CN114850436B - 一种高碳高合金钢的碳化物细化方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种高碳高合金钢的碳化物细化方法,涉及合金钢制造方法领域。高碳高合金钢的碳化物细化方法包括以下步骤:按照高碳高合金钢的化学元素组成配制原料,并熔炼得到高碳高合金钢液;将高碳高合金钢液进行过热处理至Tm+(50~100)℃,得到高碳高合金熔体,通过惰性气体使高碳高合金熔体以速度30~160g/s沉积在预置的水冷铜模中,凝固成型得到高碳高合金铸锭;将高碳高合金铸锭进行热处理工艺。本申请实施例的高碳高合金钢的碳化物细化方法能够获得组织致密,碳化物细小的高碳高合金钢。
Description
技术领域
本申请涉及合金钢制造方法领域,具体而言,涉及一种高碳高合金钢的碳化物细化方法。
背景技术
目前,高碳高合金钢由于其含碳量和合金元素含量高,容易形成粗大的共晶碳化物,偏析严重,导致组织不均匀,严重制约高碳高合金钢的力学性能和耐磨性。高碳高合金钢的制造方法主要有以下几种,分别为:传统铸造法、电渣重熔法、喷射成形法、粉末冶金法。上述制造方法中广泛应用于大批量工业生产的是传统铸造法和电渣重熔法,无法有效解决组织中碳化物粗大的问题,偏析严重。喷射成形是一种快速凝固技术,其利用精炼的液态金属,经雾化成液滴射流,使半凝固的液滴颗粒在基底上沉积,快速凝固形成铸件。虽然喷射成形的方法可以实现金属材料的组织细化、成分均匀,消除宏观偏析,但是该方法对组织的细化程度较低,容易造成喷射液滴的过喷,收得率低,形成的金属材料的组织疏松,存在固有的孔隙。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种高碳高合金钢的碳化物细化方法,能够获得组织致密,碳化物细小的高碳高合金钢。
第一方面,本申请实施例提供了一种高碳高合金钢的碳化物细化方法,其包括以下步骤:
按照高碳高合金钢的化学元素组成配制原料,并熔炼得到高碳高合金钢液;
将高碳高合金钢液进行过热处理至Tm+(50~100)℃,得到高碳高合金熔体,通过惰性气体使高碳高合金熔体以速度30~160g/s沉积在预置的水冷铜模中,凝固成型得到高碳高合金铸锭;
将高碳高合金铸锭进行热处理工艺。
在上述技术方案中,将合金钢液进行过热处理,待合金熔体达到预定温度,在惰性气体的促使下熔体以一定的速度沉积在水冷铜模中,成型并凝固,形成碳化物细小的高碳高合金铸锭,随后的热处理制度进一步改变高碳高合金钢的显微组织和分布,提高其服役寿命。
其中,过热度不易过高,否则导致凝固组织晶粒粗大;过热度不易过低,否则流动性差,不易实现快速冲击,容易堵塞喷嘴。
其中,将熔体按照一定速度冲击成型,冲击作用能够破碎晶粒,破碎初生碳化物,不仅能够细化晶粒和碳化物,大大减少孔隙的产生,而且熔体的利用率高,不存在熔体的浪费,熔体冲击法与现有的喷射成形法最大的区别在于形成的铸锭微观组织致密且均匀,碳化物细小;在后续热处理过程中,晶粒在位错、破碎的初生碳化物基础上发生再结晶,实现晶粒细小、碳化物细小和均匀分布,进而能够提高高碳高合金钢强度、韧性和耐磨性能,提高服役寿命。
在一种可能的实现方式中,高碳高合金钢的化学元素组成按重量百分数计包括:C:1.5~2.5%,W:2.5~10%,Mo:3~7%,Cr:4~6%,V:2~10%,Si:0.3~0.6%,Mn:0.3~0.8%,Fe余量。
在上述技术方案中,碳含量控制为1.5~2.5%,一部分进入基体引起固溶强化,保证了基体的强度和硬度;另一部分与合金元素结合形成各种类型的合金碳化物。如果碳含量不足时,会导致二次硬化能力不足,基体的强度和硬度下降,同时一次碳化物数量也相对减少,使钢的耐磨性和使用寿命降低;反之,如果碳含量过高,则形成大量合金碳化物,并且使碳化物的不均匀性显著增加,最终大幅降低钢的塑韧性及可锻造性。
