CN111876569B - 一种兼顾析出强化与下贝氏体相变强化的热处理方法 - Google Patents

一种兼顾析出强化与下贝氏体相变强化的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种兼顾析出强化与下贝氏体相变强化的热处理方法，属于合金材料的热处理技术领域。本发明提供的热处理方法，包括以下步骤：将铁基合金加热到奥氏体相区进行第一保温，然后冷却至马氏体转变温度，进行第二保温，再升温至可以产生析出强化的温度区间进行第三保温，最后冷却至下贝氏体相变温度区间的温度范围内进行第四保温，然后冷却至室温。本发明采用预淬火+回火+下贝氏体转变的方法流程，利用了析出强化、下贝氏体相变强化以及复相(下贝氏体和马氏体)细晶强化，提高材料的强度和冲击吸收功。实施例的结果显示，采用本发明提供的热处理方法制备的铁基合金的硬度≥56HRC，冲击吸收功Aku≥28J。

Description

一种兼顾析出强化与下贝氏体相变强化的热处理方法
技术领域
本发明涉及合金材料的热处理技术领域，尤其涉及一种兼顾析出强化与下贝氏体相变强化的热处理方法。
背景技术
铁基合金由于其高强度和高硬度的特点，常常在强冲击、强磨损的严酷条件下服役，容易造成铁基合金的断裂，因此，往往需要对铁基合金的性能进行提升。
热处理方法是提高铁基合金性能最有效的方法之一，现有技术中的热处理方法主要为淬火+回火。
一般而言，析出强化与下贝氏体强化不在同一个零部件上进行，因为在经过获得下贝氏体的热处理加工之后，如果增加促进析出强化的回火处理，虽然会使材料的硬度上升，但是会造成冲击吸收功的下降，使铁基合金的塑性下降，进而造成金属零部件的断裂失效。因此，现有的热处理工艺难以制备得到同时具有高硬度和高冲击吸收功的铁基合金，只能分别制备具有高硬度和高冲击吸收功的零件，然后相互组合来保证在强冲击、强磨损的条件下服役。
随着科技的发展，金属零部件面临的冲击和磨损压力越来越大，金属零件组合的方式已经难以满足使用要求，因此开发一种能够制备同时具有高强度、高冲击吸收功的铁基合金热处理方法已经迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼顾析出强化与下贝氏体相变强化的热处理方法，本发明提供的热处理方法制备的铁基合金具有高硬度和高冲击吸收功的特点，有效解决了现有技术中热处理方法无法同时在铁基合金上进行析出强化与下贝氏体强化的缺陷。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种兼顾析出强化与下贝氏体相变强化的热处理方法，包括以下步骤：
(1)将铁基合金加热到奥氏体相区进行第一保温，得到奥氏体化合金；
(2)将所述步骤(1)得到的奥氏体化合金第一冷却至马氏体转变温度，进行第二保温，得到马氏体铁基合金；
(3)将所述步骤(2)得到的马氏体铁基合金升温至可以产生析出强化的温度区间进行第三保温，得到回火态铁基合金；
(4)将所述步骤(3)得到的回火态铁基合金第二冷却至下贝氏体相变温度区间的温度范围内进行第四保温，然后第三冷却至室温。
优选地，所述步骤(1)中第一保温的温度为高于Ac3或Accm温度20～300℃，第一保温的时间为30～90min。
优选地，所述步骤(2)中的第一冷却为水冷或油冷。
优选地，所述步骤(2)中第二保温的温度为Ms温度以下10～100℃，第二保温的时间≤5分钟。
优选地，所述步骤(3)中第三保温的时间≤1小时。
优选地，所述步骤(4)中第四保温的时间为1～3小时。
优选地，步骤(4)中的第二冷却为水冷或油冷，第三冷却为自然冷却、水冷或油冷。
优选地，所述奥氏体相区、马氏体转变温度和下贝氏体相变温度区间从铁基合金的TTT图中获得。
优选地，所述铁基合金为H13钢、42CrMo钢或Cr12MoV钢。
本发明提供了上述技术方案所述热处理方法制备得到的铁基合金，所述铁基合金的组织包括下贝氏体和马氏体。
本发明提供了一种兼顾析出强化与下贝氏体相变强化的热处理方法，包括以下步骤：将铁基合金加热到奥氏体相区进行第一保温，然后冷却至马氏体转变温度，进行第二保温，再升温至可以产生析出强化的温度区间进行第三保温，最后冷却至下贝氏体相变温度区间的温度范围内进行第四保温，然后冷却至室温。本发明采用预淬火+回火+下贝氏体转变的方法流程，利用了析出强化、下贝氏体相变强化以及复相(下贝氏体和马氏体)细晶强化，提高材料的强度和冲击吸收功。实施例的结果显示，采用本发明提供的热处理方法制备的铁基合金的硬度≥56HRC，冲击吸收功Aku≥28J。
