CN113930591A - 一种20Cr2Ni4A钢循环淬火细晶工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种20Cr2Ni4A钢循环淬火细晶工艺，包括加热、循环淬火、回火及冷却步骤，循环淬火步骤为：将保温结束的20Cr2Ni4A钢快速冷却到‑50℃～250℃，然后快速加热到850℃～950℃，再快速冷却到‑50℃～250℃，重复上述操作3～5次。本发明通过循环淬火工艺能极大地细化20Cr2Ni4A钢平均晶粒尺寸，得到疲劳寿命长、综合力学性能良好的20Cr2Ni4A钢。

Description

一种20Cr2Ni4A钢循环淬火细晶工艺
技术领域
本发明涉及金属材料热处理技术领域，具体涉及一种20Cr2Ni4A钢循环淬火细晶工艺。
背景技术
20Cr2Ni4A钢具有强度高、韧性和淬透性好、表面硬化耐磨性高、渗碳淬火后韧性好等特点，广泛应用于大型机械设备重载齿轮的设计制造中。然而现有的制备工艺获得齿轮钢晶粒尺寸较大，这限制了进一步提高其疲劳寿命和力学性能。
晶粒细化是一种能够极大改善20Cr2Ni4A钢综合力学性能的方法。然而，目前常用的材料组织细化方法主要为剧烈塑性变形技术，如等通道转角挤压、累积叠轧、多向锻造和高压扭转等，该技术对20Cr2Ni4A钢具有如下局限：(1)设备要求高；(2)工艺复杂；(3)大规模生产应用困难；(4)供货态目标实现困难。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种20Cr2Ni4A钢循环淬火细晶工艺。
本发明采用的技术方案是：
一种20Cr2Ni4A钢循环淬火细晶工艺，包括如下步骤：
(1)加热：将20Cr2Ni4A钢从室温加热至850℃～1050℃，并在该温度区间内保温一定时间；
(2)循环淬火：将保温结束的20Cr2Ni4A钢快速冷却到-50℃～250℃，然后快速加热到850℃～950℃，再快速冷却到-50℃～250℃，重复上述操作3～5次；
(3)回火：将完成循环淬火的20Cr2Ni4A钢在240℃～600℃温度区间回火30min～60min；
(4)冷却：将回火结束的20Cr2Ni4A钢冷却到室温。
优选20Cr2Ni4A钢的厚度h为0.5～20mm。
作为优选地，在步骤(1)中，20Cr2Ni4A钢的保温时间(t,min)与试样厚度(h,mm)满足关系式1：t＝(5～6)h。
作为优选地，在步骤(2)中，保温结束的20Cr2Ni4A钢快速冷却到-50℃～250℃的冷却速率在50℃/s以上，快速加热到850℃～950℃的加热速率在50℃/s以上，再快速冷却到-50℃～250℃的冷却速率在50℃/s以上。
作为优选地，在步骤(2)中，20Cr2Ni4A钢快速加热到850℃～950℃，保温一定时间后再快速冷却到-50℃～250℃。
作为优选地，在步骤(2)中保温时间(t,min)与试样厚度(h,mm)满足关系式2：t＝(0.5～1)h。
本发明的有益效果：
1、通过优化循环热处理工艺，使20Cr2Ni4A钢在热处理过程中进行循环再结晶，破坏新相与母相的映射关系，细化马氏体板条，使奥氏体在新生成的板条马氏体界面形核，进而不断细化奥氏体晶粒尺寸，最终使20Cr2Ni4A钢的晶粒尺寸不断细化，得到综合力学性能良好的20Cr2Ni4A钢。
2、本发明细晶工艺简单，免去很多设备依赖，能够大规模工业化应用。
3、本发明充分考虑了不同厚度的20Cr2Ni4A钢在加热过程中完全奥氏体化及避免奥氏体晶粒长大的因素，及后续冷却过程中完全马氏体相变的因素，提出了循环淬火细晶工艺关键的工艺参数，保温时间与试样厚度的映射关系，从而进一步提高20Cr2Ni4A钢的综合力学性能。
附图说明
图1是本发明实施例1的20Cr2Ni4A钢试样循环淬火前的金相形貌图。
图2是本发明实施例1的20Cr2Ni4A钢试样经3道次循环淬火后的金相形貌图。
