CN112899453B - 一种通过回火形变提高中碳钢低温韧性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种通过回火变形提高中碳钢低温韧性的方法。该方法主要通过对回火索氏体进行高温(500‑700℃)多道次梯级轧制大形变处理，然后在空气中冷却，获得了组织细小，成分均匀的纳米级别晶粒，使中碳钢的低温韧性和强度得到了成倍的提高，实现了增强增韧的目的。本发明利用回火形变工艺代替传统的淬火加回火工艺，实现了以马氏体作为基体制备超细晶钢，降低了普通轧制变形时的变形抗力，减少了能源的消耗，节约了成本，为钢铁企业的发展提供了新的经济增长点。
Description
技术领域
本发明涉及形变加工制造技术，属于轧制领域。特别涉及到金属材料控温轧制技术，属于金属压延领域。
背景技术
钢铁作为一种在传统工业领域应用十分广泛的产品，因为原料(铁矿石)在地球上的储能很大，而且具有易开采、加工成本较低等诸多优点，可以实现大规模化的流水线生产。从目前的发展状况来看，在未来很长的一段时间里都不会出现能够完全取代传统钢铁材料的新型产品，可见钢铁材料的地位之重。但是，钢铁材料在生产生活的应用中还伴随着一系列需要人们尽快解决的问题，特别是大多数金属材料在温度较低的环境下服役会发生突然的脆性断裂，也就是低温脆性。例如在上个世纪30年代，比利时哈塞尔特城处于零下25℃的严寒中，跨越在阿尔伯特运河上的一座雄伟壮丽的大桥突然发出一声巨响，产生强烈的金属撕裂声，之后大桥便折断落入河中。还有就是在1954年的冬季，一艘英国籍的油轮“世界协和号”正在冰冷的北大西洋海面上航行，突然油轮上面出现了巨大的裂纹，伴随着发出一声巨响，顷刻间油轮就沉入冰冷的大西洋海水中。
像这样的例子还有很多，人们通过对事故进行了深入的分析调查研究。结果表明，大部分金属材料(合金)处于低温环境下都会变脆，也就是韧性大大的降低。所以怎么能够提高材料的抗低温性能，也就是如何提高材料的低温冲击韧性是本发明的重点研究目的。在新一代钢铁研究的诸多领域中，超细晶钢(Ultrafine grain steel)是一个重要的研究方向，其本质上来说还是“细晶强化”理论，通过细小组织的制备来获得相比于传统材料更好的强韧性，对材料组织进行细化可以提高在工程领域中应用的质量。
俄罗斯的R.Z.Valiev等人采用在高温下通过“等通道角度加工法”产生很大的变形量，以此来提高材料的低温韧性，但是这种方法的模具制造比较麻烦，所以只能在实验研究领域，不能应用于实际生活中。日本的Y.Chino等人提出对完全奥氏体化的材料采用加工热处理(控制轧制)，然后采用加速冷却的方法来提高低温韧性，但加速冷却引发的内应力也是很大的，对低温韧性的提高是有限的。日本的Y.Okitsu等人通过将淬火后的材料在大变形量的冷轧后添加退火工艺，使材料的低温韧性得到了提高，但是冷轧材料的变形抗力很大，所需的能耗较高，生产成本也随之增加，导致竞争力低。
发明内容
本发明的目的在于针对普通碳钢在工程结构应用领域强度低，特别是低温韧性较差等不足之处，提供一种通过回火形变提高中碳钢低温韧性的方法。该方法主要通过对回火索氏体进行高温(500-700℃)多道次梯级轧制大形变处理，然后在空气中冷却，获得了组织细小，成分均匀的纳米级别晶粒，使中碳钢的低温韧性和强度得到了成倍的提高，实现了增强增韧的目的。
本发明的技术方案是：
一种通过回火变形提高中碳钢低温韧性的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将中碳钢打磨、清洗；
