CN110735020A - 一种低碳钢结构件的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低碳钢结构件的热处理方法，通过对低碳钢结构件的元素成分含量对比实验结果的系统研究和观察分析，以及各工艺步骤对产品力学性能的影响结果进行对比分析，对现有低碳钢结构件的热处理步骤和参数均进行了优化改进调整，从而更好地控制低碳钢结构件产品的显微组织的相构成与形貌，并制定了优化的冷轧、退火、酸洗、固溶处理、深冷处理的工艺步骤，获得低碳钢结构件在强度和塑性上的提升，从而具备良好的应用性能。

Description

一种低碳钢结构件的热处理方法
技术领域
本发明涉及金属热处理领域，具体的说，是涉及一种低碳钢结构件的热处理方法。
背景技术
低碳钢为碳含量低于0.25％的碳素钢，因其强度低、硬度低而软，故又称软钢。它包括 大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢，大多不经热处理用于工程结构件，有的经 渗碳和其他热处理用于要求耐磨的机械零件。低碳钢退火组织为铁素体和少量珠光体，其强 度和硬度较低，塑性和韧性较好。因此，其冷成形性良好，可采用卷边、折弯、冲压等方法 进行冷成形。这种钢还具有良好的焊接性，易于接受各种加工如锻造、焊接和切削，常用于 制造链条、铆钉、螺栓、销轴等。
目前国产低碳钢在国内市场的份额占较大优势，但产品供应存在结构性不足，主要在于 一些高附加值的低碳钢结构件不能生产或质量难以达到用户的要求。在低碳钢结构件生产过 程中要求工艺技术控制精度较高，对设备的冲击较大，在产品尺寸精度和表面质量上，我国 与国外先进水平也有一定差距，易出现强塑性不足、耐腐蚀性差、使用寿命低等现象。为了 进一步开拓低碳钢结构件的适用范围，提高综合力学性能，发明人对此作了深入研究和分析， 进一步拓展了低碳钢结构件在高强度、高韧性产品领域的应用。
发明内容
为了提高低碳钢结构件在强度和塑性等方面综合力学性能，消除轧制工艺带来的残余应 力，并延长产品使用寿命，本发明提供了一种低碳钢结构件的热处理方法，该方法通过细化 晶粒能够制备出具有良好的强度、塑性等机械性能的低碳不锈钢产品。具体技术方案如下：
一种低碳钢结构件的热处理方法，包括退火步骤和酸洗步骤，其中，退火步骤为：退火 开始前，先将所述低碳钢经1.5～2.0h，将温度升到600～650℃并保温20～40分钟，然后再经 3.5～4.0h升温至退火温度为980～1080℃，保温时间为2～3h，之后经2.5～3.0h降温至550～620℃， 然后出炉堆冷至室温；
酸洗步骤为：采用含有硝酸和盐酸的混合酸液进行第一次酸洗，所述硝酸浓度为30～50g/L，所述盐酸浓度为硝酸浓度的0.5～1倍，酸洗时间为10～30秒，然后进行第二次酸洗， 第二次酸洗采用硝酸和氢氟酸的混合酸液，所述硝酸浓度为10～20g/L。
所述酸洗步骤之后进行固溶处理：即在氩气保护气氛下，将所述低碳钢先进行预热，之 后再升温加热至900～1020℃，保温时间为30～50分钟。
经过所述固溶处理后，将所述低碳钢放入温度为-60～-40℃的深冷环境中，保持1.5～2.0h， 之后取出至室温，获得所述低碳钢结构件。
所述低碳钢结构件的组成成分及重量百分比为：C：0.01～0.10，Si：1.50～2.50，Mn： 1.60～2.20，P小于0.005，S小于0.010，Cr：17.50～20.50，Ni：0.05～0.15，Mo：0.05～0.10，B： 0.005～0.010，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述固溶处理步骤中，预热温度为450～550℃，预热保温时间为0.5～1.0h。
所述低碳钢结构件的硬度至少为HRC 62，屈服强度为750～780MPa，延伸率10～13％。
所述低碳钢结构件用于机械传动装置结构件。
与现有技术相比，本发明通过对低碳钢结构件的元素成分含量对比实验结果的系统研究 和观察分析，以及各工艺步骤对产品力学性能的影响结果进行对比分析，对现有低碳钢结构 件的热处理步骤和参数均进行了优化改进调整，从而更好地控制低碳钢结构件产品的显微组 织的相构成与形貌，并制定了优化的冷轧、退火、酸洗、固溶处理、深冷处理的工艺步骤， 获得低碳钢结构件在强度和塑性上的提升，从而具备良好的应用性能。
