CN113529009A - 一种硼钢的热处理方法、高强韧硼钢及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种硼钢的热处理方法，包括以下步骤：将硼钢进行表层渗碳，得到渗碳硼钢；将所述渗碳硼钢进行奥氏体化，得到奥氏体化硼钢；所述奥氏体化的温度为885～895℃，奥氏体化的时间为25～35min；将所述奥氏体化硼钢依次进行油淬和回火；所述油淬的温度为55～65℃，油淬的时间为29～31min。本发明对硼钢的热处理进行了改善和优化，先对硼钢进行表面渗碳，通过渗碳提高了硼钢的表面硬度，从而提高了耐磨性能，再依次进行奥氏体化、油淬和回火处理，通过调整奥氏体化和油淬的工艺参数，能够保证渗碳硼钢不会出现淬火开裂和变形现象，从而进一步提高了硼钢的硬度和耐磨性能。

Description

一种硼钢的热处理方法、高强韧硼钢及其应用
技术领域
本发明属于金属热处理技术领域，具体涉及一种硼钢的热处理方法、高强韧硼钢及其应用。
背景技术
农业是我国的基础产业，也是支柱型产业，其生产力与竞争力直接关系国家经济发展的稳定性与持久性。农业机械化和自动化的推进与发展极大地提升了农业的生产力与竞争力，促进了农业经济持续、快速、健康发展。农机刀具，如犁尖、犁铲、旋耕刀片等，是农业机械的关键零部件，是确保农业机械在使用周期内安全、优异运行的重要工艺环节。
高速犁是世界上应用最为广泛的耕作工具。随着农机动力以及耕作速度的提升对高速犁犁尖材料的性能和寿命提出了更高的要求。目前，我国高速犁犁尖的材料主要为硼钢，其热处理工艺为在910℃条件下奥氏体化10min，然后水冷淬火，最后在200℃条件下进行低温回火2h，热处理后硼钢的硬度为47～52HRC，微观组织会出现两大问题：(1)硼钢水冷淬火后得到板条马氏体的晶粒和板条尺寸粗大，如图1所示；(2)若水冷淬火过程中冷却时间和温度控制不当，则会出现铁素体和板条马氏体复相结构，如图2所示；这两种微观组织会降低硼钢的硬度和耐磨性能，直接导致犁尖材料使用寿命大大缩减。
因此，有必要对硼钢的热处理工艺进行改进，以进一步提高硼钢的硬度和耐磨性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硼钢的热处理方法、高强韧硼钢及其应用。硼钢在采用本发明提供的热处理方法处理后硬度和耐磨性能均提高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种硼钢的热处理方法，包括以下步骤：
(1)将硼钢进行表层渗碳，得到渗碳硼钢；
(2)将所述步骤(1)得到的渗碳硼钢进行奥氏体化，得到奥氏体化硼钢；所述奥氏体化的温度为885～895℃，奥氏体化的时间为25～35min；
(3)将所述步骤(2)得到的奥氏体化硼钢依次进行油淬和回火；所述油淬的温度为55～65℃，油淬的时间为29～31min。
优选地，所述步骤(1)中表层渗碳包括均热期、强渗期和扩散期。
优选地，所述均热期的温度为915～925℃，均热期的时间为25～35min，均热期的碳势为0.9～1.1wt％。
优选地，所述强渗期的温度为915～925℃，强渗期的时间为595～605min，强渗期的碳势为1.05～1.25wt％。
优选地，所述扩散期的温度为915～925℃，扩散期的时间为345～355min，扩散期的碳势为0.95～1.15wt％。
优选地，所述步骤(2)中奥氏体化的温度为888～892℃，奥氏体化的时间为28～32min。
优选地，所述步骤(3)中油淬的温度为58～62℃，油淬的时间为30min。
优选地，所述步骤(3)中回火的温度为160～170℃，回火的保温时间为115～125min。
本发明还提供了上述技术方案所述热处理方法制备得到的高强韧。
本发明还提供了上述技术方案所述高强韧硼钢在高速犁犁尖中的应用。
本发明提供了一种硼钢的热处理方法，包括以下步骤：将硼钢进行表层渗碳，得到渗碳硼钢；将所述渗碳硼钢进行奥氏体化，得到奥氏体化硼钢；所述奥氏体化的温度为885～895℃，奥氏体化的时间为25～35min；将所述奥氏体化硼钢依次进行油淬和回火；所述油淬的温度为55～65℃，油淬的时间为29～31min。本发明对硼钢的热处理进行了改善和优化，先对硼钢进行表面渗碳，通过渗碳提高了硼钢的表面硬度，从而提高了耐磨性能，再依次进行奥氏体化、油淬和回火处理，通过调整奥氏体化和油淬的工艺参数，能够保证渗碳硼钢不会出现淬火开裂和变形现象，从而进一步提高了硼钢的硬度和耐磨性能。实验结果表明，对硼钢采用本发明提供的热处理方法后硼钢的渗碳层平均硬度为58.3～59HRC，芯部硬度为51～53HRC。