(2)将上步得到的中碳钢放入800-900℃下的马弗炉中，保温40min-1h后取出，随即放入到冷水中淬火；
(3)将上步得到的中碳钢放入500-700℃下的马弗炉中，进行40min-1h保温回火处理；
(4)将保温回火后的中碳钢从炉中取出，随即进行轧制；轧制1-4道次；
(5)重复“步骤(3)-步骤(4)”循环2-6次；
(6)共计进行8-13道次的轧制变形处理；当总压下量超过80％后，放入空气中冷却，得到具有低温韧性的中碳钢；
所述步骤(1)中碳钢为板状坯料或棒状坯料。
所述步骤(4)的轧制为普通轧制(板轧)或孔型轧制(槽轧)；
所述的板轧为：将首次轧制压下量设置为40％-50％，之后的轧制过程压下量依次按5％-8％递增进行，且轧制最后2-3道次时要保证轧制方向一致。
所述的槽轧为：轧制第1-2道次压下量为8％-13％,第3-4道次为25％-29％，第5-7道次为 49％-53％，第8-10道次为77％-79％，第11-13道次为82％-84％，且轧制最后2-3道次时要保证轧制方向一致。
本发明的实质性特点：
当前技术中，日本的Y.Okitsu的技术是：将低碳钢加热至两相区(铁碳相图)后淬火，随后进行冷轧大变形处理，轧制后在620-650℃进行退火。因为淬火后存在大量的马氏体，马氏体是硬脆相，冷轧的话变形抗力很大(有可能轧制不动)增大了能源的消耗，还会降低轧机的使用寿命，产生冷轧开裂等现象。
本发明是：马弗炉升温至800-900℃后，淬火，然后再在500-700℃回火--温轧，最后得到具有低温韧性的中碳钢。由于当前技术的机理是通过轧制来细化晶粒，使其晶粒尺寸变得细小，本发明不通过冷轧来实现主要是因为冷轧的变形抗力很大，增加能源的消耗，而通过温轧(500-700摄氏度)可以使轧制过程较为容易的进行，同时这个温度还能发生动态再结晶现象，来降低轧制过程中的应力，使轧制的细扁长的晶粒发生再结晶变成细小的晶粒，从而实现冷轧的效果。
本发明的有益效果为：
(1)通过对回火索氏体进行高温(500-700℃)形变轧制，其拉伸性能达到1124MPa,(原始态的碳钢为650MPa)提高了87.3％。冲击韧性在室温下能达到200j/cm2；在-40℃能达到 142j/cm2；-80℃为93j/cm2；(普通碳钢在室温下冲击韧性为30j/cm2)相比室温条件下提高了566％。
(2)通过控温轧制，在较大的压下量条件下可以提高γ→α的形核率，引起组织的动态回复和再结晶行为，从而起到了细化晶粒的效果，这也为高强度高韧性钢的组织结构设计提供了一定的方案。
(3)通过回火形变工艺可以获得超细长的晶粒和具有方向性的纤维织构相结合显微组织，可以提高在室温或较低温度下的强度和韧性，甚至可以得到韧性随温度下降反而增加的逆温度变化的特性。
(4)利用回火形变工艺代替传统的淬火加回火工艺，实现了以马氏体作为基体制备超细晶钢，降低了普通轧制变形时的变形抗力，减少了能源的消耗，节约了成本，为钢铁企业的发展提供了新的经济增长点。
附图说明
图1为本发明具体实施的流程图
图2为实施例1控温普通轧制(板轧)的金相组织图
图3为实施例2控温孔型轧制(槽轧)的金相组织图
具体实施方式
