CN112080613A - 一种钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁材料制备技术领域，公开了一种钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法，所述钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法包括以下步骤：进行炼钢得到钢铁半成品；对钢铁进行奥氏体化处理，快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火；将淬火后的钢铁进行配分处理，并将处理后的钢铁缓慢降温至室温；对钢铁进行深冷处理，后置于空气中回温至室温；进行回火处理，加热后保温，后冷却至室温。本发明通过在淬火、配分后、回火前进行一次深冷处理，通过将温度降至部分残余奥氏体的Ms以下，使得不稳定残余奥氏体组织发生转变，同时保留具有较强稳定性的残余奥氏体，能够在保持原有强塑性能的前提下显著提高钢铁材料的冲击韧性。
Description
技术领域
本发明属于钢铁材料制备技术领域，尤其涉及一种钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法。
背景技术
目前：钢中奥氏体可以产生相变诱发塑性(TRIP)效应、阻碍裂纹扩展(BPC)效应和吸收位错(DARA)效应，以及作为主要的“氢陷阱”，可以显著地阻碍裂纹萌生和扩展，提高钢铁材料的耐磨性、抗接触疲劳以及抗延迟断裂性能。不稳定的残余奥氏体在钢铁构件的服役过程中，即使在很小的应变下也诱发转变成马氏体并释放出氢将最终会加快钢中微裂纹的扩展和表层剥落，恶化钢铁构件的服役性能，因此有效调控钢中的残余奥氏体的含量、形态、尺寸等来提高其稳定性将具有十分重要的科学和工程意义。
淬火、配分-回火(quenching–partitioning–tempering,Q-P-T)工艺为传统淬火钢中的残余奥氏体调控提供了新的思路。淬火、配分-回火工艺在一定温度保温时析出共格、弥散的复杂碳化物，呈现析出强化的效果。大量的研究和工程应用已经表明，经过Q-P-T处理的钢件比传统的淬火-回火(Q-T)钢件具有更多、更稳定的残余奥氏体。然而，经Q-P-T工艺处理后，组织强塑性显著提升，组织中存在较多的残余奥氏体，其稳定性虽有提高，在外部环境的温度与外力的影响下，仍存在部分发生转变而给构件服役带来风险的情况，同时韧性水平不高。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：经淬火、配分-回火工艺处理后，钢铁材料中存在较多的残余奥氏体，存在部分发生转变而给构件服役带来风险的情况，同时韧性水平不高。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法。
本发明是这样实现的，一种钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法，所述钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法包括以下步骤：
步骤一，进行炼钢得到钢铁半成品；
所述进行炼钢得到钢铁半成品，包括以下步骤：
(1)将原料按照预设的份数进行混合，置于真空感应炉内进行熔炼，得到钢锭；
所述将原料按照预设的份数进行混合，置于真空感应炉内进行熔炼，包括：
1)对真空感应炉炉体进行检查和修复；
2)进行装料，将轻薄料作为基底铺设在最底层，然后放入废钢，在上层填铺轻料填充空隙；
3)分别进行点弧、穿井、主融化以及熔末升温，完成熔炼；
(2)将熔炼得到的钢锭转移至等离子电弧熔炼炉中，以钢锭为炉料采用等离子电弧进行再次熔炼，完全融化得到钢液；
(3)当钢液温度达到1600-1650℃时，插铝终脱氧，停电清炉出钢浇筑，浇筑时选用绝热板，浇筑温度为1580-1600℃；
(4)在珐琅涂层保护下进行均匀化处理，得到钢铁半成品；
步骤二，对钢铁进行奥氏体化处理，快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火；
所述对钢铁进行奥氏体化处理，快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火包括：
(2.1)获取钢铁的相变和热物性参数，建立温度场-应力场的热力耦合计算或传热计算的有限元模型；
(2.2)将钢铁加入井式炉中进行奥氏体化处理缓慢升温至预设温度并保温一段时间；
(2.3)将保温后的钢铁降温至960-980℃进行均温25-35min；
(2.4)基于步骤(2.1)获取的参数以及建立的模型计算步骤(2.2)至步骤(2.3)处理过程中钢铁的温度和热应力变化；
(2.5)获取钢铁的温度场和热应力随时间变化的分布情况；
(2.6)进行温度变化对应的组织演变计算，进行钢铁热处理过程中的奥氏体化测定；