钨含量控制为2.5~10%,形成一定数量的难溶一次碳化物,提离钢的耐磨性,还可以在淬火时阻碍晶粒长大,从而细化晶粒;钨含量过高时,增大密度,凝固时易析出粗大的鱼骨状M6C共晶碳化物,对塑性不利。
钼含量控制为3~7%,既可固溶于基体产生固溶强化,也可与碳形成M2C、M6C碳化物,其与钨在高碳高合金钢中的作用相似。
铬含量控制为4~6%,Cr是提高淬透性最有利的元素之一,其与W、Mo和V等元素配合时,可降低二次碳化物析出相与基体间的错配度,使形核激活能降低,促进大量二次碳化物密集弥散析出,因而对二次硬化有重要的贡献。如果铬含量过低,则严重影响高碳高合金钢的淬透性,尤其对高碳高合金钢而言,淬透性极为重要,只有适当的铬含量才能保证高碳高合金钢淬透性充分;而过高的铬含量很容易促使高合金钢的回火脆性,对塑性不利。
钒含量控制为2~10%,一部分固溶于基体中,另一部分与C形成一次MC碳化物,溶解于基体的钒能显著增强钢的二次硬化效果,未溶的VC碳化物则阻止淬火加热时晶粒的长大,同时能显著提高钢的耐磨性。钒含量过低,对高碳高合金钢的硬度和耐磨性不利,钒含量过高,则形成大量MC碳化物,而MC碳化物硬度极高,脆性大,不利于钢的塑韧性。
锰含量控制为0.3~0.8%,锰在低含量范围内,具有良好的脱氧和脱硫效果,对高合金钢的强度,耐磨性有贡献,提高淬透性。锰能消除或减弱钢因硫所引起的热脆性,从而改善高合金钢的热加工性能。锰含量增加会导致残余奥氏体含量增加,降低高碳高合金钢的热稳定性和硬度。
硅含量控制为0.3~0.6%,硅能够强化基体,提高强度、硬度和高合金钢的淬透性,抑制M3C形成,且能细化M3C,促进M2C向MC和M7C3等转变;硅含量过高则容易促进初生粗大的MC形成,增加高合金钢脱碳倾向,降低高合金钢回火稳定性。
在一种可能的实现方式中,热处理工艺包括顺次进行的高温固溶、低温中断淬火和回火处理,高温固溶是于900~1050℃保温15~60分钟;低温中断淬火是于700~860℃保温1~2小时;回火处理是于520~580℃保温3~4小时。
在上述技术方案中,将铸锭进行热处理工艺,是细化碳化物的进一步操作和延续,将铸锭细小碳化物的显微组织遗传至热处理后的最终状态。首先对高碳高合金铸锭进行高温固溶处理,旨在使细小碳化物充分溶解在基体中,同时消除个别粗大残留碳化物,使其溶解;因该铸锭碳化物细小,采用高温固溶可减少保温时间,节约能源。中断淬火的目的在于细化基体晶粒,并使碳化物球化,因高温固溶后碳化物已经充分溶解,随后的中断淬火温度可以降低,不需要高的奥氏体化温度,低的中断淬火温度避免碳化物的聚集和长大。回火处理旨在调整高碳高合金钢的硬度和强韧性,同时释放残余应力。
在一种可能的实现方式中,在完成高温固溶之后,油淬至室温,再进行低温中断淬火;
和/或,在完成低温中断淬火之后,水淬至马氏体转变点,油淬至室温,再进行回火处理。
在上述技术方案中,在高温固溶达到预设的保温时间后,出炉油淬至室温。在完成低温中断淬火之后,快速水淬至M点(马氏体转变点),旨在维持碳化物的细小尺寸,避免冷却速度缓慢使其充分长大;同时快冷改善位错分布,增强基体的强度;M点之后油淬,旨在避免至室温后出现淬火变形、开裂等。
在一种可能的实现方式中,过热处理的方法包括:将高碳高合金钢液所处的腔室抽真空至100~400Pa,随后充入惰性气体保护,再对高碳高合金钢液进行加热得到高碳高合金熔体。
在一种可能的实现方式中,采用线圈加热的方法进行过热处理。
在一种可能的实现方式中,熔体沉积的方法包括:充入惰性气体保护,待高碳高合金钢液加热得到高碳高合金熔体后,继续充入惰性气体促使高碳高合金熔体喷射至外界腔室。
在上述技术方案中,对腔室进行抽真空,随后充入惰性气氛保护,待熔体达到过热温度,惰性气流充入熔体中,使其与外界腔室存在一定的压强差,促使熔体快速喷射,喷射主要通过气流方式控制,易于实现和操作。