附图说明
图1为本发明提供的新工艺的工艺曲线图；
图2为原工艺的工艺曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种兼顾析出强化与下贝氏体相变强化的热处理方法，包括以下步骤：
(1)将铁基合金加热到奥氏体相区进行第一保温，得到奥氏体化合金；
(2)将所述步骤(1)得到的奥氏体化化合金第一冷却至马氏体转变温度，进行第二保温，得到马氏体铁基合金；
(3)将所述步骤(2)得到的马氏体铁基合金升温至可以产生析出强化的温度区间进行第三保温，得到回火态铁基合金；
(4)将所述步骤(3)得到的回火态铁基合金第二冷却至下贝氏体相变温度区间的温度范围内进行第四保温，然后第三冷却至室温。
本发明提供的热处理方法适用于所有可获得高温奥氏体组织的铁基合金，更优选为H13钢、42CrMo钢或Cr12MoV钢。
本发明将铁基合金加热到奥氏体相区进行第一保温，得到奥氏体化合金。
在本发明中，所述第一保温的温度优选为高于Ac3或Accm温度20～300℃；所述第一保温的时间优选为30～90min，更优选为60min。在本发明中，所述Ac3为亚共析金属材料微观结构中开始出现奥氏体的温度，所述Accm温度为过共析金属材料微观结构中开始出现奥氏体的温度。本发明将温度和时间控制在上述范围内，可以保证铁基合金内部转变为奥氏体组织，为后续热处理打下基础。
得到奥氏体化合金后，本发明将所述奥氏体化合金第一冷却至马氏体转变温度，进行第二保温，得到马氏体铁基合金。
在本发明中，所述第一冷却优选为水冷或油冷。本发明通过水冷或油冷的冷却方式可以使奥氏体化合金的温度快速降低，同时不会发生珠光体或下贝氏体转变，防止合金内部组织结构的改变。
在本发明中，所述第二保温的温度优选为Ms温度以下10～100℃，更优选为Ms温度以下40～60℃；所述第二保温的时间优选为≤5分钟，更优选为1分钟。在本发明中，所述Ms温度为铁基合金马氏体转变的起始温度。本发明将第二保温的温度控制在上述范围内，可以使奥氏体化合金中的奥氏体组织向马氏体组织转变。
得到马氏体铁基合金后，本发明将所述马氏体铁基合金升温至可以产生析出强化的温度区间进行第三保温，得到回火态铁基合金。
本发明对所述升温的速率没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的升温速率即可。
在本发明中，所述第三保温的时间优选为≤1小时，更优选为0.5小时。本发明将第三保温的时间限定在上述范围内，合金内部的基体组织为回火马氏体组织，合金中的第二相粒子从过饱和固溶体中析出引起应变，溶质原子偏聚区和由之脱溶出微粒弥散分布于基体中，从而引起金属点阵的强化，提高合金的强度和硬度。
本发明对所述产生析出强化的温度区间没有具体的限定，本领域技术人员可以根据合金种类的不同来确定合金产生析出强化的温度区间。
得到回火态铁基合金后，本发明将所述回火态铁基合金第二冷却至下贝氏体相变温度区间的温度范围内进行第四保温，然后第三冷却至室温。
在本发明中，所述第二冷却优选为水冷或油冷。本发明采用水冷或油冷的冷却方式，可以加快冷却速度，快速进入下贝氏体相变温度区间的温度范围内。
在本发明中，所述第四保温的时间优选为1～3小时，更优选为2小时。本发明将保温时间限定在上述范围内，可以保证合金中出现足够的下贝氏体相，从而与马氏体形成复相组织。
本发明对所述第三冷却的方式没有特殊的限定，使合金冷却到室温即可。在本发明中，所述第三冷却优选为自然冷却、水冷或油冷。本发明得到的合金组织中下贝氏体和马氏体形成复相组织，起到细晶强化的作用，使得材料的强度和冲击吸收功都能够得到提高。
在本发明中，所述奥氏体相区、马氏体转变温度和下贝氏体相变温度区间优选从铁基合金的TTT图中获得，所述奥氏体相区、马氏体转变温度和下贝氏体相变温度区间的具体参数随着合金成分的改变相应调整。
本发明提供的新工艺的工艺曲线图如图1所示，首先将铁基合金加热到奥氏体相区进行淬火，然后冷却至马氏体转变温度，进行马氏体预淬火，再升温至可以产生析出强化的温度区间进行回火，最后却至下贝氏体相变温度区间的温度范围内进行下贝氏体等温淬火，将热处理结束的合金冷却至室温，得到高强度和高冲击吸收功的铁基合金。