具体实施方式
低碳不锈钢材料的热处理工艺中，固溶处理的应用可大幅增强合金材料的硬度、强度， 但该材料的可塑性趋于下降。特别是，如果固溶处理没有经过预热，或者固溶温度下时间过 长，将导致亚稳相进一步分解为不连续的胞状结构的可能性变大，相颗粒在初始阶段以颗粒 的形式溶解以及沉淀。随着不连续沉淀反应的进行，相以薄片形式生长到基质中，形成薄片 形式的不连续沉淀。同时，颗粒相在过饱和相中不断溶解以及沉淀，以完成溶质的再分配， 这将使得合金的可塑性急剧恶化。
现有固溶处理工艺可增强低碳不锈钢材料的硬度、强度，但该材料的可塑性趋于下降。 随着电子通信、机械、建筑等现代工业的快速发展，对低碳不锈钢材料的力学性能提出了更 高的要求。因此，发明人针对低碳不锈钢材料的固溶处理、深冷处理等热处理工艺及参数范 围进行了系统研究，综合考量了退火、酸洗、固溶、深冷各步骤工序所带来的最佳综合力学 性能。
根据发明人的研究，低碳不锈钢材料在退火后使用常规的硝酸、盐酸等酸洗方式，虽然 能够去除含Si氧化物层，但对于化学转化处理效率并不是很高。尤其是，酸洗操作不当，酸 液浓度过高，将导致低碳不锈钢材料表面的Fe元素氧化析出，而如果酸液浓度过低，则会导 致Si氧化物层去除不完全。对此，本发明采用含有硝酸和盐酸的混合酸液进行第一次酸洗， 硝酸浓度为50g/L，盐酸浓度为硝酸浓度的0.5倍，酸洗时间为10秒，然后进行第二次酸洗，其 中，第二次酸洗采用硝酸和氢氟酸的混合酸液，硝酸浓度为10g/L。通过调整后，酸洗步骤的 效率和酸洗效果得到了明显改善，抑制了酸洗时酸液浓度不当带来的不良后果。
实施例1：
一种低碳钢结构件的热处理方法，包括退火步骤和酸洗步骤。
退火步骤为：退火开始前，先将所述低碳钢经1.5h，将温度升到600℃并保温40分钟，然 后再经3.5h升温至退火温度为1080℃，保温时间为2h，之后经2.5h降温至550℃，然后出炉堆 冷至室温；
酸洗步骤为：采用含有硝酸和盐酸的混合酸液进行第一次酸洗，所述硝酸浓度为30g/L， 所述盐酸浓度为硝酸浓度的0.5倍，酸洗时间为10秒，然后进行第二次酸洗，第二次酸洗采用 硝酸和氢氟酸的混合酸液，所述硝酸浓度为10g/L。
所述低碳钢结构件的组成成分及重量百分比为：C：0.05，Si：1.50，Mn：1.80，P：0.004， S：0.008，Cr：17.50，Ni：0.05，Mo：0.10，B：0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述低碳钢结构件的硬度为HRC 62，屈服强度为750MPa，延伸率10％。
实施例2：
一种低碳钢结构件的热处理方法，包括退火步骤和酸洗步骤。
退火步骤为：退火开始前，先将所述低碳钢经2.0h，将温度升到650℃并保温20分钟，然 后再经4.0h升温至退火温度为980℃，保温时间为3h，之后经3.0h降温至580℃，然后出炉堆冷 至室温；
酸洗步骤为：采用含有硝酸和盐酸的混合酸液进行第一次酸洗，所述硝酸浓度为40g/L， 所述盐酸浓度为硝酸浓度的0.8倍，酸洗时间为20秒，然后进行第二次酸洗，第二次酸洗采用 硝酸和氢氟酸的混合酸液，所述硝酸浓度为20g/L。
所述酸洗步骤之后进行固溶处理：即在氩气保护气氛下，将所述低碳钢先进行预热，之 后再升温加热至900℃，保温时间为50分钟。
经过所述固溶处理后，将所述低碳钢放入温度为-60℃的深冷环境中，保持1.5h，之后取 出至室温，获得所述低碳钢结构件。
所述低碳钢结构件的组成成分及重量百分比为：C：0.06，Si：1.90，Mn：2.20，P：0.003，S：0.005，Cr：20.50，Ni：0.15，Mo：0.08，B：0.008，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述固溶处理步骤中，预热温度为550℃，预热保温时间为0.5h。
所述低碳钢结构件的硬度为HRC 65，屈服强度为760MPa，延伸率12％。
实施例3：
一种低碳钢结构件的热处理方法，包括退火步骤和酸洗步骤。
退火步骤为：退火开始前，先将所述低碳钢经2.0h，将温度升到620℃并保温25分钟，然 后再经3.5h升温至退火温度为1000℃，保温时间为2h，之后经2.5h降温至620℃，然后出炉堆 冷至室温；