在一种可能的实现方式中,高碳高合金熔体在压强差作用下进行沉积,压强差为0.05~0.25MPa。
在上述技术方案中,压差过大,容易造成熔体飞溅;低于此压差范围,无法形成有效的冲击力,无法有效细化粗大的共晶组织。
在一种可能的实现方式中,高碳高合金熔体所处腔室的喷嘴出口与水冷铜模之间的距离为11~20cm;
和/或,水冷铜模的出水口温度为30~45℃。
在上述技术方案中,喷射距离过小容易造成合金钢液飞溅;喷射距离过大,无法保持有效的冲击力。
在一种可能的实现方式中,喷嘴的出口形状为圆孔型或狭缝型,所有喷嘴以阵列方式排布。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本申请的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1获得的铸锭的显微组织图;
图2为实施例2获得的铸锭的显微组织图;
图3为对比例1获得的铸锭的显微组织图;
图4为实施例1获得的高碳高合金钢的显微组织图。
具体实施方式
申请人发现,由于高碳高合金钢具有高的碳含量和合金元素,容易形成粗大的共晶碳化物,偏析严重。目前的高碳高合金钢的铸态(成型获得的铸件)显微组织极不均匀,主要由马氏体、残余奥氏体和各种碳化物组成,各种碳化物(如MC、M2C、M6C最常见)分布不均匀,形态各异,尤其是粗大的网状共晶碳化物分布在晶界,割裂基体,恶化服役性能。对高碳高合金钢铸件而言,细化碳化物和使其均匀分布,对后续的热机械变形和力学性能提高尤为关键。因为铸件粗大的网状共晶碳化物通过后续的锻造轧制等工艺破碎,对力学性能影响严重;即使是采用锻造和轧制工艺,也很难使碳化物细化均匀与弥散分布,同时增加成本。
此外,高碳高合金钢产品大多数以铸件为主,即后续不再进行热机械变形,只有热处理,热处理对粗大碳化物的分布和形貌根本无法改变,比如现有喷射成形技术制备的铸锭存在固有孔隙,对铸造合金钢而言,由于后续不含有锻造工艺,因此热处理后的铸锭孔隙依然存在,寿命大大缩减。因此,细化粗大的共晶碳化物,使高碳高合金钢铸件具有初始细小碳化物的显微组织对力学性能的改善是极其重要的。
本申请利用液流的快速冲击,自搅拌熔池液固界面,高速冲击力破碎枝晶,增加形核质点,为细化晶粒创造条件,再结合特定的热处理工艺,对细化高碳高合金钢铸锭的初生碳化物效果显著。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请实施例的高碳高合金钢的碳化物细化方法进行具体说明。
本申请实施例提供了一种高碳高合金钢的碳化物细化方法,主要包括熔体冲击法制备高碳高合金铸锭和热处理工艺,其包括以下步骤:
(1)熔体冲击法制备高碳高合金铸锭
S1、按照高碳高合金钢的化学元素组成,按重量百分数计包括:C:1.5~2.5%,W:2.5~10%,Mo:3~7%,Cr:4~6%,V:2~10%,Si:0.3~0.6%,Mn:0.3~0.8%,Fe余量,配制原料,并熔炼得到高碳高合金钢液。
S2、将高碳高合金钢液所处的腔室抽真空至100~400Pa,随后充入惰性气体保护,使得整个腔室处于惰性气氛保护状态,再采用线圈加热的方法对高碳高合金钢液进行加热,过热处理至高于熔点温度50~100℃范围内,即Tm+(50~100)℃,得到高碳高合金熔体;继续充入惰性气体使高碳高合金钢液所处的腔室和外界腔室之间形成压强差0.05~0.25MPa,促使高碳高合金熔体在压强差作用下,以速度30~160g/s喷射至外界腔室,并沉积在预置的水冷铜模中,高碳高合金熔体所处腔室的喷嘴出口与水冷铜模之间的距离为11~20cm,水冷铜模的出水口温度为30~45℃,凝固成型得到高碳高合金铸锭。