图3是本发明实施例1的20Cr2Ni4A钢试样经5道次循环淬火后的金相形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种10mm厚20Cr2Ni4A钢的循环淬火细晶工艺，其循环淬火步骤包括：
(1)加热：在马弗炉中将常温20Cr2Ni4A钢试样加热至850℃，保温60min。
(2)循环淬火：将高温状态的的20Cr2Ni4A钢试样以50℃/s速率冷却到-50℃，然后在马弗炉以50℃/s速率加热到850℃，保温5min，再以50℃/s速率冷却到-50℃，重复上述操作3次、4次、5次。
(3)回火：将循环淬火结束的20Cr2Ni4A钢试样在300℃～360℃温度区间回火30min。
(4)冷却：将回火结束的20Cr2Ni4A钢试样冷却到室温。
借助线切割制备10mm×10mm的热处理试样，用不同型号的砂纸将样品逐级研磨至2000#，随后进行抛光和腐蚀；借助于光学金相显微镜对对20Cr2Ni4A钢经850℃/60min、850/60min+3道次循环淬火、850/60min+5道次循环淬火的试样进行微观表征，表征结果如图1、2、3所示。
结果表明：
(1)20Cr2Ni4A钢经850℃/60min后平均晶粒尺寸约为10μm，经850/60min+3道次循环淬火后平均晶粒尺寸约为5μm，经850/60min+4道次循环淬火后平均晶粒尺寸约为4.3μm，经850/60min+5道次循环淬火后平均晶粒尺寸约为4μm；
(2)循环淬火工艺能极大地细化20Cr2Ni4A钢平均晶粒尺寸。
实施例2
一种1mm厚20Cr2Ni4A钢的循环淬火细晶工艺，其循环淬火步骤包括：
(1)加热：在真空感应炉中将20Cr2Ni4A钢试样加热至1050℃，保温5min。
(2)循环淬火：将高温状态的20Cr2Ni4A钢试样以60℃/s速度冷却到-50℃，然后以50℃/s速度加热到950℃，保温2min，再以60℃/s速度冷却到-50℃，分别重复上述操作3次、4次和5次。
(3)回火：将循环淬火结束的20Cr2Ni4A钢试样在240℃～300℃温度区间回火1h。
(4)冷却：将回火结束的20Cr2Ni4A钢试样冷却到室温。
借助线切割制备10mm×10mm的热处理试样，用不同型号的砂纸将样品逐级研磨至2000#，随后进行抛光和腐蚀；借助于光学金相显微镜对对20Cr2Ni4A钢经1050℃/5min、1050/5min+3道次循环淬火、1050/5min+5道次循环淬火的试样进行微观表征，表征结果如表1所示。
表1
工艺参数 平均晶粒尺寸
1050℃/5min 11.5μm
1050/5min+3道次循环淬火 6.7μm
1050/5min+5道次循环淬火 4.1μm
实施例3
一种20mm厚20Cr2Ni4A钢循环淬火细晶工艺，其循环淬火步骤包括：
(1)加热：在马弗炉中将20Cr2Ni4A钢试样加热至850℃，保温2h。
(2)循环淬火：将高温状态的20Cr2Ni4A钢试样以50℃/s速率冷却到50℃，然后在感应炉中以60℃/s速率加热到900℃，保温6min，再以50℃/s速率冷却到50℃，分别重复上述操作3次、4次和5次。
(3)回火：将循环淬火结束的20Cr2Ni4A钢试样在540℃～600℃温度区间回火30min。
(4)冷却：将回火结束的20Cr2Ni4A钢试样冷却到室温。
借助线切割制备10mm×10mm的热处理试样，用不同型号的砂纸将样品逐级研磨至2000#，随后进行抛光和腐蚀；借助于光学金相显微镜对对20Cr2Ni4A钢经850℃/2h、850℃/2h+3道次循环淬火、850℃/2h+5道次循环淬火的试样进行微观表征，表征结果分别如表2所示。
表2
工艺参数 平均晶粒尺寸
850℃/2h 13μm
850℃/2h+3道次循环淬火 7.8μm
850℃/2h+5道次循环淬火 4.6μm
实施案例4
一种10mm厚20Cr2Ni4A钢的循环淬火细晶工艺，其循环淬火步骤包括：
