CN111088418A - 一种中碳钢细化组织热处理工艺 - Google Patents

一种中碳钢细化组织热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种中碳钢细化组织热处理工艺，涉及热处理技术领域。所述中碳钢细化组织热处理工艺包括以下步骤：S10、将中碳钢材料加热到780～810℃后，保温2～4h；S20、将经步骤S10处理的所述中碳钢材料进行多次锻打处理；S30、将经步骤S20处理的中碳钢材料冷却到730～760℃后，保温2～4h；S40、将经步骤S30处理的中碳钢材料进行多次所述锻打处理；S50、将经步骤S40处理的中碳钢材料退火至540～570℃，最后冷却处理；其中，所述锻打处理包括沿第一方向进行墩粗后，沿第二方向进行压扁。采用本发明的中碳钢细化组织热处理工艺对中碳钢材料进行热处理，可显著细化晶粒，从而明显提高中碳钢材料的塑性和韧性。

Description

一种中碳钢细化组织热处理工艺
技术领域
本发明涉及热处理技术领域，特别涉及一种中碳钢细化组织热处理工艺。
背景技术
国内外对中碳钢大型锻材锻造后均进行Ac3线上+30～50℃(757～962℃)完全奥氏体化温度正火处理，如070M55中碳钢根据BS970-1983标准采用800～900℃完全奥氏体化保温12～48h后空冷的热处理工艺。这种方法在热处理过程中，特别是大型锻材由于保温时间过长，会导致晶粒长大，并且易产生网状组织、粗晶或者混晶等现象，使中碳钢力学性能下降并且不稳定，无法满足相关标准要求或用户要求。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种中碳钢细化组织热处理工艺，旨在解决现有中碳钢大型锻材的热处理工艺由于保温时间过长，导致中碳钢晶粒较大，从而使中碳钢力学性能下降且不稳定的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种中碳钢细化组织热处理工艺，包括如下步骤：
S10、将中碳钢材料加热到780～810℃后，保温2～4h；
S20、将经步骤S10处理的所述中碳钢材料进行多次锻打处理；
S30、将经步骤S20处理的中碳钢材料冷却到730～760℃后，保温2～4h；
S40、将经步骤S30处理的中碳钢材料进行多次所述锻打处理；
S50、将经步骤S40处理的中碳钢材料退火至540～570℃，最后冷却处理；
其中，所述锻打处理包括沿第一方向进行墩粗后，沿第二方向进行压扁。
可选地，所述中碳钢材料包括如下质量百分比的组分：C 0.26～0.55％、Si 0.4～0.7％、Mn 0.44～0.59％、Cr 0.11～0.23％、P 0.02～0.08％、S 0.014～0.019％、Ni 0.05～0.1％、Mo 0.06～0.08％、Cu 0.15～0.3％，余量为Fe。
可选地，步骤S10包括：将中碳钢材料以50～80℃/h升温速度加热到780～810℃后，保温2～4h。
可选地，步骤S10包括：
获得中碳钢材料的径宽D；
根据公式T＝D/a，计算得出加热时间T，其中，a为30～80mm/h；
将所述中碳钢材料加热至所述中碳钢材料的表面温度为780～810℃后，继续加热且加热时间为T；
将加热过的所述中碳钢材料保温2～4h。
可选地，步骤S20中，所述多次锻打处理的次数为20～50次。
可选地，步骤S30包括：
获得中碳钢材料的径宽D；
根据公式T＝D/a，计算得出加热时间T，其中，a为25～55mm/h；
将所述中碳钢材料冷却至所述中碳钢材料的表面温度为730～760℃后，继续冷却且冷却时间为T；
将冷却过的所述中碳钢材料保温2～4h。
可选地，步骤S40中，所述多次锻打的次数为10～40次。
可选地，步骤S50包括：以50～80℃/h的速度退火至540～570℃，最后冷却处理。
可选地，步骤S50中，所述冷却的方法包括水冷、风冷和空冷中的任意一种方法。