附图说明
图1为硼钢水冷淬火得到的板条马氏体的微观组织结构图；
图2为硼钢水冷淬火过程中冷却时间和温度控制不当出现的铁素体和板条马氏体复相结构图；
图3为实施例1制备的高强韧硼钢表层的微观组织结构图；
图4为实施例1制备的高强韧硼钢芯部的微观组织结构图；
图5为实施例2制备的高强韧硼钢的表层至芯部随深度变化的硬度曲线；
图6为实施例2制备的高强韧硼钢表层的微观组织结构图；
图7为实施例2制备的高强韧内部距离表面3～4mm的微观组织结构图；
图8为实施例2制备的高强韧硼钢芯部的微观组织结构图；
图9为实施例3制备的高强韧硼钢表层的微观组织结构图；
图10为实施例3制备的高强韧硼钢芯部的微观组织结构图。
具体实施方式
本发明提供了一种硼钢的热处理方法，包括以下步骤：
(1)将硼钢进行表层渗碳，得到渗碳硼钢；
(2)将所述步骤(1)得到的渗碳硼钢进行奥氏体化，得到奥氏体化硼钢；所述奥氏体化的温度为885～895℃，奥氏体化的时间为25～35min；
(3)将所述步骤(2)得到的奥氏体化硼钢依次进行油淬和回火；所述油淬的温度为55～65℃，油淬的时间为29～31min。
本发明提供的热处理方法适用于未进行热处理的锻后硼钢。本发明对所述硼钢的锻造操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的锻造操作即可。在本发明中，所述硼钢优选为33MnCrB5；所述33MnCrB5的化学成分按质量百分比计优选包括C 0.30～0.36wt％、Mn 1.20～1.50wt％、Si＜0.40wt％、B 0.0008～0.005wt％、Cr 0.30～0.60wt％、P≤0.025wt％、S≤0.015wt％、Al≥0.015wt％、Ti 0.020～0.050wt％和余量的铁。
本发明将硼钢进行表层渗碳，得到渗碳硼钢。本发明对硼钢进行表面渗碳，通过渗碳提高了硼钢的表面硬度，从而提高了耐磨性能。
在本发明中，所述表层渗碳优选包括均热期、强渗期和扩散期。本发明在表层渗碳时设置均热期、强渗期和扩散期三个过程能够使碳原子更加均匀从气氛中扩散到硼钢材料中，从而进一步提高硼钢的耐磨性能。
在本发明中，所述均热期的温度优选为915～925℃，更优选为920℃；所述均热期的时间优选为25～35min，更优选为30min；所述均热期的碳势优选为0.9～1.1wt％，更优选为1.0wt％。本发明中均热期渗碳介质分解为活性碳原子吸附到硼钢表面，使得表层奥氏体中碳含量增加，硼钢表层组织中的碳会向内层基体扩散，同时由于表层与外界存在碳势差，表层不断得到碳原子补充，能够促使碳原子的扩散和均匀化，从而进一步提高耐磨性能。
在本发明中，所述强渗期的温度优选为915～925℃，更优选为920℃；所述强渗期的时间优选为595～605min，更优选为600min；所述强渗期的碳势优选为1.05～1.25wt％，更优选为1.15wt％。本发明中强渗期能够使表层建立一个高碳分的“碳库”，设定碳势高于完工预期含碳量，形成更陡的浓度梯度，从而使扩散期有充分的碳向硼钢内扩散，形成一定浓度梯度的渗碳层，增强工件表面硬度，提高耐磨性能；通过控制强渗期的工艺条件，能够进一步提高耐磨性能。
在本发明中，所述扩散期的温度优选为915～925℃，更优选为920℃；所述扩散期的时间优选为345～355min，更优选为350min；所述扩散期的碳势优选为0.95～1.15wt％，更优选为1.05wt％。本发明中扩散期能够使碳充分向碳钢的内部扩散，从而形成渗碳层；通过控制扩散期的工艺条件，能够进一步提高耐磨性能。
在本发明中，所述渗碳硼钢中渗碳层的厚度优选为1～2mm，更优选为1.5mm。本发明通过控制渗碳层的厚度能够进一步提高耐磨性能。
得到渗碳硼钢后，本发明将所述渗碳硼钢进行奥氏体化，得到奥氏体化硼钢。
在本发明中，所述奥氏体化的温度为885～895℃，优选为888～892℃，更优选为890℃；所述奥氏体化的时间为25～35min，优选为28～32min，更优选为30min。本发明对所述奥氏体加热的速率没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的速率即可。本发明通过控制奥氏体化的工艺条件能够保证渗碳硼钢不会出现淬火开裂和变形现象，避免温度过高导致基体晶粒粗大。
得到奥氏体化硼钢后，本发明将所述奥氏体化硼钢依次进行油淬和回火。本发明采用油淬能够避免由于水冷淬火过程中冷却时间和温度控制不当铁素体和板条马氏体复相结构的出现，从而提高了奥氏体化硼钢的强度。
