CN115852103A - 低碳低合金钢件渗碳复合热处理方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低碳低合金钢件热处理技术领域，具体提供一种低碳低合金钢件渗碳复合热处理方法及其应用。该复合热处理方法利用渗碳和复合淬火工艺，使得钢件表面的显微组织为马氏体、纳米贝氏体复相组织，同时其心部为马氏体和少量富碳残留奥氏体复相组织，钢件表面在形成纳米贝氏体之前形成适量的马氏体，触发纳米贝氏体形核，促进纳米贝氏体长大，进而缩短工艺时间，提高生产效率。通过以上技术获得的钢件具有表面硬度高而心部韧性好的特性，具有这种特点的钢件尤其适用于制备齿轮和轴承等。
Description
技术领域
本发明涉及低碳低合金钢件热处理技术领域，具体提供一种低碳低合金钢件渗碳复合热处理方法及其应用。
背景技术
齿轮、轴承等基础件常运用低碳低合金钢制备，广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车工业等行业，是极其重要的传动部件。随着如汽车向轻量化、高铁向高速重载等方向发展，对齿轮和轴承等传动部件提出了更高的要求。为此，制备“表硬心韧”的齿轮、轴承等基础件一直是追求的目标。热处理技术是获得“表硬心韧”的齿轮、轴承等基础件的关键。
中国发明专利CN 113737126 A和CN113737125 A均公开了一种获得弥散分布的细小碳化物的真空渗碳方法，发明专利CN113737126A在渗碳和淬火之间增设Ac1温度以下的等温处理而发明专利CN113737125 A在渗碳和淬火之间增设Ac1温度以上的球化处理，通过以上技术方案调控渗碳层碳化物形态，改善齿轮等零部件表面性能，但是未考虑工件心部组织与性能的综合调控和优化。
中国发明专利CN 110029272 A公开了一种高韧性轴承的组织调控方法及纳米贝氏体轴承用钢，通过对第一热处理形成的纳米贝氏体进行表面感应淬火，最终使得表面组织转变为马氏体提高轴承表面硬度。然而，采用表面感应淬火方式改变其表面组织，不适用于表面结构突变、复杂(会发生“尖角效应”)的轴承而受到限制。
剑桥大学Sir Harry Bhadeshia教授联合SKF轴承公司开发了纳米贝氏体轴承并获得了应用。高碳低合金钢奥氏体化后在较低的贝氏体转变温度(150℃～350℃)进行长时间(如5～14天)等温处理，获得以纳米贝氏体为主的轴承。此种轴承的表面组织/性能和心部组织/性能一致，且在贝氏体等温转变温度区间进行长时间等温处理，降低了生产效率。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种低碳低合金钢件渗碳复合热处理方法。
本发明的第二目的在于提供上述复合热处理方法处理得到的低碳低合金钢件。
本发明的第三目的在于提供上述复合热处理方法或低碳低合金钢件在制造齿轮或轴承中的应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
本发明提供一种低碳低合金钢件渗碳复合热处理方法，该复合热处理方法包括以下步骤:
S1:对钢件实施等温正火处理；
S2:在S1后对该钢件实施渗碳处理，使得该钢件表面至心部一定距离的成分中碳含量增加而心部成分中碳含量不变；
S3:在S2后对该钢件实施复合淬火处理，依次包括:
S3-1:加热保温处理；
S3-2:一阶控冷处理，在S3-1后将该钢件冷却至第一淬火温度Tq0，使得钢件心部形成适量马氏体组织而表面不发生组织转变；
S3-3:一阶等温处理，在S3-2后将该钢件加热至温度Tp0并保温时间tp0，使得心部形成的马氏体中碳原子配分至残留奥氏体中而表面不发生组织转变；
S3-4:二阶缓冷处理，在S3-3后将该钢件冷却至第二淬火温度Tq1，使得钢件表面形成适量马氏体组织；
S3-5:二阶等温处理，在S3-4后将该钢件加热至温度Tp1并保温时间tp1，使得钢件表面先形成的马氏体中碳原子扩散至未转变奥氏体中同时使得奥氏体转变为纳米贝氏体组织；
S3-6:在S3-5后将该钢件冷却至室温；
以及S4:在S3后对该钢件实施中低温回火处理。
本发明还提供上述复合热处理方法处理得到的低碳低合金钢件。
本发明还提供上述复合热处理方法或低碳低合金钢件在制造齿轮或轴承中的应用。
与现有技术相比，本发明的技术效果为:
本发明的复合热处理方法利用渗碳和复合淬火工艺，使得钢件表面的显微组织为马氏体、纳米贝氏体(纳米贝氏体铁素体+奥氏体)的复相组织，同时其心部为马氏体和少量富碳残留奥氏体复相组织，钢件表面在形成纳米贝氏体之前形成适量的马氏体，触发纳米贝氏体形核，促进纳米贝氏体长大，进而缩短工艺时间，提高生产效率。通过以上技术获得的钢件具有表面硬度高而心部韧性好的特性，钢件显微组织含有奥氏体和碳化物粒子，阻碍了氢原子的扩散，可以提高其抗氢致延迟断裂能力，防止氢脆，避免突发性事故，具有这种特点的钢件尤其适用于制备齿轮和轴承等。
