CN113584267A - 一种高碳纳米贝氏体钢组织的动态等温处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种高碳纳米贝氏体钢组织的动态等温处理方法，其属于铸造技术领域。该方法采用将待处理的高碳钢工件进行完全奥氏体化处理；后油浴进行等温处理；根据不同等温时间下组织中残余奥氏体中的含碳量及Ms点温度，将等温过程设置为连续缓慢降温的动态等温处理；等温过程降至碳原子难以扩散的温度后，等温温度被保持获得更多纳米贝氏体组织，最后空冷至室温并低温回火。该方法可显著增加纳米贝氏体最终转变量，细化贝氏体铁素体板条厚度，减少块状残余奥氏体含量。对于不同成分的纳米贝氏体钢可通过调整其不同阶段的缓降温速率，从而得到更加优异的组织，并显著提高纳米贝氏体钢的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢的组织的制备方法，特别是涉及一种纳米贝氏体钢组织的热处理方法，其属于铸造技术领域。
背景技术
纳米贝氏体组织由于其纳米尺度的贝氏体铁素体板条及分布在板条间的富碳薄膜状残余奥氏体，使纳米贝氏体钢具有优异的综合力学性能，并被广泛地应用在承受大冲击载荷的工况下，如风电、重载铁路货车轴承等零件上。纳米贝氏体钢的热处理通常是将钢奥氏体化后放入盐浴条件下，并在Ms点稍上温度进行长时间的等温处理。但在等温处理过程中，贝氏体转变中存在着过量的碳原子从过饱和的贝氏体铁素体板条扩散到周围未转变奥氏体的过程，这导致大量富碳的残余奥氏体被保留到了室温。其中块状的残余奥氏体由于其相对低的稳定性，即使在很小的应力状态下也容易转变为高碳马氏体，这些未回火的脆性马氏体严重破坏了纳米贝氏体钢的韧性。
另外，根据T 0 曲线，当等温温度较高时，纳米贝氏体的最终转变量较低，并生成大量的块状残余奥氏体。大量研究显示，纳米贝氏体钢的综合力学性能随着纳米贝氏体体积分数的增加而显著提高。因此，纳米贝氏体最终转变量低及块状残余奥氏体的存在成为限制纳米贝氏体钢性能提升的最主要的两个原因。目前，获得纳米贝氏体组织较为先进的等温热处理是双阶等温处理，它是通过将纳米贝氏体钢在较高温度下等温一段时间，然后再转移到另一个较低的温度下进行第二阶段的等温处理，从而获得贝氏体铁素体板条厚度更小，块状残余奥氏体含量更低的纳米贝氏体组织。但是由于该工艺很难精确计算出第二阶段中低温等温的温度，选取过高或过低的等温温度会失去双阶等温处理的作用或在最终转变组织中得到部分高碳马氏体，从而降低纳米贝氏体的力学性能；同时，由于双阶等温过程中不同阶段的等温温度是固定的，并不能很好地控制纳米贝氏体的转变过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米贝氏体组织的热处理方法，利用微分思想，根据纳米贝氏体转变过程中的碳浓度变化，拟合出一个连续降温的动态等温处理，即将等温温度分成无数个无限小的温度区间，使区间内的等温温度始终处于相应等温时间下的残余奥氏体转变温度以上一定温度，来达到进一步优化双阶等温过程的目的，从而获得贝氏体铁素体板条厚度更小，纳米贝氏体最终转变量更多，块状残余奥氏体含量更少的组织，以提升纳米贝氏体钢综合力学性能。
实现本发明的技术方案如下：本发明公开一种纳米贝氏体钢组织的热处理方法，包括：
步骤1，将待处理的高碳钢工件加热到800-840℃，保持0.5-1h进行奥氏体化；
步骤2，将工件淬入油浴中进行等温处理；
步骤3，根据贝氏体转变过程中的碳扩散行为，拟合出不同等温时间下组织中残余奥氏体中的含碳量及Ms点温度，并将等温过程设置为连续缓慢降温的动态等温处理，使等温温度始终处于转变过程中残余奥氏体Ms点以上一定温度，并持续一段时间；
步骤4，等温过程降至碳原子难以扩散的温度后，等温温度被保持在一个较低温度并保温一定时间以获得更多含量的纳米贝氏体组织，最后空冷至室温，并进行低温回火。