在本发明中，所述油淬的温度为55～65℃，优选为58～62℃，更优选为60℃；所述油淬的时间为29～31min，优选为30min。本发明通过控制油淬的工艺条件能够保证渗碳硼钢不会出现淬火开裂和变形现象。
在本发明中，所述回火的温度优选为160～170℃，更优选为165℃；所述回火的保温时间优选为115～125min，进一步优选为118～122min，更优选为120min。本发明通过控制回火的工艺条件能够消除残余应力，从而进一步提高硬度和耐磨性能。
本发明对硼钢的热处理进行了改善和优化，先对硼钢进行表面渗碳，通过渗碳提高了硼钢的表面硬度，从而提高了耐磨性能，再依次进行奥氏体化、油淬和回火处理，通过调整奥氏体化和油淬的工艺参数，能够保证渗碳硼钢不会出现淬火开裂和变形现象，从而进一步提高了硼钢的硬度和耐磨性能。
本发明通过表层渗碳能够使得硼钢表层硬度高，耐磨性好，芯部强韧性匹配好，实现外硬内韧的“三明治”结构，制造成本低廉，同时满足用户的使用需求和经济实力。
本发明还提供了上述技术方案所述热处理方法制备得到的高强韧硼钢。在本发明中，所述高强韧硼钢表层的微观组织结构优选包括碳化物颗粒和回火马氏体，所述高强韧硼钢芯部的微观组织结构优选包括回火马氏体。本发明提供的硼钢表层硬度高，耐磨性好，芯部强韧性匹配好，为外硬内韧的“三明治”结构。
本发明还提供了上述技术方案所述高强韧硼钢在高速犁犁尖中的应用。
本发明对所述高强韧硼钢在高速犁犁尖中的应用没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的硼钢在高速犁犁尖中的应用操作即可。
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
33MnCrB5的热处理方法，由以下步骤组成：
(1)将锻后33MnCrB5进行表层渗碳，得到渗碳层的厚度为1.0mm的渗碳硼钢；所述33MnCrB5的化学成分按质量百分比计为C 0.33wt％、Mn 1.40wt％、Si 0.30wt％、B0.0035wt％、Cr 0.45wt％、P 0.012wt％、S 0.010wt％、Al 0.015wt％、Ti 0.035wt％和余量的铁；
其中，表层渗碳为均热期、强渗期和扩散期；均热期的温度为915℃，时间为25min，碳势为0.9wt％；强渗期的温度为915℃，时间为595min，碳势为1.05wt％；扩散期的温度为915℃，时间为345min，碳势为0.95wt％；
(2)将所述步骤(1)得到的渗碳硼钢在885℃进行奥氏体化25min，得到奥氏体化硼钢；
(3)将所述步骤(2)得到的奥氏体化硼钢依次进行油淬和回火；
其中，油淬的温度为55℃，时间为29min；回火的温度为160℃，保温时间为115min。
实施例1制备的高强韧硼钢的微观组织结构如图3～4所示，其中，图3为实施例1制备的高强韧硼钢表层的微观组织结构图；图4为实施例1制备的高强韧硼钢芯部的微观组织结构图。
从图3～4可以看出，高强韧硼钢表层的微观组织结构为回火马氏体和少量残余奥氏体，芯部的微观组织结构为回火马氏体，无渗碳层存在。
对实施例1制备的硼钢进行性能测试，渗碳层厚度为1mm时渗碳层的平均硬度为58.5HRC，芯部硬度为51～52HRC(由测试硼钢芯部不同位置得到的)。
实施例2
33MnCrB5的热处理方法，由以下步骤组成：
(1)将锻后33MnCrB5进行表层渗碳，得到渗碳层的厚度为1.5mm的渗碳硼钢；所述33MnCrB5的化学成分按质量百分比计为C 0.33wt％、Mn 1.40wt％、Si 0.30wt％、B0.0035wt％、Cr 0.45wt％、P 0.012wt％、S 0.010wt％、Al 0.015wt％、Ti 0.035wt％和余量的铁；
其中，表层渗碳为均热期、强渗期和扩散期；均热期的温度为920℃，时间为30min，碳势为1.0wt％；强渗期的温度为920℃，时间为600min，碳势为1.15wt％；扩散期的温度为920℃，时间为350min，碳势为1.05wt％；
(2)将所述步骤(1)得到的渗碳硼钢在890℃下进行奥氏体化30min，得到奥氏体化硼钢；
(3)将所述步骤(2)得到的奥氏体化硼钢依次进行油淬和回火，制备得到高强韧硼钢；
其中，油淬的温度为60℃，时间为30min；回火的温度为165℃，保温时间为120min。
实施例2制备的高强韧硼钢的表层至芯部随深度变化的硬度曲线如图5所示。从图5可以看出，在渗碳层厚度为1.5mm时渗碳层的平均硬度为59HRC，芯部硬度为52～53HRC(由测试硼钢芯部不同位置得到的)。