原工艺的工艺曲线图如图2所示，首先将铁基合金加热到奥氏体相区进行淬火，然后冷却至马氏体转变温度，进行马氏体预淬火，再升温至下贝氏体相变温度区间的温度范围内进行下贝氏体等温淬火，最后在可以产生析出强化的温度区间进行一次或多次回火后热处理工艺结束，将热处理后的合金冷却至室温，得到高强度的铁基合金。
本发明调整了现有技术中的热处理方法，采用预淬火+回火+下贝氏体转变的方法流程，利用了析出强化、下贝氏体相变强化以及复相(下贝氏体和马氏体)细晶强化，同时提高了材料的强度和冲击吸收功。
本发明提供了上述技术方案所述热处理方法制备得到的铁基合金，所述铁基合金的组织优选包括下贝氏体和马氏体。
本发明提供的铁基合金的硬度≥56HRC，冲击吸收功Aku≥28J，具有高硬度和高冲击吸收功的特点，有效解决了现有技术中热处理方法无法同时在铁基合金上进行析出强化与下贝氏体强化的缺陷。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。
实施例1
按照附图1中的工艺曲线对H13钢(牌号，4Cr5MoSiV1，成分见表1)进行热处理，从H13钢的TTT图中获得H13钢的参数，其Ac3为915℃，在1050℃奥氏体化情况下，Ms为320℃，Mf为180℃，下贝氏体转变温度区间为320℃～400℃。
热处理方法为：
(1)将H13钢加热到1050℃，保温1小时，得到奥氏体化合金；
(2)将所述步骤(1)得到的奥氏体化合金水冷至260℃，保温30秒，得到马氏体铁基合金；
(3)将所述步骤(2)得到的马氏体铁基合金升温至550℃保温0.5小时，得到回火态铁基合金；
(4)将所述步骤(3)得到的回火态铁基合金水冷至340℃保温2小时，然后自然冷却至室温。
热处理后的H13钢的性能：硬度58HRC，冲击吸收功Aku30J。
表1 H13钢成分
Figure BDA0002609701640000061
实施例2
按照附图1中的工艺曲线对42CrMo钢(成分见表2)进行热处理，从42CrMo钢的TTT图中获得42CrMo钢的参数，其Ac3为800℃，在840℃奥氏体化情况下，其Ms为310℃，Mf为170℃，下贝氏体转变区间为310℃～420℃。
热处理方法为：
(1)将42CrMo钢加热到840℃，保温1小时，得到奥氏体化合金；
(2)将所述步骤(1)得到的奥氏体化合金油冷至200℃，保温10分钟，得到马氏体铁基合金；
(3)将所述步骤(2)得到的马氏体铁基合金升温至400℃保温0.5小时，得到回火态铁基合金；
(4)将所述步骤(3)得到的回火态铁基合金油冷至340℃保温2小时，然后自然冷却至室温。
热处理后的42CrMo钢的性能：硬度56HRC，冲击吸收功Aku28J。
表2 42CrMo钢成分
Figure BDA0002609701640000062
Figure BDA0002609701640000071
实施例3
按照附图1中的工艺曲线对Cr12MoV钢(成分见表3)进行热处理，从Cr12MoV钢的TTT图中获得Cr12MoV钢的参数，其Accm为855℃，在1020℃奥氏体化，其Ms为230℃，Mf为80℃，下贝氏体温度区间为230℃～350℃。
热处理方法为：
(1)将Cr12MoV钢加热到1020℃，保温1小时，得到奥氏体化合金；
(2)将所述步骤(1)得到的奥氏体化合金油冷至190℃，保温1分钟，得到马氏体铁基合金；
(3)将所述步骤(2)得到的马氏体铁基合金升温至500℃保温0.5小时，得到回火态铁基合金；
(4)将所述步骤(3)得到的回火态铁基合金油冷至240℃保温2小时，然后自然冷却至室温。
热处理后的Cr12MoV钢的性能：硬度56HRC，冲击吸收功Aku28J。
表3 Cr12MoV钢成分
Figure BDA0002609701640000072
常规热处理工艺流程包括以下步骤：
(1)对铁基合金进行淬火加热，得到奥氏体化合金；
(2)将所述步骤(1)得到的奥氏体化合金冷却后进行马氏体预淬火，得到马氏体铁基合金；
(3)将所述步骤(2)得到的马氏体铁基合金升温后进行下贝氏体等温淬火，得到下贝氏体相变强化铁基合金；
(4)将所述步骤(3)得到的下贝氏体相变强化铁基合金进行1次或多次回火，然后自然冷却至室温。
对比例1
按照附图2中的工艺曲线对实施例1中的H13钢进行常规热处理。
热处理方法为：
(1)将H13钢加热到1050℃，保温1小时，得到奥氏体化合金；
