CN114289523B - 一种细化碳钢奥氏体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种细化碳钢奥氏体的方法，涉及钢铁冶炼技术领域。本发明通过对碳钢在铁素体高温区进行多道次快速变形，诱发铁素体晶粒内部发生畸变能，从而促进奥氏体相变。本发明采用的是动态相变细化奥氏体晶粒，生成的奥氏体晶粒温度较低，在其生成铁素体后铁素体晶粒可以保持细小的尺寸。从而避免了现有形变诱发相变细化铁素体技术在后期铁素体晶粒长大，削弱细化效果的问题，因此具有更加强大的细化铁素体的能力。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼技术领域，尤其涉及一种细化碳钢奥氏体的方法。
背景技术
作为主要结构材料的钢铁，其晶粒细化可以在不添加合金元素的情况下，有效提升材料强度，并且改善冲击韧性。这样就可以避免添加合金元素，从而降低生产成本，提升效益；简化冶炼工序，促进钢铁行业绿色发展；具有重大经济和社会效益。
通常细化晶粒的主要方法可以分为两类：
其中一种为大变形法，其主要包括：等通道压缩、叠轧、多向锻造等；另一种为机械热处理法(TMCP,Thermo-Mechanical Control Processing)，其主要包括：再结晶变形、未在结晶区变形、形变诱发相变等。
针对上述两类方法而言，机械热处理法工程应用性更强，但其细晶能力较差。其主要是由于在奥氏体相变温度较高，而作为相变产物的铁素体晶粒在高温区域长大速率较快，从而削弱了铁素体晶粒细化效果。因此，在工业生产中通常可以获得平均直径约为1.2μm的铁素体晶粒。大变形法具有更强的晶粒细化能力，但是其难以应用于现有生产条件；因此其各有优缺点。
在钢材的轧制过程中，细化晶粒的方法主要是通过调控加热工艺，改善轧制工艺，加快冷却速度三者相匹配来实现。
专利201310288653.X通过采用两阶段轧制(再结晶温度区间轧制和未再结晶温度区间轧制)实现奥氏体晶粒细化，这是目前钢铁企业普遍采用的细化奥氏体晶粒的方法。但是其获得的奥氏体晶粒尺寸取决与成分和未再结晶区变形量。一般而言，合金元素越多，未再结晶区变形量越大，获得的奥氏体晶粒越细小。但是在实际生产过程中，是无法保证精轧阶段完全处在在未再结晶区温度区间。
在轧后快冷方面，以东北大学提出的超快冷理念为代表(王国栋.新一代TMCP技术的开发.轧钢.2012,29(1):1-8)，其原理是采用快速冷却的方式确保变形奥氏体中保存足够的畸变能，以促进后续相变过程的铁素体形核，进而细化铁素体晶粒。
综上所述，无论是调控加热工艺还是采用两阶段轧制亦或是采用轧后快冷，其目的是增加形变中奥氏体晶界面积(即细化奥氏体晶粒)或提升形变奥氏体中的畸变能。进而促进在后续变形过程中细化铁素体。
但是在快速塑性变形过程中(如高速速线材精轧阶段)，由于精变形速度较快，由于塑性功转化热来不及释放，导致工件温度升高，降低轧件中的畸变能，有可能导致奥氏体晶粒长大。这对后续相变过程细化铁素体晶粒是非常不利的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种利用塑性功转化热细化奥氏体晶粒的方法，解决快速过程中，工件温升导致奥氏体晶粒难以细化的难题。
本发明的目的是提供一种细化碳钢奥氏体的方法，包括以下步骤：
将工件加热至660-680℃，保温5～7min，然后进行6道次快速变形，道次间隙时间0.1-0.4s。
进一步的，所述工件为45#钢碳钢工件，所述45#钢碳钢工件中具体元素组成为C0.45wt％，Si 0.23wt％，Mn 0.78wt％，P 0.012wt％，S 0.012wt％，余量为Fe。
进一步的，所述6道次快速变形的变形速率为15～25s-1。
进一步的，第一道次变形速率为15s-1，变形量为18％。
进一步的，第二道次变形速率为17s-1，变形量为20％。
进一步的，第三道次变形速率为19s-1，变形量为22％。
进一步的，第四道次变形速率为21s-1，变形量为23％。
进一步的，第五道次变形速率为23s-1，变形量为20％。
进一步的，第六道次变形速率为25s-1，变形量为10％。
进一步的，所述工件细化后的奥氏体晶粒平均直径为3～4μm。
本发明通过对45#钢在铁素体高温区进行多道次快速变形，诱发铁素体晶粒内部发生畸变能，同时内部的渗碳体片层破碎、球化。通过道次变形量与道次间隙时间的合理匹配，进而在道次间隙时间内铁素体晶粒内部的位错发生轻微回复，释放部分畸变能，促使工件温度升高，从而使温度进入两相区。由变形过程中渗碳片层破碎而形成的渗碳体粒子充当了奥氏体形核质点，促进奥氏体形核。在铁素体向奥氏体相变过程中发生体积收缩，而在变形过程中，工件受压应力，因此，变形过程中施加的压应力会降低铁素体向奥氏体转变的相变势垒，从而促进奥氏体相变。
本发明适用于棒线材轧制过程，通过降低轧件进精轧温度，使之基体组织为铁素体+珠光体。通过变形在铁素体中引入大量位错；同时渗碳体片层破碎。在道次间隙时间内，铁素体内位错发生部分回复释放热量，促使温度升高。通过塑性功导致的温升与轧制过程的压应力，实现铁素体向奥氏体转变，获得细小奥氏体晶粒。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