附图说明
下面参照附图来进一步说明本申请的各个技术特征和它们之间的关系。附图为示例性的，一些技术特征并不以实际比例示出，并且一些附图中可能省略了本申请所属技术领域中惯用的且对于理解和实现本申请并非必不可少的技术特征，或是额外示出了对于理解和实现本申请并非必不可少的技术特征，也就是说，附图所示的各个技术特征的组合并不用于限制本申请。另外，在本申请全文中，相同的附图标记所指代的内容也是相同的。具体的附图说明如下：
图1是实施例2钢件经过理化试验三后通过光学显微镜拍摄的组织照片，其中B为纳米贝氏体，Block M/A为块状马/奥岛；
图2是实施例2钢件经过理化试验四后通过光学显微镜拍摄的组织照片，其中B为纳米贝氏体，M为马氏体；
图3是实施例2钢件经过理化试验五后通过光学显微镜拍摄的组织照片，其中M为马氏体；
图4是实施例3环件结构图及防渗涂料面；
图5是实施例3环件在S3的过程流程图，其中Ac1表示心部成分奥氏体开始转变温度，Ac3表示心部成分奥氏体结束转变温度，Ac1’表示渗碳后表面成分奥氏体开始转变温度，Ac3’表示渗碳后表面成分奥氏体结束转变温度，Ms表示心部成分马氏体开始转变温度，Mf表示心部成分马氏体结束转变温度，Ms’表示渗碳后表面成分马氏体开始转变温度，Mf’表示渗碳后表面成分马氏体结束转变温度；
图6是实施例3环件热处理后距离表面0.3mm处通过扫描电镜拍摄的扫描组织照片，其中B为纳米贝氏体，M为马氏体；
图7是实施例3环件热处理后心部通过扫描电镜拍摄的扫描组织照片，其中M为马氏体，A为奥氏体。
具体实施方式
除非另有定义，本申请全文所使用的所有技术和科学术语与本申请所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本申请全文中所说明的含义或者根据本申请全文中记载的内容得出的含义为准。另外，本说明中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。下面，对本申请的具体实施方式进行详细的说明。
本发明中的低碳低合金钢件是指C元素的质量百分数在0.15％到0.3％之间，Mn、Si、Cr、Mo、Ni、V、Ti等合金元素质量分数之和不高于8％，其余为Fe和其他不可避免的杂质的钢件。在优选的实施方式中，按质量百分数计，低碳低合金钢件的组分包括:0.15％～0.3％ C，1.2％～3.5％ Mn，0.8％～1.7％ Si，0.3％～2.0％ Cr，0.2％～0.5％ Mo和0.2％～1.2％ Ni，以及0.05％～0.25％ V和0.05％～0.25％Ti中的至少一种，其余为Fe和其他不可避免的杂质；同时，Mn、Cr和Mo的含量之和不少于2.8％且不高于4.5％，Mn、Si、Cr、Mo、Ni、V、Ti的含量之和不高于8％。
本发明的钢件中，添加0.15％～0.3％的C，有利于提高钢件的淬透性和淬硬性，获得强度较高的马氏体组织；通过控制Si的含量，避免在一阶控冷-一阶等温-二阶缓冷-二阶等温复合淬火过程形成碳化物，恶化钢件的韧性；通过控制Mn、Cr、Mo的含量，可以有效降低渗碳后贝氏体开始转变温度，有利于在二阶等温过程中形成纳米贝氏体组织，同时提高材料的淬透性，有利于获得所需的马氏体组织和较高的强度；添加一定量的Ni，可提高钢件的冲击韧性，但是Ni的价格较高，需严格控制；通过添加一定量的V和Ti元素，形成弥散的碳化物粒子，有助于细化钢件的晶粒，同时可作为氢陷进避免发生氢脆的风险。
本发明提供的低碳低合金钢件渗碳复合热处理方法主要包括四个阶段:S1的等温正火处理，S2的渗碳处理，S3的复合淬火处理，以及S4的中低温回火处理。
S1的等温正火处理
等温正火是将钢材加热奥氏体化并保温一段时间，保温完成后钢材冷至S曲线鼻部，等温保持，使过冷奥氏体在此温度范围内转变完毕，得到较细的珠光体组织，然后空冷的一种热处理工艺。
在一种实施方式中，该等温正火处理的工艺包括：将该钢件放入已经加热至T11的加热炉中并保温t11，随后控制冷却至T12，将温度为T12的工件快速送入已经加热至T12的加热炉中并保温t12，最后缓慢冷却至室温，其中T11为880～1050℃、t11为30～240min，T12为500～750℃、t12为30～180min。
在优选的实施方式中，该等温正火处理的工艺包括如下步骤：
S1-1:将钢件放入第一加热炉中，使钢件以60-100℃/h加热至T11(880～1050℃)，并保温t11(30～240min)。
S1-2:将完成S1-1的钢件从第一加热炉中取出，将钢件冷却至T12(500～750℃)。冷却的方式优选为强风或喷雾冷却。
S1-3:将完成S1-2的钢件快速送入已经加热至T12(500～750℃)的第二加热炉中，并保温t12(30～180min)。
S1-4:将完成S1-4的钢件从第二加热炉中取出，将钢件缓慢冷却至室温。缓慢冷却的方式为弱风风冷或自然空冷冷却。
在优选的实施方式中，钢件经过S1处理后的组织为铁素体和珠光体。