对于金属材料而言，其强化机制无外乎四种，分别为通过细化晶粒使位错跨越晶界受阻产生的细晶强化、通过加工形变使工件承载时的位错密度增加造成的形变强化、通过在基体中溶解合金元素及间隙元素的固溶强化、通过弥散相或析出相使位错发生弯曲(奥罗万机制) 的第二相强化。对于后三种强化方法而言，所带来强度提升的同时也往往带来塑性的下降，只有细晶强化这种方法，在得到较高强度的同时也能得到较好的塑性。所以开发出一种具有较高强度、较好的低温韧性的工程结构用钢,从碳钢具有细小的晶粒尺寸的方面进行研究，对于综合力学性能的提高是十分重要的。而超细晶钢具有强度较高、塑韧性较好和较低的缺口敏感性等优点，但是通过单纯的细化技术对钢铁材料的组织细化具有很大的局限性，因此需要设计一种方法将热处理工艺与轧制技术结合起来进行综合细化。
本发明提供一种通过回火形变提高中碳钢低温韧性的新型方法。通过控温轧制，可以有效地将晶粒尺寸控制在较小的范围之内，其原理是通过在较高的温度下进行大的形变处理可以提高γ→α的形核率，从而可以产生动态的回复和再结晶的现象，进一步细化了晶粒的尺寸，本质上是通过细化晶粒组织来获得超细晶钢。
本发明将轧制技术与热处理工艺结合起来，设计出一种具有良好低温韧性的钢。首先是将中碳钢淬火处理后，然后回火保温一段时间进行控温轧制，在材料的变形过程中基体会出现动态回复和再结晶现象，最后在空气中冷却使组织变得很细小，获得超细晶组织，可以很好的解决其低温韧性差的问题，从而实现了增强增韧的目的。本发明所提供的方法是制备超细晶钢领域诸多技术的一个重要的分支，是实现钢铁材料高强度高韧性的重要途径，是未来钢铁行业的发展趋势。
本发明涉及的中碳钢为45#钢，主要化学成分为：0.42-0.50C,0.50-0.80Mn,0.17-0.37Si, S≤0.035，P≤0.035；为本领域广为应用的材料，但本发明能够实现的中碳钢范围不限于此。
实施例1：
实施例1所采用的的轧机为二辊热轧机(东北大学)，规格为φ350*φ350二辊热轧机，最大轧制力为3500KN，坯料最大厚度为180mm,成品最小厚度为2mm。
(1)用角磨机和砂纸对45#钢进行表面打磨，去掉表面的铁锈、氧化膜等，直到表面打磨光亮为止。其中45#钢的尺寸为60mm*60mm*60mm
(2)用酒精清洗打磨后的表面，去掉上面的污渍，然后用吹风机吹干。利用二辊热轧机 (东北大学)进行轧制实验。
具体操作如下：
(1)将马弗炉升温至840℃，放入清洗好的45#钢，保温40min。
(2)迅速放入到循环的冷水(室温)中淬火。具体操作是淬火人员穿戴好防护物品，用淬火夹具将45#钢从马弗炉中夹出来，然后迅速放入到循环的冷水中进行淬火处理。
(3)然后将马弗炉的温度调到650℃，将淬火后的45#钢放入炉中，保温40min做高温回火处理。具体的操作是待上步淬火后的坯料冷却至室温后迅速进行冲洗，然后用淬火夹具将其放入调整好的马弗炉中进行回火处理。
(4)将45#钢从炉中取出，迅速在650℃进行控温轧制(板轧)。
具体操作为：将首次轧制压下量设置为50％，后续的压下量依次按5％递增，轧制3道次。
(5)重复进行步骤(3)，即将45#钢再放入温度为650℃的马弗炉中重复进行保温40min 做高温回火处理，然后再重复进行步骤(4)的轧制。
(6)总计重复进行3个“步骤(4)-步骤(5)”的循环后，也就是最后共计轧制8个道次(即最后一个循环压制了2个道次)，最终得到压下量为85％的45#钢，使45#钢的厚度从60mm减小到9mm，随后放在空气中冷却。
得到具有良好低温韧性的板轧45#钢的金相图如图2所示，从图中可以看出，得到了细长的晶粒与弥散析出的纳米级粒子相结合的显微组织，呈现出一定的规则性，可以提高其综合力学性能。
实施例2：
实施例2所用的轧机为二辊槽轧机(东北大学)，规格为φ350*850二辊槽轧机，最大轧制力为3000KN，坯料规格为40mm*40mm方钢，成品规格为8mm*8mm方钢。