本发明提供的一种中碳钢细化组织热处理工艺，首先对中碳钢材料加热至780～810℃后，保温2～4h，进行多次锻打处理；然后冷却到730～760℃后，保温2～4h，进行多次锻打处理；退火到540～570℃，最后冷却。通过保温时间较短，即进行多次锻打，然后冷却，再进行多次锻打，可以避免保温时间过长而使晶粒变大，并且冷却后进行锻打，可以使晶粒更细，从而提高了中碳钢的塑性和韧性，解决了目前中碳钢不能作为中大型锻材使用的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为对比例处理过的中碳钢的电镜图；
图2为实施例1处理过的中碳钢的电镜图；
图3为实施例2处理过的中碳钢的电镜图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
现有对中碳钢大型锻材热处理的保温时间较长，如070M55中碳钢采用800-900℃完全奥氏体化保温12～48h后空冷的热处理工艺，由于保温时间过长，会导致晶粒长大，并且易产生网状组织、粗晶或者混晶等现象，使中碳钢力学性能下降且不稳定。
鉴于此，本发明提出一种中碳钢细化组织热处理工艺，采用本发明提供的中碳钢细化组织热处理工艺对中碳钢材料进行热处理，可显著细化晶粒，从而提高中碳钢材料的韧性和塑性。所述中碳钢细化组织热处理工艺包括以下步骤：
S10、将中碳钢材料加热到780～810℃后，保温2～4h。
其中，所述中碳钢材料包括如下质量百分比的组分：C 0.26～0.55％、Si 0.4～0.7％、Mn 0.44～0.59％、Cr 0.11～0.23％、P 0.02～0.08％、S 0.014～0.019％、Ni 0.05～0.1％、Mo 0.06～0.08％、Cu 0.15～0.3％，余量为Fe。具体地，将中碳钢材料以50～80℃/h升温速度加热到780～810℃后，保温2～4h。
需要说明的是，将中碳钢材料以50～80℃/h升温速度加热到780～810℃，是中碳钢材料的表面温度为780～810℃，需要继续加热一段时间才能保证中碳钢材料内部也都为780～810℃。具体地，获得中碳钢材料的径宽D，然后根据公式T＝D/a，计算得出加热时间T，其中，a为30～80mm/h，其中，加热时间T的单位为mm(毫米)，径宽D的单位为h(小时)，径宽D是相对于中碳钢材料的长度而言的最大宽度，具体地，当中碳钢材料为圆柱体时，径宽为直径，当中碳钢材料为长方体时，径宽为厚度，举例说明：提供一长方体形状的中碳钢材料，该中碳钢材料的厚度为240mm，则加热时间应为3h～8h，因此，在进行步骤S10时，具体按照如下操作进行：将中碳钢材料以50～80℃/h升温速度加热到其表面温度为780～810℃后，继续加热3h～8h，然后保温2～4h。
S20、将经步骤S10处理的所述中碳钢材料进行多次锻打处理。
其中，所述锻打处理包括沿第一方向进行墩粗后，沿第二方向进行压扁。所述第一方向与第二方向代表不同的方向，较优地，所述第一方向与第二方向为垂直方向。多次锻打处理可以使中碳钢材料的晶粒更细，较优地，所述多次锻打处理的次数为20～50次。
S30、将经步骤S20处理的中碳钢材料冷却到730～760℃后，保温2～4h。
需要说明的是，将经步骤S20处理的中碳钢材料冷却到730～760℃，是中碳钢材料的表面温度冷却到了730～760℃，需要继续冷却一段时间才能保证中碳钢材料的内部也为730～760℃。具体地，获得中碳钢材料的径宽D，即直径或厚度，然后根据公式T＝D/a，计算得出冷却时间T，其中，a为25～55mm/h，例如：若中碳钢材料的厚度为220mm，则冷却时间为4h～8.8h，然后将冷却过的所述中碳钢材料保温2～4h。
S40、将经步骤S30处理的中碳钢材料进行多次所述锻打处理。
所述锻打处理与步骤S20锻打处理的原理与步骤相同，在此不做赘述。所述多次锻打处理的次数为10～30次。
S50、将经步骤S40处理的中碳钢材料退火至540～570℃，最后冷却处理。