上述所说的油浴是采用型号为PMX-200的二甲基硅油对所述待处理的高碳钢工件进行油浴。
上述所说的Ms点以上一定温度是比Ms点高50-70℃，其持续时间为12-24h。
上述所说的连续缓慢降温的动态等温处理温度区间为240到（100-120）℃。
上述所说的连续缓慢降温的动态等温处理包括一段和多段缓慢降温的动态等温处理。
上述所说的根据贝氏体转变过程中的碳扩散行为，是通过XRD检测结果拟合出钢在240℃下等温0-28h不同时间时，残余奥氏体的晶格常数的变化趋势，并分别利用Dyson-Holmes方程及Ms点与化学成分的已知关系计算拟合出贝氏体转变过程中残余奥氏体的中的含碳量及Ms点温度的变化趋势。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、经过等温处理后的组织均由纳米尺寸的贝氏体铁素体板条及薄膜状残余奥氏体组成。其中经过动态等温处理后，组织中贝氏体铁素体板条明显更加细小，尺寸约为36±8 nm，并且板条上出现大量高密度位错。这主要是由于动态等温处理过程中较低的温度，导致贝氏体相变驱动力增加，并缩短了碳原子扩散的距离，从而使得贝氏体铁素体板条得到细化，并有大量高密度位错产生。
2、经过动态等温处理后，组织中的白色块状残余奥氏体明显减少，从而降低了在应力作用下不稳定的残余奥氏体向未回火的脆性马氏体转变的可能性。
3、对于不同成分的纳米贝氏体钢可通过调整其不同阶段的缓降温速率，从而得到更加优异的组织，并显著提高纳米贝氏体钢的综合力学性能。
因此，动态等温处理获得更加优异的性能的原因主要为贝氏体铁素体板条的细化、板条中产生高密度位错及块状残余奥氏体含量的降低。可以获得纳米贝氏体含量多、贝氏体铁素体板条厚度小的纳米贝氏体组织，有效减少组织中块状残余奥氏体含量，显著提高钢的综合力学性能。
附图说明
图1是本发明实施例1的纳米贝氏体钢热处理工艺曲线。
图2是本发明实施例1获得的纳米贝氏体组织的金相和扫描电镜形貌。
图3是本发明实施例1获得的纳米贝氏体组织的透射电镜形貌，其中：（a）为淬火回火处理后组织的透射电镜形貌；（b）为一阶等温处理后组织的透射电镜形貌；（c）为动态等温处理后组织的透射电镜形貌和（d）为双阶等温处理后组织的透射电镜形貌。
图4是本发明实施例1与其他热处理条件下贝氏体铁素体板条平均尺寸及尺寸分布对比。
具体实施方式
本发明的实施例选用一种纳米贝氏体高碳钢，其化学成分的质量百分数为，C：1.07、Si：0.43、Mn：0.54、Cr：0.58、Ni：1.88、Mo：0.27、Al：0.60。用Gleeble-3500热模拟试验机检测出该钢的Ms点为134℃。
实施例1
参照图1，将钢加热至T1=805℃并保温1h，然后快速放入T2=240℃的油浴锅中进行动态等温处理。其中第一阶段降温区间为240-216℃（T3），降温速率为0.1℃/min，持续时间为0-4h；第二阶段降温区间为216-120℃（T4），降温速率为0.2℃/min，持续时间为4-12h；第三阶段为低温等温处理，等温温度为120℃，持续时间为12-24h。等温结束后将试样空冷至室温，最后在160℃回火2h。
通过透射电子显微镜观察实施例1纳米贝氏体钢中贝氏体铁素体板条为如图3所示。可以看出，经过淬火-回火处理后组织主要由孪晶马氏体组成。此时，钢虽然具有较高的强度，但韧性较差，从而会造成早期开裂等现象；经过等温处理后的组织均由纳米尺寸的贝氏体铁素体板条及薄膜状残余奥氏体组成。其中经过动态等温处理后，组织中贝氏体铁素体板条明显更加细小，尺寸约为36±8 nm，并且板条上出现大量高密度位错。这主要是由于动态等温处理过程中较低的温度，导致贝氏体相变驱动力增加，并缩短了碳原子扩散的距离，从而使得贝氏体铁素体板条得到细化，并有大量高密度位错产生。与淬火-回火、一阶等温及双阶等温处理后的组织尺寸及尺寸分布对比情况如图4所示。