由于本发明采用的是动态相变细化奥氏体晶粒，生成的奥氏体晶粒温度较低，在其生成铁素体后铁素体晶粒可以保持细小的尺寸。从而避免了现有形变诱发相变细化铁素体技术在后期铁素体晶粒长大，削弱细化效果的问题，因此具有更加强大的细化铁素体的能力。且本发明可以得到奥氏体晶粒平均直径为3～4μm，成分中并未含有Nb，Ti等合金元素，成本较低。
附图说明
图1为实施例1中变形后的奥氏体晶粒图；
图2为实施例2中变形后的奥氏体晶粒图；
图3为实施例3中变形后的奥氏体晶粒图；
图4为对比例1中变形后碳钢工件的显微镜图；
图5为对比例2中变形后碳钢工件的显微镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种利用塑性功转化热细化奥氏体晶粒的方法，步骤如下：
将45#碳钢工件在热模拟试验机上，以10℃/s的加热速度加热到660℃，保温5min，然后进行6道次快速压缩变形，道次间隙时间为0.1s；
其中，第一道次变形速率为15s-1，变形量为18％；
第二道次变形速率为17s-1，变形量为20％；
第三道次变形速率为19s-1，变形量为22％；
第四道次变形速率为21s-1，变形量为23％；
第五道次变形速率为23s-1，变形量为20％；
第六道次变形速率为25s-1，变形量为10％；
即完成晶粒细化的变形工艺，变形后的奥氏体晶粒图如图1，变形后的奥氏体的平均直径为3.2μm。
实施例2
一种利用塑性功转化热细化奥氏体晶粒的方法，步骤如下：
将45#钢工件在热模拟试验机上，以10℃/s的加热速度加热到670℃，保温5min，然后进行6道次快速压缩变形，道次间隙时间为0.2s；
其中，第一道次变形速率为15s-1，变形量为18％；
第二道次变形速率为17s-1，变形量为20％；
第三道次变形速率为19s-1，变形量为22％；
第四道次变形速率为21s-1，变形量为23％；
第五道次变形速率为23s-1，变形量为20％；
第六道次变形速率为25s-1，变形量为10％；
即完成晶粒细化的变形工艺，变形后的奥氏体晶粒图如图2，变形后的奥氏体的平均直径为3.4μm。
实施例3
一种利用塑性功转化热细化奥氏体晶粒的方法，步骤如下：
将45#钢工件在热模拟试验机上，以10℃/s的加热速度加热到680℃，保温5min，然后进行6道次快速压缩变形，道次间隙时间为0.4s；
其中，第一道次变形速率为15s-1，变形量为18％；
第二道次变形速率为17s-1，变形量为20％；
第三道次变形速率为19s-1，变形量为22％；
第四道次变形速率为21s-1，变形量为23％；
第五道次变形速率为23s-1，变形量为20％；
第六道次变形速率为25s-1，变形量为10％；
即完成晶粒细化的变形工艺，变形后的奥氏体晶粒图如图3，变形后的奥氏体的平均直径为3.8μm。
对比例1
一种利用塑性功转化热细化奥氏体晶粒的方法，步骤如下：
将45#钢工件在热模拟试验机上，以10℃/s的加热速度加热到680℃，保温5min，然后进行6道次快速压缩变形，道次间隙时间为0.5s；
其中，第一道次变形速率为15s-1，变形量为18％；
第二道次变形速率为15s-1，变形量为20％；
第三道次变形速率为15s-1，变形量为22％；
第四道次变形速率为15s-1，变形量为23％；
第五道次变形速率为15s-1，变形量为20％；
第六道次变形速率为15s-1，变形量为10％；
没有奥氏体逆相变发生，如图4所示。
对比例2
一种利用塑性功转化热细化奥氏体晶粒的方法，步骤如下：
将45#钢工件在热模拟试验机上，以10℃/s的加热速度加热到660℃，保温5min，然后进行6道次快速压缩变形，道次间隙时间为0.8s；
其中，第一道次变形速率为15s-1，变形量为18％；
第二道次变形速率为15s-1，变形量为20％；
第三道次变形速率为15s-1，变形量为22％；
第四道次变形速率为15s-1，变形量为23％；
第五道次变形速率为15s-1，变形量为20％；
第六道次变形速率为15s-1，变形量为10％；
没有奥氏体逆相变发生，如图5所示。
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 (1)
1.一种细化碳钢奥氏体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
以10℃/s的加热速度将钢工件加热至660-680℃，保温5~7min，然后进行6道次快速变形，道次间隙时间0.1-0.4s；
所述钢工件为45#碳钢工件；
第一道次变形速率为15 s-1，变形量为18%；
第二道次变形速率为17 s-1，变形量为20%；
第三道次变形速率为19s-1，变形量为22%；
第四道次变形速率为21s-1，变形量为23%；
第五道次变形速率为23s-1，变形量为20%；
第六道次变形速率为25s-1，变形量为10%；
所述钢工件细化后的奥氏体晶粒平均直径为3~4μm。
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