为了避免温度下降过快导致中碳钢材料出现收缩和变形，具体地，以50～80℃/h的速度退火至540～570℃，最后冷却处理。其中，冷却的方法包括水冷、风冷和空冷中的任意一种方法。较优的，冷却方式选择空冷，操作简单。
本发明提供的一种中碳钢细化组织热处理工艺，首先对中碳钢材料加热至780～810℃后，保温2～4h，进行多次锻打处理；然后冷却到730～760℃后，保温2～4h，进行多次锻打处理；退火到540～570℃，最后冷却。通过保温时间较短，即进行多次锻打，然后冷却，再进行多次锻打，可以避免保温时间过长而使晶粒变大，并且冷却后进行锻打，可以使晶粒更细，从而提高了中碳钢的塑性和韧性，解决了目前中碳钢不能作为中大型锻材使用的问题。
以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
(1)将成份为C 0.55％、Si 0.4％、Mn 0.55％、Cr 0.20％、P 0.02％、S 0.015％、Ni 0.05％、Mo 0.05％、Cu 0.20％，余量为Fe的中碳钢(规格为
Figure BDA0002358468040000051
)出口棒材锻材装入热处理炉中，以50℃/h升温速度加热到780℃，并按锻材的厚度或直径50mm/h继续加热(即加热5h)，然后保温2h。
(2)将上述步骤处理的中碳钢材料进行锻打处理(沿竖直方向进行墩粗、再沿水平方向进行压扁)，如此锻打处理20次。
(3)将上述步骤处理的中碳钢材料冷却到730℃，并按锻材的厚度或直径40mm/h继续冷却(即冷却6.25h)，保温2h。
(4)将上述步骤处理的中碳钢材料进行锻打处理(沿竖直方向进行墩粗、再沿水平方向进行压扁)，如此锻打处理40次。
(5)将上述步骤处理的中碳钢材料以50℃/h退火至570℃，然后出炉空冷。将处理完成后的中碳钢材料在扫描电镜下观察微观组织，得图2。
实施例2
(1)将成份为C 0.4％、Si 0.55％、Mn 0.45％、Cr 0.11％、P 0.05％、S 0.019％、Ni 0.1％、Mo 0.08％、Cu 0.15％，余量为Fe的中碳钢(规格为
Figure BDA0002358468040000061
)出口棒材锻材装入热处理炉中，以70℃/h升温速度加热到810℃，并按锻材的厚度或直径30mm/h继续加热(即加热5h)，然后保温3h。
(2)将上述步骤处理的中碳钢材料进行锻打处理(沿竖直方向进行墩粗、再沿水平方向进行压扁)，如此锻打处理40次。
(3)将上述步骤处理的中碳钢材料冷却到760℃，并按锻材的厚度或直径25mm/h继续冷却(即冷却6h)，保温3h。
(4)将上述步骤处理的中碳钢材料进行锻打处理(沿竖直方向进行墩粗、再沿水平方向进行压扁)，如此锻打处理20次。
(5)将上述步骤处理的中碳钢材料以80℃/h退火至550℃，然后出炉风冷。将处理完成后的中碳钢材料在扫描电镜下观察微观组织，得图3。
实施例3
(1)将成份为C 0.26％、Si 0.7％、Mn 0.59％、Cr 0.23％、P 0.08％、S 0.014％、Ni 0.07％、Mo 0.06％、Cu 0.3％，余量为Fe的中碳钢(规格为
Figure BDA0002358468040000062
)出口棒材锻材装入热处理炉中，以80℃/h升温速度加热到800℃，并按锻材的厚度或直径80mm/h继续加热(即加热3.75h)，然后保温4h。
(2)将上述步骤处理的中碳钢材料进行锻打处理(沿竖直方向进行墩粗、再沿水平方向进行压扁)，如此锻打处理50次。
(3)将上述步骤处理的中碳钢材料冷却到750℃，并按锻材的厚度或直径55mm/h继续冷却(即冷却5.45h)，保温4h。
(4)将上述步骤处理的中碳钢材料进行锻打处理(沿竖直方向进行墩粗、再沿水平方向进行压扁)，如此锻打处理10次。
(5)将上述步骤处理的中碳钢材料以60℃/h退火至540℃，然后出炉水冷。
对比例