需要说明的是，S1-1中加热速度可以但不限于为60℃/h、65℃/h、70℃/h、75℃/h、80℃/h、85℃/h、90℃/h、95℃/h或100℃/h；T11可以但不限于为880℃、900℃、920℃、940℃、960℃、980℃、1000℃、1020℃或1050℃；t11可以但不限于为30min，40min，50min，80min，100min，130min，160min，200min或240min。S1-2中T12可以但不限于为500℃、520℃、540℃、550℃、580℃、600℃、620℃、640℃、650℃、680℃、700℃、720℃、750℃。S1-3中t12可以但不限于为30min、60min、90min、120min、150min或180min。
S2的渗碳处理
渗碳是指为增加钢件表层的含碳量和从钢件表面到心部形成一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。渗碳的处理方式可以为保护气氛渗碳或者脉冲渗碳。
在一些实施方式中，渗碳处理包括：
S2-1涂防渗剂:将完成S1等温正火的钢件不需要渗碳处理的地方涂上一层防渗剂。
S2-2渗碳处理:将完成S2-1的钢件放入已经加热至T21(900～960℃)的碳势为Cp1(比钢件渗碳后表面所需的碳含量高0.1％)第三加热渗碳炉中，并保温t21(取决于所需的渗碳深度)，随后将加热炉温度降至T22(880～920℃)，碳势调为Cp2(与钢件渗碳后表面所需的碳含量一致)，并保温t22(为t21的1/4～1/2)。
在优选的实施方式中，Cp1优选为0.6％～0.9％，t21优选为4～12h，Cp2优选为0.5％～0.8％。
S2-3冷却处理:将完成S2-2渗碳处理的钢件冷却至室温。冷却方式优选为弱风或自然空冷冷却。
需要说明的是，T21可以但不限于为900℃、910℃、920℃、930℃、940℃、950℃、960℃；Cp1可以但不限于为0.6％、0.62％、0.64％、0.66％、0.68％、0.70％、0.72％、0.74％、0.76％、0.78％、0.8％、0.82％、0.84％、0.86％、0.88％、0.9％；t21可以但不限于为4h、4.5h、5h、5.5h、6h、6.5h、7h、7.5h、8h、8.5h、9h、9.5h、10h、10.5h、11h、11.5h、12h；T22可以但不限于为880℃、890℃、900℃、910℃、920℃；Cp2可以但不限于为0.5％、0.52％、0.54％、0.56％、0.58％、0.6％、0.62％、0.64％、0.66％、0.68％、0.70％、0.72％、0.74％、0.76％、0.78％、0.8％；t22可以但不限于为1h、1.5h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h、6h。
S3的复合淬火处理
淬火是一种热处理方法，包括连续冷却淬火和等温淬火。钢的连续冷却淬火是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下(或Ms附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理方法。钢的等温淬火是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到贝氏体开始转变温度和贝氏体结束转变温度之间，并等温一段时间进行贝氏体转变的热处理方法。
在本发明中，复合淬火处理采用一阶控冷处理-一阶等温处理-二阶缓冷处理-二阶等温处理。钢件在冷却阶段，开始实施一阶控冷处理，冷却适当时间，使得钢件心部冷却至钢件心部成分的马氏体开始转变温度和马氏体转变结束温度之间的某一温度形成适量的马氏体组织，而此时表面由于渗碳提高奥氏体的稳定性未发生组织转变；接着实施一阶等温处理，保温适当时间，使得钢件心部形成马氏体中碳原子配分至残留奥氏体中，而由于等温时间短于表面奥氏体在此温度发生等温转变的孕育期，此时钢件表面不发生组织转变；接着实施二阶缓冷处理，冷却适当时间，使得钢件冷却至经渗碳处理后表面成分的马氏体开始转变温度和马氏体转变结束温度之间的某一温度形成适量马氏体组织；随后实施二阶等温处理，保温适当时间，钢件表面先形成马氏体中碳原子扩散至未转变奥氏体中同时使得奥氏体转变为纳米贝氏体组织；最后实施冷却处理，即将钢件冷却至室温，此时基本无组织转变。
为了实现上述组织相变过程，S3具体包括如下步骤；
S3-1:加热保温处理。
S3-2:一阶控冷处理，在S3-1后将所述钢件冷却至第一淬火温度Tq0，使得钢件心部形成适量马氏体组织而表面不发生组织转变。
S3-3:一阶等温处理，在S3-2后将所述钢件加热至温度Tp0并保温时间tp0，使得心部形成的马氏体中碳原子配分至残留奥氏体中而表面不发生组织转变。
