳合金钢的屈服强度为2058MPa，比调质态高碳合金钢的屈服强度1276MPa有显著提升；
通过显微硬度测试，实施例1超高强度高碳合金钢的平均硬度为647HV，比调质态高碳合金钢的平均硬度237HV有显著提升；
图3为实施例2的调质态高碳合金钢板(quenched and tempered Cr5 steel)和超高强度高碳合金钢(ultra high strength Cr5 steel)的拉伸性能对比图，由图3可知，实施例2超高强度高碳合金钢的抗拉强度为2126MPa，比调质态高碳合金钢的抗拉强度1024MPa有显著提升；
实施例2超高强度高碳合金钢的屈服强度为1930MPa，比调质态高碳合金钢的屈服强度745MPa有显著提升。
通过显微硬度测试，实施例2超高强度高碳合金钢的平均硬度为658HV，比调质态高碳合金钢的平均硬度356HV有显著提升；
由以上实施例可知，本发明提供的制备方法主要是通过搅拌摩擦加工来获得超细化多相组织和高含量的残余奥氏体，并采用回火处理调控高碳合金加工区的组织构态，最终获得超高强度高碳合金钢。根据实施例的记载，利用本发明所述的制备方法得到的超高强度高碳合金的平均硬度≥647HV，屈服强度≥1930MPa，抗拉强度≥2126MPa；比调质态高碳合金均得到了明显的提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种具有超高强度高碳合金钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将Cr3钢板加热到900℃保温2小时后进行水淬到室温，然后在加热至550℃保温1小时后炉冷，得到均匀的回火索氏体组织的调质态高碳合金钢板；
在氩气气氛下，将调质态高碳合金钢板进行搅拌摩擦加工后，对搅拌摩擦加工区进行回火处理后，空冷，得到具有超高强度高碳合金钢；
所述搅拌摩擦加工的参数包括：旋转速度为800r/min，加工速度为30mm/min，下压量为0.1mm和倾角2.5°；
所述回火处理的温度为300℃，时间为20小时。
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