(1)用角磨机和砂纸对45#钢进行表面打磨，去掉表面的铁锈、氧化膜等，直到表面打磨光亮为止。其中45#钢的尺寸为35mm*35mm*180mm的方钢。
(2)用酒精清洗打磨后的表面，去掉上面的污渍，然后用吹风机吹干。利用二辊槽轧机(东北大学)进行轧制实验。
具体操作如下：
(1)将马弗炉升温至840℃，放入清洗好的45#钢，保温40min。
(2)迅速放入到循环的冷水中淬火。具体操作是淬火人员穿戴好防护物品，用淬火夹具将45#钢从马弗炉中夹出来，然后迅速放入到循环的冷水中进行淬火处理。
(3)然后将马弗炉的温度调到650℃，将淬火后的45#钢放入炉中，保温40min做高温回火处理。具体的操作是待坯料冷却至室温后迅速进行冲洗，然后用淬火夹具将其放入调整好的马弗炉中进行回火处理。
(4)将45#钢从炉中取出，迅速在650℃进行控温孔型轧制(槽轧)，每轧制3道次后重新放入温度为650℃的马弗炉中进行回火处理，然后在下一孔径尺寸下再次进行槽轧，共计需要轧制12道次，在轧制最后两道次后，需要保证轧制方向一致，最后得到尺寸接近为14mm*14mm的正方形棒，然后放在空气中冷却。
其中，轧制3道次后压下量达到28％,5道次后压下量达到56％，9道次后压下量达到78％,12 道次后压下量达到84％。
得到具有良好低温韧性的槽轧45#钢的金相图如图3所示，从图中可以看出，得到了细长的晶粒与弥散析出的纳米级粒子相结合的显微组织，呈现出一定的规则性，可以提高其综合力学性能。
实施例3：
实施例3所采用的的轧机为二辊热轧机(东北大学)，规格为φ350*φ350二辊热轧机，最大轧制力为3500KN，坯料最大厚度为180mm,成品最小厚度为2mm。
(1)用角磨机和砂纸对45#钢进行表面打磨，去掉表面的铁锈、氧化膜等，直到表面打磨光亮为止。其中45#钢的尺寸为60mm*60mm*60mm
(2)用酒精清洗打磨后的表面，去掉上面的污渍，然后用吹风机吹干。利用二辊热轧机 (东北大学)进行轧制实验。
具体操作如下：
(1)将马弗炉升温至840℃，放入清洗好的45#钢，保温40min。
(2)迅速放入到循环的冷水(室温)中淬火。具体操作是淬火人员穿戴好防护物品，用淬火夹具将45#钢从马弗炉中夹出来，然后迅速放入到循环的冷水中进行淬火处理。
(3)然后将马弗炉的温度调到650℃，将淬火后的45#钢放入炉中，保温40min做高温回火处理。具体的操作是待上步淬火后的坯料冷却至室温后迅速进行冲洗，然后用淬火夹具将其放入调整好的马弗炉中进行回火处理。
(4)将45#钢从炉中取出，迅速在650℃进行控温轧制(板轧)。
具体操作为：将首次轧制压下量设置为15％，后续的压下量依次按10％递增，轧制3道次。
(5)重复进行步骤(3)，即将45#钢再放入温度为650℃的马弗炉中重复进行保温40min 做高温回火处理，然后再重复进行步骤(4)的轧制。
(6)总计重复进行3个“步骤(4)-步骤(5)”的循环后，也就是最后共计轧制8个道次(即最后一个循环压制了2个道次)，最终得到压下量为85％的45#钢，使45#钢的厚度从60mm减小到9mm，随后放在空气中冷却。
实施例4：
实施例4所采用的的轧机为二辊热轧机(东北大学)，规格为φ350*φ350二辊热轧机，最大轧制力为3500KN，坯料最大厚度为180mm,成品最小厚度为2mm。
(1)用角磨机和砂纸对45#钢进行表面打磨，去掉表面的铁锈、氧化膜等，直到表面打磨光亮为止。其中45#钢的尺寸为60mm*60mm*60mm