(1)加热：在马弗炉中将20Cr2Ni4A钢加热至1050℃，保温1h。
(2)循环淬火：将高温状态的20Cr2Ni4A钢以70℃/s速率冷却到250℃，然后以80℃/s速率加热到950℃，保温6min，再以70℃/s速率冷却到250℃，重复上述操作3次和5次。
(3)将循环淬火结束的20Cr2Ni4A钢试样在400～450℃温度区间回火30min。
(4)冷却：将回火结束的20Cr2Ni4A钢试样冷却到室温。
借助线切割制备10mm×10mm的热处理试样，用不同型号的砂纸将样品逐级研磨至2000#，随后进行抛光和腐蚀；借助于光学金相显微镜对对20Cr2Ni4A钢经1050℃/1h、1050℃/1h+3道次循环淬火、1050℃/1h+5道次循环淬火的试样进行微观表征，表征结果如表3所示。
表3
工艺参数 平均晶粒尺寸
1050℃/1h 13.1μm
1050℃/1h+3道次循环淬火 8.6μm
1050℃/1h+5道次循环淬火 6.2μm
从图1～图3，表1～表3可以看出，循环淬火工艺能极大地细化20Cr2Ni4A钢平均晶粒尺寸。
采用ASTM-E8-E8M和GB/T 3075-2008标准检测实施例1～实施例3所得细晶化20Cr2Ni4A钢试样的疲劳寿命和力学性能如下表4：
表4
Figure BDA0003306449670000041
Figure BDA0003306449670000051
从表4可以看出，本发明可以而得到疲劳寿命长、综合力学性能良好的20Cr2Ni4A钢。
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，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种20Cr2Ni4A钢循环淬火细晶工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)加热：将20Cr2Ni4A钢从室温加热至850℃～1050℃，并在该温度区间内保温一定时间；
(2)循环淬火：将保温结束的20Cr2Ni4A钢快速冷却到-50℃～250℃，然后快速加热到850℃～950℃，再快速冷却到-50℃～250℃，重复上述操作3～5次；
(3)回火：将完成循环淬火的20Cr2Ni4A钢在240℃～600℃温度区间回火30min～60min；
(4)冷却：将回火结束的20Cr2Ni4A钢冷却到室温。
2.根据权利1所述的一种20Cr2Ni4A钢循环淬火细晶工艺，其特征在于，20Cr2Ni4A钢的厚度h为0.5～20mm。
3.根据权利1或2所述的一种20Cr2Ni4A钢循环淬火细晶工艺，其特征在于，在步骤(1)中，20Cr2Ni4A钢的保温时间(t,min)与试样厚度(h,mm)满足关系式1：t＝(5～6)h。
4.根据权利1或2所述的一种20Cr2Ni4A钢循环淬火细晶工艺，其特征在于，在步骤(2)中，保温结束的20Cr2Ni4A钢快速冷却到-50℃～250℃的冷却速率在50℃/s以上，快速加热到850℃～950℃的加热速率在50℃/s以上，再快速冷却到-50℃～250℃的冷却速率在50℃/s以上。
5.根据权利1或2所述的一种20Cr2Ni4A钢循环淬火细晶工艺，其特征在于，在步骤(2)中，20Cr2Ni4A钢快速加热到850℃～950℃，保温一定时间后再快速冷却到-50℃～250℃。
6.根据权利5所述的一种20Cr2Ni4A钢循环淬火细晶工艺，其特征在于，在步骤(2)中的保温时间(t,min)与试样厚度(h,mm)满足关系式2：t＝(0.5～1)h。
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GR01 Patent grant
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