S3-4:二阶缓冷处理，在S3-3后将所述钢件冷却至第二淬火温度Tq1，使得钢件表面形成适量马氏体组织，细化纳米贝氏体并促进S3-5纳米贝氏体转变，缩短工艺时间。
S3-5:二阶等温处理，在S3-4后将所述钢件加热至温度Tp1并保温时间tp1，使得钢件表面先形成的马氏体中碳原子扩散至未转变奥氏体中同时使得奥氏体转变为纳米贝氏体组织。
S3-6:在S3-5后将所述钢件冷却至室温。
在优选的实施方式中，S3的具体方法优选如下：
S3-1：将完成S2渗碳处理的钢件放入已经加热至T31(850～950℃)的第四加热炉中，并保温t31(30～120min)。
T31可以但不限于为850℃、870℃、880℃、900℃、910℃、920℃、930℃、930℃、950℃；t31可以但不限于为30min、50min、70min、90min、100min、110min、120min。
S3-2：将完成S3-1的钢件从第四加热炉内取出，使得钢件冷却至第一淬火温度Tq0，第一淬火温度Tq0为钢件心部成分的马氏体开始转变温度Ms0和马氏体转变结束温度Mf0之间的某一温度。
在优选的实施方式中，第一淬火温度Tq0使得下式中的fm0为0.9～0.95：
fm0＝1-exp[αm0*(Ms0-Tq0)]
αm0＝{27.2-∑Si*xi-19.8*[1-exp(-1.5*xc0)]}*10-3
∑Si*xi＝0.14*xMn+0.21xSi+0.11*xCr+0.08*xNi+0.05*xMo
Ms0＝489.9-316.7*xC0-33.3*xMn-27.8*xCr-16.7*xNi-11.1*(xSi+xMo)
Mf0＝Ms0-150
上式中XC0为渗碳前钢件中碳元素的质量百分数，XMn、XSi、XCr、XNi、XMo分别为钢件中锰元素、硅元素、铬元素、镍元素和钼元素的质量百分数。
在优选的实施方式中，S3-2中，冷却的方式为强风风冷或喷雾冷却。
S3-3：一阶等温处理，将完成S3-2的钢件放入已经加热至Tp0并保温时间tp0。温度Tp0为钢件表面成分的马氏体开始转变温度Ms1和钢件心部成分的马氏体开始转变温度Ms0之间的某一温度，Ms1通过如下公式获得；
Ms1＝489.9-316.7*xC1-33.3*xMn-27.8*xCr-16.7*xNi-11.1*(xSi+xMo)
上式中XC1为钢件经渗碳后表面成分中碳元素的质量百分数。XC1优选为0.5％～0.8％；温度优选为Tp0为200～360℃。Tp0可以但不限于为200℃、220℃、240℃、260℃、280℃、300℃、320℃、340℃或360℃。
在优选的实施方式中，Ms1小于Mf0。
保温时间tp0小于钢件表面成分在一阶等温处理时对应的贝氏体转变孕育期tb，tb可通过剑桥大学开发的MUCG83软件获得，优选为8～30h。
在优选的实施方式中，保温时间tp0为10min～120min。tp0可以但不限于为10min，20min，30min，40min，50min，60min，80min，100min或120min。
在一些实施方式中，为了便于实际操作获得各种数据，可以在钢件表面往里例如0.3mm处进行各种数据检测。例如，钢件渗碳后的钢件表面成分的马氏体开始转变温度Ms1、钢件渗碳后的钢件表面成分的马氏体结束转变温度Mf1、钢件经渗碳后表面成分中碳元素的质量百分数XC1、Tp0等温处理时对应的贝氏体转变孕育期tb均为钢件渗碳后距离表面0.3mm处成分对应检测数值，以此作为钢件表面成分对应的数值。
S3-4:二阶缓冷处理，将完成S3-3的钢件从第五加热炉内取出，使得钢件冷却至第二淬火温度Tq1；其中，第二淬火温度Tq1为钢件表面成分的马氏体开始转变温度Ms1和马氏体转变结束温度Mf1之间的某一温度。冷却的方式优选为强风风冷或弱风风冷。
在优选的实施方式中，Tq1应使得下式中的fm1为0.1～0.35；
fm1＝1-exp[αm1*(Ms1-Tq1)]
αm1＝{27.2-∑Si*xi-19.8*[1-exp(-1.5*xc1)]}*10-3
∑Si*xi＝0.14*xMn+0.21xSi+0.11*xCr+0.08*xNi+0.05*xMo
Mf1＝Ms1-150
在优选的实施方式中，Tq1为50～200℃。Tq1可以但不限于为50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃或200℃。
S3-5:二阶等温处理，将完成S3-4的钢件放入已经加热至Tp1的第六加热炉内，并保温tp1，温度Tp1的计算公式如下，公式中200＜σγ＜280：
Tp1＝Tr+25
在优选的实施方式中，温度Tp1为200℃～340℃；保温时间tp1优选为8～30h。Tp1可以但不限于为200℃，220℃，240℃，260℃，280℃，300℃，320℃或340℃；tp1可以但不限于为8h，10h，12h，14h，16h，18h，20h，22h，24h，26h，28h或30h。