将成份为C 0.55％、Si 0.4％、Mn 0.55％、Cr 0.20％、P 0.02％、S 0.015％、Ni0.05％、Mo 0.05％、Cu 0.20％，余量为Fe的中碳钢(规格为
Figure BDA0002358468040000063
)出口棒材锻材装入热处理炉中，根据BS970-1983标准采用860℃完全奥氏体化保温后16h后空冷。将处理完成后的中碳钢材料在扫描电镜下观察微观组织，得图1。
将上述实施例1至3处理后的中碳钢材料以及对比例1处理后的中碳钢材料用注塑机制成样条，取样部位：距表面～12.5mm处，其产品物理性能数据如表1所示(注：表格中X、Y、Z代表3个不同方向，即从长、宽、高方向分别测试)：
表1物理性能检测结果
Figure BDA0002358468040000071
由表1可知，本发明实施例处理后的中碳钢材料与对比例处理后的中碳钢材料相比，晶粒更细，屈服强度、抗拉强度、硬度等物理性能都更好。
由实施例处理后的中碳钢材料的微观组织的图2、3与对比例的中碳钢材料微观组织的图1相比，图2、3的晶粒结构显著变细。
综上所述，采用本发明的中碳钢细化组织热处理工艺对中碳钢材料进行热处理，可显著细化晶粒，从而明显提高中碳钢材料的塑性和韧性等物理性能。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种中碳钢细化组织热处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S10、将中碳钢材料加热到780～810℃后，保温2～4h；
S20、将经步骤S10处理的所述中碳钢材料进行多次锻打处理；
S30、将经步骤S20处理的中碳钢材料冷却到730～760℃后，保温2～4h；
S40、将经步骤S30处理的中碳钢材料进行多次所述锻打处理；
S50、将经步骤S40处理的中碳钢材料退火至540～570℃，最后冷却处理；
其中，所述锻打处理包括沿第一方向进行墩粗后，沿第二方向进行压扁。
2.如权利要求1所述的中碳钢细化组织热处理工艺，其特征在于，所述中碳钢材料包括如下质量百分比的组分：C 0.26～0.55％、Si 0.4～0.7％、Mn 0.45～0.59％、Cr 0.11～0.23％、P 0.02～0.08％、S 0.014～0.019％、Ni 0.05～0.1％、Mo 0.05～0.08％、Cu 0.15～0.3％，余量为Fe。
3.如权利要求1所述的中碳钢细化组织热处理工艺，其特征在于，步骤S10包括：将中碳钢材料以50～80℃/h升温速度加热到780～810℃后，保温2～4h。
4.如权利要求1所述的中碳钢细化组织热处理工艺，其特征在于，步骤S10包括：
获得中碳钢材料的径宽D；
根据公式T＝D/a，计算得出加热时间T，其中，a为30～80mm/h；
将所述中碳钢材料加热至所述中碳钢材料的表面温度为780～810℃后，继续加热且加热时间为T；
将加热过的所述中碳钢材料保温2～4h。
5.如权利要求1所述的中碳钢细化组织热处理工艺，其特征在于，
步骤S20中，所述多次锻打处理的次数为20～50次。
6.如权利要求1所述的中碳钢细化组织热处理工艺，其特征在于，步骤S30包括：
获得中碳钢材料的径宽D；
根据公式T＝D/a，计算得出加热时间T，其中，a为25～55mm/h；
将所述中碳钢材料冷却至所述中碳钢材料的表面温度为730～760℃后，继续冷却且冷却时间为T；
将冷却过的所述中碳钢材料保温2～4h。
7.如权利要求1所述的中碳钢细化组织热处理工艺，其特征在于，
步骤S40中，所述多次锻打处理的次数为10～40次。
8.如权利要求1所述的中碳钢细化组织热处理工艺，其特征在于，
步骤S50包括：以50～80℃/h的速度退火至540～570℃，最后冷却处理。
9.如权利要求1所述的中碳钢细化组织热处理工艺，其特征在于，
步骤S50中，所述冷却的方法包括水冷、风冷和空冷中的任意一种方法。
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