本申请实施例是原料置于坩埚中,采用中频感应炉对原料进行熔炼得到高碳高合金钢液,而且中频感应炉的腔室处于封闭状态,线圈加热成钢液,再过热成熔体。坩埚底部含有石墨喷嘴,喷嘴的出口形状为圆孔型或狭缝型,所有喷嘴以阵列方式排布,在压强差的促使下熔体通过喷嘴以一定的速度沉积在水冷铜模中,成型并凝固,得到碳化物细小的高碳合金铸锭。
(2)热处理工艺
S3、将高碳高合金铸锭进行高温固溶,于900~1050℃保温15~60分钟,油淬至室温。
S4、将经过步骤S3的铸锭进行低温中断淬火,于700~860℃保温1~2小时,水淬至马氏体转变点(M点),再油淬至室温。
S5、将经过步骤S4的铸锭回火处理,于520~580℃保温3~4小时,得到高碳高合金钢。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种高碳高合金钢,其制备过程如下:
S1、按照高碳高合金钢的化学元素组成:C:2.5%,W:4.1%,Mo:2.9%,Cr:5.0%,V:8.2%,Si:0.5%,Mn:0.3%,Fe余量,配制原料至于坩埚中,并采用中频感应炉于熔点温度1398℃熔炼,得到高碳高合金钢液。
S2、将中频感应炉的腔室抽真空至200Pa,随后充入惰性气体保护,使得整个腔室处于惰性气氛保护状态,再对高碳高合金钢液进行加热,过热至1450℃,即Tm+52℃,得到高碳高合金熔体;继续充入惰性气体使腔室和外界腔室之间形成压强差0.15MPa,促使坩埚中的高碳高合金熔体在压强差作用下,以速度100g/s通过坩埚底部的喷嘴喷射至外界腔室,并沉积在预置的水冷铜模中,喷嘴出口与水冷铜模之间的距离为15cm,水冷铜模的出水口温度为40℃,凝固成型得到高碳高合金铸锭。
S3、将高碳高合金铸锭进行高温固溶,于1000℃保温30分钟,油淬至室温。
S4、将经过步骤S3的铸锭进行低温中断淬火,于800℃保温1.5小时,水淬至马氏体转变点(M点),再油淬至室温。
S5、将经过步骤S4的铸锭回火处理,于550℃保温3.5小时,得到高碳高合金钢。
实施例2
本实施例提供一种高碳高合金钢,其制备过程与实施例1的不同之处在于:压强差控制为0.25MPa。
实施例3
本实施例提供一种高碳高合金钢,其制备过程与实施例1的不同之处在于:喷射速度为50g/s。
对比例1
本对比例提供一种高碳高合金钢,其制备过程与实施例1的不同之处在于:将高碳高合金钢液加热至1450℃,按照传统模铸方法浇注得到铸锭,随后冷却至室温。
对比例2
本对比例提供一种高碳高合金钢,其制备过程与实施例1的不同之处在于:将高碳高合金钢液加热至1450℃,按照传统模铸方法浇注得到铸锭,然后采用与实施例1相同的方式进行热处理工艺。
对比例3
本对比例提供一种高碳高合金钢,其制备过程与实施例1的不同之处在于:将高碳高合金铸锭升温至800℃保温4h,随炉自然冷却。
对比例4
本对比例提供一种高碳高合金钢,其制备过程与实施例1的不同之处在于:未进行过热处理,而是将熔炼得到的钢液进行喷射,但是由于合金熔体黏度大,无法顺利从喷嘴喷出,容易堵塞喷嘴。
图1为实施例1的铸锭显微组织图,图2为实施例2的铸锭显微组织图,图3为对比例1的铸锭显微组织形貌。注:图1-图3均为未进行热处理的原始显微组织。
分析发现显微组织中碳化物表现出两种类型,灰色碳化物为MC型碳化物,白色碳化物为M2C碳化物,图1和图2的铸锭由于按照特定的熔体冲击法形成,其中灰色碳化物呈现弥散均匀的颗粒状,非常细小均匀,白色碳化物呈现出条状或杆状;图2的铸锭由于采用了更强的冲击作用,碳化物比图1的铸锭的碳化物更细小。图3的铸锭中灰色碳化物形状各异,花瓣状和粗大的网络状,聚集严重,割裂基体,白色碳化物呈现条状或杆状,且尺寸比图1和图2中的都大。
另外采用Image-Pro Plus对不同铸锭显微组织中的两种碳化物尺寸进行统计分析,如下表所示:
平均尺寸(μm) | MC型碳化物 | <![CDATA[M<sub>2</sub>C碳化物]]> |
实施例1 | 3.4 | 9.6 |
实施例2 | 2.5 | 18.7 |
实施例3 | 4.9 | 28.1 |
对比例1 | 11.6 | 50.5 |
对比例2 | 13.8 | / |
对比例4 | / | / |
图4为实施例1的高碳高合金钢(铸锭经过特定热处理)的显微组织图(光学显微镜图),由图4可以看出,最终状态的显微组织中主要是MC和M6C碳化物。
对比图1和图4,分析显微组织变化的原因是因为:铸锭中的MC型碳化物稳定,在后续的热处理中不变化,M2C碳化物为亚稳相,在后续的热处理中会分解为MC和M6C,铸锭经过热处理后则无法统计M2C碳化物的尺寸,主要为MC和M6C碳化物组成。
对比例3的高碳高合金钢(铸锭未经特定热处理)的显微组织为珠光体和颗粒状碳化物组成,相对于实施例1的合金钢,该合金钢可以认为是一种中间状态(球化退火),旨在降低合金硬度,为后续的淬火-回火做组织上的准备。
综上所述,本申请实施例的高碳高合金钢的碳化物细化方法能够获得组织致密,碳化物细小的高碳高合金钢。
以上所述仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请的保护范围,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高碳高合金钢的碳化物细化方法,其特征在于,其包括以下步骤:
按照高碳高合金钢的化学元素组成配制原料,并熔炼得到高碳高合金钢液,高碳高合金钢的化学元素组成按重量百分数计包括:C:1.5~2.5%,W:2.5~10%,Mo:3~7%,Cr:4~6%,V:2~10%,Si:0.3~0.6%,Mn:0.3~0.8%,Fe余量;
将所述高碳高合金钢液进行过热处理至Tm+(50~100)℃,得到高碳高合金熔体,通过惰性气体使所述高碳高合金熔体以速度30~160g/s沉积在预置的水冷铜模中,凝固成型得到高碳高合金铸锭;
将所述高碳高合金铸锭进行热处理工艺,热处理工艺包括顺次进行的高温固溶、低温中断淬火和回火处理,所述高温固溶是于900~1050℃保温15~60分钟;所述低温中断淬火是于700~860℃保温1~2小时;所述回火处理是于520~580℃保温3~4小时。
2.根据权利要求1所述的高碳高合金钢的碳化物细化方法,其特征在于,在完成高温固溶之后,油淬至室温,再进行低温中断淬火;
和/或,在完成低温中断淬火之后,水淬至马氏体转变点,油淬至室温,再进行回火处理。
3.根据权利要求1所述的高碳高合金钢的碳化物细化方法,其特征在于,过热处理的方法包括:将高碳高合金钢液所处的腔室抽真空至100~400Pa,随后充入惰性气体保护,再对高碳高合金钢液进行加热得到高碳高合金熔体。
4.根据权利要求1或3所述的高碳高合金钢的碳化物细化方法,其特征在于,采用线圈加热的方法进行过热处理。
5.根据权利要求3所述的高碳高合金钢的碳化物细化方法,其特征在于,熔体沉积的方法包括:充入惰性气体保护,待高碳高合金钢液加热得到高碳高合金熔体后,继续充入惰性气体促使高碳高合金熔体喷射至外界腔室。
6.根据权利要求1或5所述的高碳高合金钢的碳化物细化方法,其特征在于,所述高碳高合金熔体在压强差作用下进行沉积,压强差为0.05~0.25MPa。
7.根据权利要求1或5所述的高碳高合金钢的碳化物细化方法,其特征在于,所述高碳高合金熔体所处腔室的喷嘴出口与所述水冷铜模之间的距离为11~20cm;
和/或,所述水冷铜模的出水口温度为30~45℃。
8.根据权利要求7所述的高碳高合金钢的碳化物细化方法,其特征在于,所述喷嘴的出口形状为圆孔型或狭缝型,所有喷嘴以阵列方式排布。
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