S3-6:在S3-5后将所述钢件冷却至室温；
在优选的实施方式中，S3-6的冷却可以为弱风风冷或自然空气冷却。
S4的中低温回火处理
回火是工件淬硬后加热到Ac1(加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度)以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理方法。回火分为低温回火(工件在150～250℃进行的回火)、中温回火(工件在360～500℃之间进行的回火)和高温回火(工件在500～650℃以上进行的回火)。
S4的中低温回火处理包括以下步骤：将完成S3的所述钢件放入已经加热至T41(100～360℃)的加热炉内，并保温时间t41(60～240min)，再从炉内取出冷却至室温。
T41可以但不限于为100℃、150℃、200℃、250℃、300℃或360℃；t41可以但不限于为60min、80min、100min、120min、140min、160min、180min、200min、220min、240min。
在优选的实施方式中，S4的冷却的方式可以为自然空冷或强风风冷。
本发明通过上述复合热处理方法得到的低碳低合金钢件，表面部位的显微组织为马氏体、纳米贝氏体复相组织，心部显微组织为马氏体和少量富碳的残留奥氏体复相组织。具有表面硬度高而心部韧性好的特点，具有这种特点的钢件尤其适用于制备齿轮和轴承等。
实施例1:
低碳低合金钢件的组分和含量如下表1所示:
表1实施例1低碳低合金钢件的化学组成和含量(质量百分数)
| 元素 | C | Si | Mn | Cr | Mo | Ni | V | P | S |
| 含量 | 0.22 | 1.7 | 2.0 | 0.8 | 0.2 | 0.6 | 0.07 | 0.01 | 0.005 |
按照表1中的化学组成及含量采用常规炼钢和锻造方法制备钢件，此成分钢件对应的Ms0为300℃，而Mf0为150℃，钢件尺寸为800mm*80mm*30mm(长*宽*高)；
从上述钢件上取若干30mm(钢件长度方向一致)*80mm(钢件宽度方向一致)*30mm(钢件高度方向一致)的钢块，对上述试块进行等温正火处理。
具体的等温正火过程为:将30mm*80mm*30mm的钢块放入温度为920℃的加热炉内，并保温120min，接着强风冷却至(冷却速度约为(2℃/s)650℃，随后将钢块放入温度为650℃的加热炉内，并保温150min，最后从加热炉中取出，自然空冷至室温。
取上述完成等温正火的钢块进行理化实验一。
理化实验一的热处理方法制度为:将完成等温正火的钢块放入已经加热至900℃的加热炉中，并保温50min，喷风冷却至室温，随后将钢块放入已经加热至250℃的加热炉内保温12h，然后取出并空冷至室温，接着将钢块放入已经加热至250℃的加热炉内并保温120min，最后从加热炉中取出，自然空冷至室温。
取部上述分完成等温正火的试块进行理化实验二。
理化实验二的热处理方法制度为:将完成等温正火的钢块放入已经加热至900℃的加热炉中，并保温50min，喷风冷却至180℃(对应的fm0为0.92，即形成92％的马氏体组织，此时奥氏体为8％)，接着迅速放入已经加热至280℃的加热炉中，并保温60min，接着从加热炉中取出风冷至室温，随后将试块放入已经加热至250℃的加热炉中并保温12h，然后取出并空冷至室温，接着将钢块放入已经加热至250℃的加热炉内并保温120min，最后从加热炉中取出，自然空冷至室温。
按照国家标准GB/T 228-2002测试了实施例1制备的试块的常规力学性能，按照国家标准GB/T229-1994测试了实施例1制备的试块的冲击韧性，并按照国家标准GB/T4340-2009《金属材料维氏硬度试验》测试了实施例1制备的试块的硬度，如表2所示。
表2实施例2不同理化试验常规力学性能和冲击韧性
由表2可知，经理化试验二热处理后，材料具有良好的强韧性匹配，尤其是具有更好的韧性。
实施例2
高碳低合金钢件的组分和含量如下表3所示:
表3实施例2低碳低合金钢件的化学组成和含量(质量百分数)
| 元素 | C | Si | Mn | Cr | Mo | Ni | V | P | S |
| 含量 | 0.68 | 1.7 | 2.0 | 0.8 | 0.2 | 0.6 | 0.07 | 0.01 | 0.005 |
按照表3中的化学组成及含量采用常规炼钢和锻造方法制备钢件，此成分钢件对应的Ms0为155℃，而Mf0为5℃，钢件尺寸为800mm*80mm*30mm(长*宽*高)；
从上述钢件上取若干30mm(钢件长度方向一致)*80mm(钢件宽度方向一致)*30mm(钢件高度方向一致)的钢块，对上述试块进行等温正火处理。
具体的等温正火过程为:将30mm*80mm*30mm的钢块放入温度为920℃的加热炉内，并保温120min，接着强风冷却至(冷却速度约为(2℃/s)650℃，随后将钢块放入温度为650℃的加热炉内，并保温150min，最后从加热炉中取出，自然空冷至室温。