酸洗步骤为：采用含有硝酸和盐酸的混合酸液进行第一次酸洗，所述硝酸浓度为50g/L， 所述盐酸浓度为硝酸浓度的1倍，酸洗时间为30秒，然后进行第二次酸洗，第二次酸洗采用硝 酸和氢氟酸的混合酸液，所述硝酸浓度为15g/L。
所述酸洗步骤之后进行固溶处理：即在氩气保护气氛下，将所述低碳钢先进行预热，之 后再升温加热至1000℃，保温时间为30分钟。
经过所述固溶处理后，将所述低碳钢放入温度为-40℃的深冷环境中，保持2.0h，之后取 出至室温，获得所述低碳钢结构件。
所述低碳钢结构件的组成成分及重量百分比为：C：0.10，Si：2.50，Mn：2.00，P：0.003， S：0.004，Cr：18.00，Ni：0.10，Mo：0.10，B：0.010，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述固溶处理步骤中，预热温度为450℃，预热保温时间为1.0h。
所述低碳钢结构件的硬度为HRC 63，屈服强度为780MPa，延伸率13％。
所述低碳钢结构件用于机械传动装置结构件。
由实施例1-3可以看出，实验结果表明：发明人通过对低碳钢结构件的元素成分含量对比 实验结果的系统研究和观察分析，以及各工艺步骤对产品力学性能的影响结果进行对比分析， 对现有低碳钢结构件的热处理步骤和参数均进行了优化改进调整，从而更好地控制低碳钢结 构件产品的显微组织的相构成与形貌，并制定了优化的冷轧、退火、酸洗、固溶处理、深冷 处理的工艺步骤，获得低碳钢结构件在强度和塑性上的提升，从而具备良好的应用性能。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明 书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理 包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种低碳钢结构件的热处理方法，其特征在于：所述热处理方法包括退火步骤和酸洗步骤，其中，退火步骤为：退火开始前，先将所述低碳钢经1.5～2.0h，将温度升到600～650℃并保温20～40分钟，然后再经3.5～4.0h升温至退火温度为980～1080℃，保温时间为2～3h，之后经2.5～3.0h降温至550～620℃，然后出炉堆冷至室温；
酸洗步骤为：采用含有硝酸和盐酸的混合酸液进行第一次酸洗，所述硝酸浓度为30～50g/L，所述盐酸浓度为硝酸浓度的0.5～1倍，酸洗时间为10～30秒，然后进行第二次酸洗，第二次酸洗采用硝酸和氢氟酸的混合酸液，所述硝酸浓度为10～20g/L。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸洗步骤之后进行固溶处理：即在氩气保护气氛下，将所述低碳钢先进行预热，之后再升温加热至900～1020℃，保温时间为30～50分钟。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，经过所述固溶处理后，将所述低碳钢放入温度为-60～-40℃的深冷环境中，保持1.5～2.0h，之后取出至室温，获得所述低碳钢结构件。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低碳钢结构件的组成成分及重量百分比为：C：0.01～0.10，Si：1.50～2.50，Mn：1.60～2.20，P小于0.005，S小于0.010，Cr：17.50～20.50，Ni：0.05～0.15，Mo：0.05～0.10，B：0.005～0.010，余量为Fe和不可避免的杂质。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述固溶处理步骤中，预热温度为450～550℃，预热保温时间为0.5～1.0h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低碳钢结构件的硬度至少为HRC 62，屈服强度为750～780MPa，延伸率10～13％。
7.根据权利要求1至6所述工艺，其特征在于，所述低碳钢结构件用于机械传动装置结构件。
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