(2)将所述步骤(1)得到的奥氏体化合金水冷至260℃，保温30秒，得到马氏体铁基合金；
(3)将所述步骤(2)得到的马氏体铁基合金升温至340℃保温2小时，得到下贝氏体相变强化铁基合金；
(4)将所述步骤(3)得到的下贝氏体相变强化铁基合金加热至550℃，进行三次回火，每次回火1小时，然后自然冷却至室温。
热处理后的H13钢的性能：硬度55HRC，冲击吸收功Aku14J。
对比例2
按照附图2中的工艺曲线对实施例2中的42CrMo钢进行常规热处理。
热处理方法为：
(1)将42CrMo钢加热到840℃，保温1小时，得到奥氏体化合金；
(2)将所述步骤(1)得到的奥氏体化合金油冷至200℃，保温10分钟，得到马氏体铁基合金；
(3)将所述步骤(2)得到的马氏体铁基合金升温至340℃保温2小时，得到下贝氏体相变强化铁基合金；
(4)将所述步骤(3)得到的下贝氏体相变强化基合金油冷至400℃保温200分钟，然后自然冷却至室温。
热处理后的42CrMo钢的性能：硬度54HRC，冲击吸收功Aku18J。
对比例3
按照附图2中的工艺曲线对实施例3中的Cr12MoV钢进行常规热处理。
热处理方法为：
(1)将Cr12MoV钢加热到1020℃，保温1小时，得到奥氏体化合金；
(2)将所述步骤(1)得到的奥氏体化合金油冷至190℃，保温1分钟，得到马氏体铁基合金；
(3)将所述步骤(2)得到的马氏体铁基合金在240℃保温2小时，得到下贝氏体相变强化铁基合金；
(4)将所述步骤(3)得到的下贝氏体相变强化铁基合金加热至500℃保温200分钟，然后自然冷却至室温。
热处理后的Cr12MoV钢的性能：硬度54HRC，冲击吸收功Aku13J。
由实施例1～3与对比例1～3制备的合金的性能对比可以看出，采用本发明提供的热处理方法处理后的合金不仅具有高硬度，同时冲击吸收功较原有的热处理方法相比，提高了近一倍以上，有效解决了现有技术中热处理方法无法同时在铁基合金上进行析出强化与下贝氏体强化的缺陷。
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 (9)

1.一种兼顾析出强化与下贝氏体相变强化的热处理方法，由以下步骤组成：
(1)将铁基合金加热到奥氏体相区进行第一保温，得到奥氏体化合金；
(2)将所述步骤(1)得到的奥氏体化合金第一冷却至马氏体转变温度，进行第二保温，得到马氏体铁基合金；
(3)将所述步骤(2)得到的马氏体铁基合金升温至可以产生析出强化的温度区间进行第三保温，得到回火态铁基合金；
(4)将所述步骤(3)得到的回火态铁基合金第二冷却至下贝氏体相变温度区间的温度范围内进行第四保温，然后第三冷却至室温；
所述铁基合金为H13钢、42CrMo钢或Cr12MoV钢。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤(1)中第一保温的温度为高于Ac3或Accm温度20～300℃，第一保温的时间为30～90min。
3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤(2)中的第一冷却为水冷或油冷。
4.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤(2)中第二保温的温度为Ms温度以下10～100℃，第二保温的时间≤5分钟。
5.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中第三保温的时间≤1小时。
6.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤(4)中第四保温的时间为1～3小时。
7.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(4)中的第二冷却为水冷或油冷，第三冷却为自然冷却、水冷或油冷。
8.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述奥氏体相区、马氏体转变温度和下贝氏体相变温度区间从铁基合金的TTT图中获得。
9.权利要求1～8任一项所述热处理方法制备得到的铁基合金，所述铁基合金的组织包括下贝氏体和马氏体。
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