取上述完成等温正火的钢块进行理化实验三。
理化实验三的热处理方法制度为:将完成等温正火的钢块放入已经加热至900℃的加热炉中，并保温50min，喷风冷却至250℃(此时，σγ为215MPa，贝氏体转变孕育期tb为5400s)，接着迅速将钢块放入已经加热至250℃的加热炉内保温12h，随后取出并空冷至室温，接着将钢块放入已经加热至250℃内，并保温120min，最后从加热炉中取出，自然空冷至室温。完成理化试验三试样对应的运用光学显微镜拍摄的组织照片如图1所示，组织为纳米贝氏体和大块马/奥岛复相组织，大块马/奥岛组织在受力情况下及其不稳定，转化为很脆的马氏体组织，恶化材料的性能，如接触疲劳等，在工件中应避免产生此类组织，尤其是齿轮、轴承等基础件。
取上述分完成等温正火的试块进行理化实验四。
理化实验四的热处理方法制度为:将完成等温正火的钢块放入已经加热至900℃的加热炉中，并保温50min，喷风冷却至130℃(对应的fm0为0.28，即形成28％的马氏体组织，此时残余奥氏体为72％)，接着迅速将钢块放入已经加热至250℃(此时，σγ为215MPa)的加热炉内保温12h，随后从加热炉中取出风冷至室温，接着将钢块放入已经加热至250℃内，并保温120min，最后从加热炉中取出，自然空冷至室温。完成理化试验四试样对应的运用光学显微镜拍摄的组织照片如图2所示，组织为纳米贝氏体、马氏体和细小奥氏体复相组织，与理化实验三相比，无大块的马/奥岛复相组织。
取上述分完成等温正火的试块进行理化实验五。
理化实验五的热处理方法制度为:将完成等温正火的钢块放入已经加热至900℃的加热炉中，并保温50min，喷风冷却至室温℃，接着将钢块放入已经加热至250℃的加热炉内保温12h，随后从加热炉中取出风冷至室温，随后将钢块放入已经加热至250℃内，并保温120min，最后从加热炉中取出，自然空冷至室温。完成理化试验五试样对应的运用光学显微镜拍摄的组织照片如图3所示，组织为单向马氏体组织。
按照国家标准GB/T 228-2002测试了实施例2制备的试块的常规力学性能，按照国家标准GB/T229-1994测试了实施例2制备的试块的冲击韧性，并按照国家标准GB/T4340-2009《金属材料维氏硬度试验》测试了实施例2制备的试块的硬度，如表4所示。
表4实施例2不同理化试验常规力学性能和冲击韧性
由表4可知，经理化试验四热处理后，其硬度稍低于经理化试验三和五的硬度，但是其韧性是理化试验三的2倍和理化试验五的4倍以上，材料具有良好的强韧性匹配，更有利于提高如齿轮、轴承等基础件的损伤容限、耐接触疲劳性能、抗剥落等性能等。而理化试验三和五虽然具有高的硬度，但是韧性差较脆，在使用的过程中易产生剥落而失效，缩短齿轮和轴承等基础件的服役寿命。
实施例三
从实施例一制备的尺寸为800mm*80mm*30mm的环件上取外径为25mm，壁厚为5mm，高度为20mm的钢件。对环件进行如下S1、S2、S3、S4四个工序处理。
S1、等温正火处理，包括如下S1-1、S1-2、S1-3、S1-4四个步骤:
S1-1:将环件放入已经加热至920℃的加热炉内，并保温120min。
S1-2:将环件取出，采用吹风冷却将钢件冷却至650℃；
S1-3:迅速将环件放入已经加热至650℃的加热炉中并保温150min。
S1-4:将环件从加热炉中取出，自然空冷至室温。
S2、渗碳处理，包括如下S2-1、S2-2、S2-3三个步骤:
S2-1:将完成S1等温正火的环件的内表面、上表面和下表面分别涂上一层防渗剂(如图4)；
S2-2:将完成S2-1的环件放入已经加热至920℃、碳势为0.76％的加热渗碳炉中，并保温7h；随后将渗碳炉的温度调为880℃，碳势调为0.72％，并保温2.5h。
S2-3:将完成S2-2的环件从加热渗碳炉中取出，采用喷风冷却的方式将环件冷却至室温。
S3一阶控冷-一阶等温-二阶缓冷-二阶等温复合淬火，包括如下S3-1、S3-2、S3-3、S3-4、S3-5、S3-6(流程图如图5)六个步骤:
S3-1:将完成S2渗碳处理的环件放入已经加热至900℃的加热炉，并保温50min。
S3-2:将完成S3-1的环件从加热炉内取出，采用喷风冷却的方式使得钢件冷却至180℃。
S3-3:将完成S3-2的环件迅速放入已经加热至280℃的加热炉内，并保温60min；
S3-4:将完成S3-3的环件从加热炉内取出，采用喷风冷却的方式使得钢件冷却至130℃；
S3-5:将完成S3-4的环件迅速放入已经加热至250℃的加热炉内，并保温12h；
S3-6:将完成S3-5的环件从加热炉内取出，采用喷风冷却的方式使得钢件冷却至室温。
S4中低温回火处理，包括如下S4-1、S4-2两个步骤:
S4-1:将完成S3复合淬火的环件放入已经加热至250℃的加热炉内，并保温时间120min。