实施例2制备的高强韧硼钢的微观组织结构如图6～8所示，其中，图4为实施例2制备的高强韧硼钢表层的微观组织结构图；图7为实施例2制备的高强韧内部距离表面3～4mm的微观组织结构图；图8为实施例2制备的高强韧硼钢芯部的微观组织结构图。
从图6～8可以看出，高强韧硼钢表层的微观组织结构为回火马氏体和少量残余奥氏体，残余奥氏体量较实施例1有所减少，芯部的微观组织结构为回火马氏体，无渗碳层存在。
实施例3
33MnCrB5的热处理方法，由以下步骤组成：
(1)将锻后33MnCrB5进行表层渗碳，得到渗碳层的厚度为2.0mm的渗碳硼钢；所述33MnCrB5的化学成分按质量百分比计为C 0.33wt％、Mn 1.40wt％、Si 0.30wt％、B0.0035wt％、Cr 0.45wt％、P 0.012wt％、S 0.010wt％、Al 0.015wt％、Ti 0.035wt％和余量的铁；
其中，表层渗碳为均热期、强渗期和扩散期；均热期的温度为925℃，时间为35min，碳势为1.1wt％；强渗期的温度为925℃，时间为605min，碳势为1.25wt％；扩散期的温度为925℃，时间为355min，碳势为1.15wt％；
(2)将所述步骤(1)得到的渗碳硼钢在895℃进行奥氏体化35min，得到奥氏体化硼钢；
(3)将所述步骤(2)得到的奥氏体化硼钢依次进行油淬和回火；
其中，油淬的温度为65℃，时间为31min；回火的温度为170℃，保温时间为125min。
实施例3制备的高强韧硼钢的微观组织结构如图9～10所示，其中，图9为实施例3制备的高强韧硼钢表层的微观组织结构图；图10为实施例3制备的高强韧硼钢芯部的微观组织结构图。
从图9～10可以看出，高强韧硼钢表层的微观组织结构为回火马氏体和少量残余奥氏体，残余奥氏体量较实施例2有所增加，芯部的微观组织结构为回火马氏体，无渗碳层存在。
对实施例3制备的硼钢进行性能测试，在渗碳层厚度为2mm时渗碳层的平均硬度为58.3HRC，芯部硬度为51～52HRC(由测试硼钢芯部不同位置得到的)。
从以上实施例可以看出，硼钢采用本发明提供的热处理方法后硬度和耐磨性能均提高。
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 (10)

1.一种硼钢的热处理方法，包括以下步骤：
(1)将硼钢进行表层渗碳，得到渗碳硼钢；
(2)将所述步骤(1)得到的渗碳硼钢进行奥氏体化，得到奥氏体化硼钢；所述奥氏体化的温度为885～895℃，奥氏体化的时间为25～35min；
(3)将所述步骤(2)得到的奥氏体化硼钢依次进行油淬和回火；所述油淬的温度为55～65℃，油淬的时间为29～31min。
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)中表层渗碳包括均热期、强渗期和扩散期。
3.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，所述均热期的温度为915～925℃，均热期的时间为25～35min，均热期的碳势为0.9～1.1wt％。
4.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，所述强渗期的温度为915～925℃，强渗期的时间为595～605min，强渗期的碳势为1.05～1.25wt％。
5.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，所述扩散期的温度为915～925℃，扩散期的时间为345～355min，扩散期的碳势为0.95～1.15wt％。
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(2)中奥氏体化的温度为888～892℃，奥氏体化的时间为28～32min。
7.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)中油淬的温度为58～62℃，油淬的时间为30min。
8.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)中回火的温度为160～170℃，回火的保温时间为115～125min。
9.一种权利要求1～8任意一项所述热处理方法制备得到的高强韧硼钢。
10.权利要求9所述高强韧硼钢在高速犁犁尖中的应用。
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