(2)用酒精清洗打磨后的表面，去掉上面的污渍，然后用吹风机吹干。利用二辊热轧机(东北大学)进行轧制实验。
具体操作如下：
(1)将马弗炉升温至840℃，放入清洗好的45#钢，保温40min。
(2)迅速放入到循环的冷水(室温)中淬火。具体操作是淬火人员穿戴好防护物品，用淬火夹具将45#钢从马弗炉中夹出来，然后迅速放入到循环的冷水中进行淬火处理。
(3)然后将马弗炉的温度调到650℃，将淬火后的45#钢放入炉中，保温40min做高温回火处理。具体的操作是待上步淬火后的坯料冷却至室温后迅速进行冲洗，然后用淬火夹具将其放入调整好的马弗炉中进行回火处理。
(4)将45#钢从炉中取出，迅速在650℃进行控温轧制(板轧)。
具体操作为：将首次轧制压下量设置为65％，后续的压下量依次按2％递增，轧制3道次。
(5)重复进行步骤(3)，即将45#钢再放入温度为650℃的马弗炉中重复进行保温40min 做高温回火处理，然后再重复进行步骤(4)的轧制。
(6)总计重复进行4个“步骤(4)-步骤(5)”的循环后，也就是最后共计轧制11个道次(即最后一个循环压制了2个道次)，最终得到压下量为85％的45#钢，使45#钢的厚度从60mm减小到9mm，随后放在空气中冷却。
力学性能试验结果：
试验条件：为低温冲击实验和室温拉伸实验，所用的实验仪器为深圳三思纵横科技股份有限公司生产的金属摆锤冲击试验机和日本岛津公司生产的电子万能材料试验机。
| 45#钢 | 实施例1 | 实施例2 |
| 抗拉强度 | 968MPa | 1124MPa |
| 冲击韧性(低温-40℃) | 136j/cm<sup>2</sup> | 142j/cm<sup>2</sup> |
| 冲击韧性(低温-80℃) | 93j/cm<sup>2</sup> | 102j/cm<sup>2</sup> |
利用高温回火处理和轧制技术结合起来进行控温轧制工艺，制备一种综合力学性能都较好的45#钢，得到了纳米级别的晶粒，大幅的提升了抗拉强度、低温冲击韧性等性能，达到了很好的强化目的。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (2)
1.一种通过回火变形提高中碳钢低温韧性的方法，其特征为该方法包括以下步骤：
(1)将中碳钢打磨、清洗；
(2)将上步得到的中碳钢放入800-900℃下的马弗炉中，保温40min-1h后取出，随即放入到冷水中淬火；
(3)将上步得到的中碳钢放入500-700℃下的马弗炉中，进行40min-1h保温回火处理；
(4)将保温回火后的中碳钢从炉中取出，随即进行轧制；轧制1-4道次；
(5)重复“步骤(3)-步骤(4)”循环2-6次；
(6)共计进行8-13道次的轧制变形处理；当总压下量超过80％后，放入空气中冷却，得到具有低温韧性的中碳钢；
所述步骤(4)的轧制方法为板轧或槽轧；
所述的板轧为：将首次轧制压下量设置为40％-50％，之后的轧制过程压下量依次按5％-8％递增进行，且轧制最后2-3道次时要保证轧制方向一致；
所述的槽轧为：轧制第1-2道次压下量为8％-13％,第3-4道次为25％-29％，第5-7道次为49％-53％，第8-10道次为77％-79％，第11-13道次为82％-84％，且轧制最后2-3道次时要保证轧制方向一致。
2.如权利要求1所述的通过回火变形提高中碳钢低温韧性的方法，其特征为所述步骤(1)中碳钢为块状坯料或棒状坯料。
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