S4-4:将完成S4-1的环件再从炉内取出并自然空冷至室温，完成中低温回火处理。
完成S1、S2、S3和S4的环件表面以下0.3mm和心部出的扫描组织照片分别如图6和图7所述。由此可见，表面以下0.3mm处为马氏体和纳米贝氏体复相组织(与理化实验四的组织类似)，而心部为马氏体和残留奥氏体复相组织(与理化实验二的组织类似)。
采用剥层法测试了实施例3制备的环件距离表面0.3mm出的含碳量，约为0.68％(质量百分数，此成分对应的Ms1为155℃，而Mf1为5℃，)；并按照国家标准GB/T4340-2009《金属材料维氏硬度试验》测试了实施例3制备的环件近表面处和心部的硬度，表面的硬度为580±10HV，心部的硬度为432±12HV。
可以理解，本领域技术人员可以将本申请全文中提到的一个或多个实施例中提到的特征，以任何适当的方式与其他实施例中的特征进行组合来实施本申请。
注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请的技术构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请的保护范畴。
Claims (10)
1.一种低碳低合金钢件渗碳复合热处理方法，其特征在于，包括以下步骤:
S1:对钢件实施等温正火处理；
S2:在S1后对所述钢件实施渗碳处理，使得所述钢件表面至心部一定距离的成分中碳含量增加而心部成分中碳含量不变；
S3:在S2后对所述钢件实施复合淬火处理，依次包括:
S3-1:加热保温处理；
S3-2:一阶控冷处理，在S3-1后将所述钢件冷却至第一淬火温度Tq0，使得钢件心部形成适量马氏体组织而表面不发生组织转变；
S3-3:一阶等温处理，在S3-2后将所述钢件加热至温度Tp0并保温时间tp0，使得心部形成的马氏体中碳原子配分至残留奥氏体中而表面不发生组织转变；
S3-4:二阶缓冷处理，在S3-3后将所述钢件冷却至第二淬火温度Tq1，使得钢件表面形成适量马氏体组织；
S3-5:二阶等温处理，在S3-4后将所述钢件加热至温度Tp1并保温时间tp1，使得钢件表面先形成的马氏体中碳原子扩散至未转变奥氏体中，同时使得奥氏体转变为纳米贝氏体组织；
S3-6:在S3-5后将所述钢件冷却至室温；
以及S4:在S3后对所述钢件实施中低温回火处理。
2.根据权利要求1所述的渗碳复合热处理方法，其特征在于，S3-2中，所述第一淬火温度Tq0为钢件心部成分的马氏体开始转变温度Ms0和马氏体转变结束温度Mf0之间的某一温度；
优选地，所述第一淬火温度Tq0使得下式中的fm0为0.9～0.95：
fm0＝1-exp[αm0*(Ms0-Tq0)]
αm0＝{27.2-∑Si*xi-19.8*[1-exp(-1.5*xc0)]}*10-3
∑Si*xi＝0.14*xMn+0.21xSi+0.11*xCr+0.08*xNi+0.05*xMo
Ms0＝489.9-316.7*xC0-33.3*xMn-27.8*xCr-16.7*xNi-11.1*(xSi+xMo)
Mf0＝Ms0-150
上式中XC0为渗碳前钢件中碳元素的质量百分数，XMn、XSi、XCr、XNi、XMo分别为钢件中锰元素、硅元素、铬元素、镍元素和钼元素的质量百分数；
优选地，S3-2中，所述冷却的方式为强风风冷或喷雾冷却。
3.根据权利要求1所述的渗碳复合热处理方法，其特征在于，S3-3中，所述温度Tp0为钢件表面成分的马氏体开始转变温度Ms1和钢件心部成分的马氏体开始转变温度Ms0之间的某一温度，Ms1通过如下公式获得；
Ms1＝489.9-316.7*xC1-33.3*xMn-27.8*xCr-16.7*xNi-11.1*(xSi+xMo)
上式中XC1为钢件经渗碳后表面成分中碳元素的质量百分数；
优选地，XC1为0.5％～0.8％；
优选地，Ms1小于Mf0；
优选地，所述温度Tp0为200～360℃之间的某一温度；
优选地，所述保温时间tp0小于钢件表面成分在一阶等温处理时对应的贝氏体转变孕育期tb；
优选地，所述保温时间tp0为10min～120min。
4.根据权利要求1所述的渗碳复合热处理方法，其特征在于，S3-4中，所述第二淬火温度Tq1为钢件表面成分的马氏体开始转变温度Ms1和马氏体转变结束温度Mf1之间的某一温度；
优选地，所述第二淬火温度Tq1使得下式中的fm1为0.1～0.35；
fm1＝1-exp[αm1*(Ms1-Tq1)]
αm1＝{27.2-∑Si*xi-19.8*[1-exp(-1.5*xc1)]}*10-3
∑Si*xi＝0.14*xMn+0.21xSi+0.11*xCr+0.08*xNi+0.05*xMo
Mf1＝Ms1-150
优选地，Tq1为50～200℃；
优选地，S3-4中，所述冷却的方式为强风风冷或弱风冷却。
5.根据权利要求1所述的渗碳复合热处理方法，其特征在于，S3-5中，温度Tp1的计算公式如下，公式中200＜σγ＜280：