若测定已转变为奥氏体，则快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火；若未转变为奥氏体，则继续加热，直至转变为奥氏体后，快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火；
步骤三，将淬火后的钢铁进行配分处理，并将处理后的钢铁缓慢降温至室温；
步骤四，对钢铁进行深冷处理，后置于空气中回温至室温；
所述对钢铁进行深冷处理，后置于空气中回温至室温，包括以下步骤：
(3.1)将钢铁以≤10℃/min的降温速率降温至-60--80℃，并进行2-3h保温；
(3.2)进行再次降温，以≤10℃/min的降温速率降温至-80--120℃，并进行4-5h保温；
(3.3)将深冷处理后的钢铁以2-5℃/min的升温速率升至室温；将钢铁取出并置于室内环境，适应室内温度；
步骤五，进行回火处理，加热后保温，后冷却至室温，得到钢铁材料成品。
进一步，步骤一中，所述钢铁半成品按照质量分数由废钢4-5份、生铁6-8份、铁矿石5-9份、锰铁合金2-3份、硅铁合金2-3份、碳粉1-2份、电极粉1-2份、萤石1-2份组成。
进一步，步骤3)中，所述分别进行点弧、穿井、主融化以及熔末升温，完成熔炼，包括：
步骤3.1)在点弧期采用较低电压、较低电流；
步骤3.2)在穿井期采用较大的二次电压、较大电流；
步骤3.3)在主融化期采用最高电压、最大电流；
步骤3.4)在熔末升温期采用低电压、较大电流。
进一步，步骤(1)中，所述将原料按照预设的份数进行混合，置于真空感应炉内进行熔炼，还包括：
在1580-1600℃，20ppm真空度下交替采用沉淀脱氧法和扩散脱氧法进行30-50min脱氧。
进一步，步骤(4)中，所述均匀化处理为1120-1150℃。
进一步，(2.4)中，所述计算钢铁的热应力包括：
根据传热计算公式，获取温度场和金属材料的热应力，热应力计算公式如下：
{σ}＝[D]·({ε}-{ε0})；
其中，σ为应力，ε为应变，ε0为热应变，D为钢铁的刚度矩阵。
进一步，所述热应变ε0计算公式如下：
ε0＝α·T；
其中，α为线膨胀系数；T为温度。
进一步，步骤二中，所述对钢铁进行奥氏体化处理包括：
所述奥氏体化处理在珐琅涂层保护下进行，加热预设温度为1080-1100℃，保温时间为2-3h。
进一步，步骤二中，所述快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火，具体包括：
将奥氏体化处理后的钢铁浸入盐浴炉或盐浴槽中，以大于临界冷却速度的冷速快冷到马氏体开始转变的温度以下。
进一步，步骤五中，所述进行回火处理具体为：将钢铁加热至450-550℃，保温2-3h，后冷却至室温。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过在淬火、配分后、回火前进行一次深冷处理，通过将温度降至部分残余奥氏体的Ms以下，使得这部分不稳定残余奥氏体组织发生转变，同时保留下具有较强稳定性的残余奥氏体，能够在保持原有强塑性能的前提下，显著提高钢铁材料的冲击韧性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。
图1是本发明实施例提供的钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法的流程图。
图2是本发明实施例提供的进行炼钢得到钢铁半成品的流程图。
图3是本发明实施例提供的将原料按照预设的份数进行混合，置于真空感应炉内进行熔炼的流程图。
图4是本发明实施例提供的分别进行点弧、穿井、主融化以及熔末升温，完成熔炼的流程图。
图5是本发明实施例提供的对钢铁进行深冷处理，后置于空气中回温至室温的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法包括以下步骤：
S101，进行炼钢得到钢铁半成品；
S102，对钢铁进行奥氏体化处理，快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火；
S103，将淬火后的钢铁进行配分处理，并将处理后的钢铁缓慢降温至室温；
S104，对钢铁进行深冷处理，后置于空气中回温至室温；
S105，进行回火处理，加热后保温，后冷却至室温，得到钢铁材料成品。
步骤S101中，本发明实施例提供的钢铁半成品按照质量分数由废钢4-5份、生铁6-8份、铁矿石5-9份、锰铁合金2-3份、硅铁合金2-3份、碳粉1-2份、电极粉1-2份、萤石1-2份组成。
如图2所示，步骤S101中，本发明实施例提供的进行炼钢得到钢铁半成品，包括以下步骤：
S201，将原料按照预设的份数进行混合，置于真空感应炉内进行熔炼，得到钢锭；
S202，将熔炼得到的钢锭转移至等离子电弧熔炼炉中，以钢锭为炉料采用等离子电弧进行再次熔炼，完全融化得到钢液；
S203，当钢液温度达到1600-1650℃时，插铝终脱氧，停电清炉出钢浇筑，浇筑时选用绝热板，浇筑温度为1580-1600℃；