另外，实施例1纳米贝氏体钢经过不同热处理后的金相和扫描组织形貌为如图2所示。可以看出，经过动态等温处理后，组织中的白色块状残余奥氏体明显减少，从而降低了在应力作用下，这种不稳定残余奥氏体向未回火的脆性马氏体转变的可能性。因此，动态等温处理获得更加优异的性能的原因主要为贝氏体铁素体板条的细化、板条中产生高密度位错及块状残余奥氏体含量的降低。不同热处理条件下的力学性能对比如下表所示：
注：上表中，淬火回火工艺是将钢首先在805 °C下奥氏体化40 min，然后油冷至室温，最后在160°C下进行2 h的低温回火处理。一阶等温工艺是将钢在805 °C下奥氏体化40min后，转移到200°C的油浴中等温24h，空冷至室温后进行160 °C×2 h的低温回火处理；双阶等温工艺首先将钢在805 °C下奥氏体化40 min，奥氏体化后第一阶段等温是在240°C的油浴中等温12h，然后再将钢转移到120 °C的油浴中进行12 h的第二阶段等温，最后在160°C下进行2 h的低温回火处理。
从上表中可以看出，动态等温热处理后，纳米贝氏体高碳钢的抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧性和硬度相比于现阶段最常用的双阶等温热处理工艺都有提升。同时，与传统的淬火回火工艺处理后得到较高强度、较差的塑韧性相比，经动态等温热处理后的纳米贝氏体高碳钢在少量牺牲强度性能的前提下，显著提升了塑性及韧性，从而使钢达到了更为合理的强韧性配合。另外，韧性的提升有望进一步改善其耐磨性能及抗疲劳性能。与一阶等温工艺相比，动态等温热处理在保证钢的塑性基本保持较高水平不变的前提下，显著提升了包括抗拉强度、屈服强度、冲击韧性及硬度在内的综合力学性能，尤其是屈服强度，提升了约170 MPa。造成纳米贝氏体高碳钢强度及韧塑性显著提升的原因主要是优化后的动态等温热处理使钢始终处于一个较低的等温温度，这使得贝氏体相变始终具有一个较大的相变驱动力，从而获得含量更多且具有更细贝氏体铁素体板条厚度的纳米贝氏体组织，组织细化引起的细晶强、韧化是提升纳米贝氏体高碳钢强度及韧性的主要原因。另外，较低的等温温度可以导致板条上的高密度位错数量的增加及组织中不稳定的块状残余奥氏体含量的减少，这也显著的提升了钢的强度。以上这些因素共同作用使纳米贝氏体高碳钢在动态等温热处理后综合力学性能得到了显著优化。
Claims (3)
1.一种高碳纳米贝氏体钢组织的动态等温处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将待处理的高碳钢工件加热到800-840℃，保持0.5-1h进行奥氏体化；
步骤2，将工件淬入二甲基硅油的油浴中进行等温处理；
步骤3，根据贝氏体转变过程中的碳扩散行为，拟合出不同等温时间下组织中残余奥氏体中的含碳量及Ms点温度，并将等温过程设置为连续缓慢降温的动态等温处理，使等温温度始终处于转变过程中残余奥氏体的Ms点高50-70℃，并持续12-24h；
步骤4，等温过程降至等温处理区间的终点温度后，等温温度被保持在该温度并保温，最后空冷至室温，并进行低温回火。
2.根据权利要求1所述的一种高碳纳米贝氏体钢组织的动态等温处理方法，其特征在于，在步骤3中，所述连续缓慢降温的动态等温处理温度区间的始点温度为240℃，终点温度100-120℃。
3.根据权利要求1所述的一种高碳纳米贝氏体钢组织的动态等温处理方法，其特征在于，在步骤3中，所述根据贝氏体转变过程中的碳扩散行为，是通过XRD检测结果拟合出钢在240℃下等温0-28h不同时间时，残余奥氏体的晶格常数的变化趋势，并分别利用Dyson-Holmes方程及Ms点与化学成分的已知关系计算拟合出贝氏体转变过程中残余奥氏体中的含碳量及Ms点温度的变化趋势。
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