Tp1＝Tr+25
优选地，所述温度Tp1为200℃～340℃；
优选地，所述保温时间tp1为8～30h。
6.根据权利要求1～5任一项所述的渗碳复合热处理方法，其特征在于，S3-6中，所述冷却的方式为弱风风冷或空气自然冷却；
优选地，在S3-1中，所述加热保温处理包括：将完成S2的钢件放入已经加热至T31的加热炉中，并保温t31，其中T31为850～950℃，t31为30～120min。
7.根据权利要求1～5任一项所述的渗碳复合热处理方法，其特征在于，在S1中，所述等温正火处理包括：将所述钢件放入已经加热至T11的加热炉中并保温t11，随后控制冷却至T12，将温度为T12的工件快速送入已经加热至T12的加热炉中并保温t12，最后缓慢冷却至室温，其中T11为880～1050℃、t11为30～240min，T12为500～750℃、t12为30～180min；
优选地，所述的缓慢冷却方式为弱风风冷或自然空冷冷却；
优选地，钢件经过S1处理后的组织为铁素体和珠光体；
优选地，在S2中，所述渗碳处理为保护气氛渗碳或者脉冲渗碳；
优选地，在S4中，所述低温回火处理包括：将完成S3的所述钢件放入已经加热至T41的加热炉内，并保温时间t41，再从炉内取出冷却至室温；其中，T41为100～360℃，t41为60～240min；
优选地，在S4中，所述冷却的方式为自然空冷或强风风冷。
8.根据权利要求1～5任一项所述的渗碳复合热处理方法，其特征在于，按质量百分数计，所述低碳低合金钢件的组分包括:0.15％～0.3％C，1.2％～3.5％Mn，0.8％～1.7％Si，0.3％～2.0％Cr，0.2％～0.5％Mo和0.2％～1.2％Ni，以及0.05％～0.25％V和0.05％～0.25％Ti中的至少一种，其余为Fe和其他不可避免的杂质；同时，Mn、Cr和Mo的含量之和不少于2.8％且不高于4.5％，Mn、Si、Cr、Mo、Ni、V、Ti的含量之和不高于8％。
9.权利要求1～8任一项所述的渗碳复合热处理方法处理得到的低碳低合金钢件；
优选地，所述钢件的表面部位的显微组织为马氏体、纳米贝氏体复相组织，所述钢件的心部显微组织为马氏体和少量富碳的残留奥氏体复相组织。
10.权利要求1～8任一项所述的渗碳复合热处理方法或权利要求9所述的低碳低合金钢件在制造齿轮或轴承中的应用。
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| CN202211650691.0A Pending CN115852103A (zh) | 2022-12-21 | 2022-12-21 | 低碳低合金钢件渗碳复合热处理方法及其应用 |
Country Status (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116497262A (zh) * | 2023-06-20 | 2023-07-28 | 成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司 | 一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法 |
| CN117802446A (zh) * | 2024-03-01 | 2024-04-02 | 山东天瑞重工有限公司 | 低碳高合金结构钢的热处理工艺方法和液压破碎锤活塞 |
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2022
- 2022-12-21 CN CN202211650691.0A patent/CN115852103A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116497262A (zh) * | 2023-06-20 | 2023-07-28 | 成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司 | 一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法 |
| CN116497262B (zh) * | 2023-06-20 | 2023-10-31 | 成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司 | 一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法 |
| CN117802446A (zh) * | 2024-03-01 | 2024-04-02 | 山东天瑞重工有限公司 | 低碳高合金结构钢的热处理工艺方法和液压破碎锤活塞 |
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