S204，设定处理温度为1120-1150℃，在珐琅涂层保护下进行均匀化处理，得到钢铁半成品。
如图3所示，步骤S201中，本发明实施例提供的将原料按照预设的份数进行混合，置于真空感应炉内进行熔炼，包括：
S301，对真空感应炉炉体进行检查和修复；
S302，进行装料，将轻薄料作为基底铺设在最底层，然后放入废钢，在上层填铺轻料填充空隙；
S303，分别进行点弧、穿井、主融化以及熔末升温，完成熔炼。
如图4所示，步骤S303中，本发明实施例提供的分别进行点弧、穿井、主融化以及熔末升温，完成熔炼，包括：
S401，在点弧期采用较低电压、较低电流；
S402，在穿井期采用较大的二次电压、较大电流；
S403，在主融化期采用最高电压、最大电流；
S404，在熔末升温期采用低电压、较大电流。
步骤S201中，本发明实施例提供的将原料按照预设的份数进行混合，置于真空感应炉内进行熔炼，还包括：
在1580-1600℃，20ppm真空度下交替采用沉淀脱氧法和扩散脱氧法进行30-50min脱氧。
步骤S102中，本发明实施例提供的对钢铁进行奥氏体化处理，快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火包括：
(2.1)获取钢铁的相变和热物性参数，建立温度场-应力场的热力耦合计算或传热计算的有限元模型；
(2.2)将钢铁加入井式炉中进行奥氏体化处理缓慢升温至预设温度并保温一段时间；
(2.3)将保温后的钢铁降温至960-980℃进行均温25-35min；
(2.4)基于步骤(2.1)获取的参数以及建立的模型计算步骤(2.2)至步骤(2.3)处理过程中钢铁的温度和热应力变化；
(2.5)获取钢铁的温度场和热应力随时间变化的分布情况；
(2.6)进行温度变化对应的组织演变计算，进行钢铁热处理过程中的奥氏体化测定；
若测定已转变为奥氏体，则快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火；若未转变为奥氏体，则继续加热，直至转变为奥氏体后，快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火。
步骤(2.4)中，本发明实施例提供的计算钢铁的热应力包括：
根据传热计算公式，获取温度场和金属材料的热应力，热应力计算公式如下：
{σ}＝[D]·({ε}-{ε0})；
其中，σ为应力，ε为应变，ε0为热应变，D为钢铁的刚度矩阵。
本发明实施例提供的热应变ε0计算公式如下：
ε0＝α·T；
其中，α为线膨胀系数；T为温度。
步骤S102中，本发明实施例提供的对钢铁进行奥氏体化处理，具体为：所述奥氏体化处理在珐琅涂层保护下进行，处理中加热的温度为1080-1100℃，保温时间为2-3h。
步骤S102中，本发明实施例提供的快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火，具体为：将奥氏体化处理后的钢铁浸入盐浴炉或盐浴槽中，以大于临界冷却速度的冷速快冷到马氏体开始转变的温度以下。
如图5所示，步骤S104中，本发明实施例提供的对钢铁进行深冷处理，后置于空气中回温至室温，包括以下步骤：
S501，将钢铁以≤10℃/min的降温速率降温至-60--80℃，并进行2-3h保温；
S502，进行再次降温，以≤10℃/min的降温速率降温至-80--120℃，并进行4-5h保温；
S503，将深冷处理后的钢铁以2-5℃/min的升温速率升至室温；将钢铁取出并置于室内环境，适应室内温度。
步骤S105中，本发明实施例提供的进行回火处理具体为：将钢铁加热至450-550℃，保温2-3h，后冷却至室温。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法，其特征在于，所述钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法包括以下步骤：
所述钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法包括以下步骤：
步骤一，进行炼钢得到钢铁半成品；
所述进行炼钢得到钢铁半成品，包括以下步骤：
(1)将原料按照预设的份数进行混合，置于真空感应炉内进行熔炼，得到钢锭；
所述将原料按照预设的份数进行混合，置于真空感应炉内进行熔炼，包括：
1)对真空感应炉炉体进行检查和修复；
2)进行装料，将轻薄料作为基底铺设在最底层，然后放入废钢，在上层填铺轻料填充空隙；
3)分别进行点弧、穿井、主融化以及熔末升温，完成熔炼；
(2)将熔炼得到的钢锭转移至等离子电弧熔炼炉中，以钢锭为炉料采用等离子电弧进行再次熔炼，完全融化得到钢液；
(3)当钢液温度达到1600-1650℃时，插铝终脱氧，停电清炉出钢浇筑，浇筑时选用绝热板，浇筑温度为1580-1600℃；
(4)在珐琅涂层保护下进行均匀化处理，得到钢铁半成品；
步骤二，对钢铁进行奥氏体化处理，快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火；
所述对钢铁进行奥氏体化处理，快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火包括：
(2.1)获取钢铁的相变和热物性参数，建立温度场-应力场的热力耦合计算或传热计算的有限元模型；
(2.2)将钢铁加入井式炉中进行奥氏体化处理缓慢升温至预设温度并保温一段时间；
(2.3)将保温后的钢铁降温至960-980℃进行均温25-35min；
(2.4)基于步骤(2.1)获取的参数以及建立的模型计算步骤(2.2)至步骤(2.3)处理过程中钢铁的温度和热应力变化；
(2.5)获取钢铁的温度场和热应力随时间变化的分布情况；
(2.6)进行温度变化对应的组织演变计算，进行钢铁热处理过程中的奥氏体化测定；
若测定已转变为奥氏体，则快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火；若未转变为奥氏体，则继续加热，直至转变为奥氏体后，快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火；
步骤三，将淬火后的钢铁进行配分处理，并将处理后的钢铁缓慢降温至室温；
步骤四，对钢铁进行深冷处理，后置于空气中回温至室温；
所述对钢铁进行深冷处理，后置于空气中回温至室温，包括以下步骤：
(3.1)将钢铁以≤10℃/min的降温速率降温至-60--80℃，并进行2-3h保温；
(3.2)进行再次降温，以≤10℃/min的降温速率降温至-80--120℃，并进行4-5h保温；
(3.3)将深冷处理后的钢铁以2-5℃/min的升温速率升至室温；将钢铁取出并置于室内环境，适应室内温度；
步骤五，进行回火处理，加热后保温，后冷却至室温，得到钢铁材料成品。
2.如权利要求1所述钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法，其特征在于，步骤一中，所述钢铁半成品按照质量分数由废钢4-5份、生铁6-8份、铁矿石5-9份、锰铁合金2-3份、硅铁合金2-3份、碳粉1-2份、电极粉1-2份、萤石1-2份组成。
3.如权利要求1所述钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法，其特征在于，步骤3)中，所述分别进行点弧、穿井、主融化以及熔末升温，完成熔炼，包括：
步骤3.1)在点弧期采用较低电压、较低电流；
步骤3.2)在穿井期采用较大的二次电压、较大电流；
步骤3.3)在主融化期采用最高电压、最大电流；
步骤3.4)在熔末升温期采用低电压、较大电流。
4.如权利要求1所述钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法，其特征在于，步骤(1)中，所述将原料按照预设的份数进行混合，置于真空感应炉内进行熔炼，还包括：
在1580-1600℃，20ppm真空度下交替采用沉淀脱氧法和扩散脱氧法进行30-50min脱氧。
5.如权利要求1所述钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法，其特征在于，步骤(4)中，所述均匀化处理为1120-1150℃。
6.如权利要求1所述钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法，其特征在于，(2.4)中，所述计算钢铁的热应力包括：
根据传热计算公式，获取温度场和金属材料的热应力，热应力计算公式如下：
{σ}＝[D]·((ε}-{ε0})；
其中，σ为应力，ε为应变，ε0为热应变，D为钢铁的刚度矩阵。
7.如权利要求6所述钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法，其特征在于，所述热应变ε0计算公式如下：
ε0＝α·T；
其中，α为线膨胀系数；T为温度。
8.如权利要求1所述钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法，其特征在于，步骤二中，所述对钢铁进行奥氏体化处理包括：
所述奥氏体化处理在珐琅涂层保护下进行，加热预设温度为1080-1100℃，保温时间为2-3h。
9.如权利要求1所述钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法，其特征在于，步骤二中，所述快冷到马氏体开始转变的温度以下进行淬火，具体包括：
将奥氏体化处理后的钢铁浸入盐浴炉或盐浴槽中，以大于临界冷却速度的冷速快冷到马氏体开始转变的温度以下。
10.如权利要求1所述钢铁材料的淬火、配分、深冷、回火处理方法，其特征在于，步骤五中，所述进行回火处理具体为：将钢铁加热至450-550℃，保温2-3h，后冷却至室温。
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