CN116121495A - 一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺 - Google Patents

一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺 Download PDF

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张镇
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Abstract

本发明公开了一种高强韧18CrNiMo7‑6合金钢超细晶微观组织制备工艺，属于先进钢材料技术领域，该工艺包括：(1)加热：将18CrNiMo7‑6合金钢加热至930℃～950℃，保温一定时间；(2)循环淬火：将保温后的18CrNiMo7‑6合金钢快速水冷至室温，然后在液氮中冷却一段时间，随后将18CrNiMo7‑6合金钢加热至930℃～950℃，保温3～5min；重复进行该步骤3～5次；(3)快速淬火，将高温状态下的18CrNiMo7‑6合金钢快速冷却到220℃～230℃；(4)配分回火：随后快速加热到450℃～500℃，保温一定时间；(5)冷却到室温。该工艺能够使18CrNiMo7‑6钢具有超细高稳定性残余奥氏体，且细化材料的微观组织，最终提高18CrNiMo7‑6钢的力学性能。

Description

一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺
技术领域
本发明涉及先进钢材料技术领域，具体涉及一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺。
背景技术
18CrNiMo7-6合金钢具有淬透性高、综合力学性能好等优势，在硬齿面齿轮领域得到了广泛使用。现有18CrNiMo7-6合金钢主要采用淬火回火热处理工艺。在淬火过程中，18CrNiMo7-6合金钢中发生马氏体相变，最终表现出高强度和低伸长率。在回火过程中，马氏体基体中形成大量碳化物，这将释放应力集中，提高18CrNiMo7-6合金钢的强度。然而，当强度增加时，塑性往往会被牺牲，这限制了18CrNiMo7-6合金钢的进一步应用开发。
Q&P(quenching and partition)热处理工艺是针对低合金钢进行复相组织设计的典型工艺。Q&P工艺能将奥氏体组织通过合理的热处理工艺参数优化引入到低合金钢中，进而利用复相组织的协调变形能力，提高材料的力学性能。然而，Q&P工艺的研究主要是如何通过工艺参数优化提高材料中的奥氏体含量，根据复相组织混合法则，对于18CrNiMo7-6合金钢，较高的奥氏体含量会降低材料的强度，进而影响其服役性能。因此，如何通过对Q&P工艺参数进行优化设计，保证18CrNiMo7-6合金钢强度不降低，且能提高18CrNiMo7-6合金钢塑性，成为本领域技术研究的难点。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺。
本发明采用的技术方案是：
一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺，包括以下步骤：
(1)加热：将18CrNiMo7-6合金钢加热至930℃～950℃，保温一定时间；
(2)循环淬火：将保温后的18CrNiMo7-6合金钢快速水冷至室温，然后在液氮中冷却一段时间，随后将18CrNiMo7-6合金钢加热至930℃～950℃，保温3～5min；重复进行该步骤3～5次；
(3)快速淬火，将高温状态下的18CrNiMo7-6合金钢快速冷却到220℃～230℃；
(4)配分回火：随后快速加热到450℃～500℃，保温一定时间；
(5)冷却到室温。
作为优选地，步骤(1)中，保温时间t与试样直径d满足式(1)：t＝(3～4)d，其中，t的单位为min，d的单位为mm。
加热保温时间过长，晶粒会发生明显长大，时间过短，则材料很难奥氏体化。
作为优选地，步骤(2)中，液氮中冷却的时间为10～30min，以保证实验钢完全进行马氏体相变，生成超细板条马氏体。
作为优选地，步骤(4)中，在450℃～500℃温度范围内保温30～60min，以使C/Mn元素从马氏体向奥氏体进行扩散，提高奥氏体的稳定性。
作为优选地，步骤(2)中的冷却速度在50℃/s以上。
作为优选地，步骤(3)中的冷却速度在50℃/s以上。
作为优选地，步骤(4)中的加热速度在50℃/s以上。
作为优选地，18CrNiMo7-6合金钢的直径不超过30mm。
本发明的有益效果：
较传统工艺，本发明通过优化Q&P工艺将奥氏体引入到18CrNiMo7-6合金钢中，使18CrNiMo7-6合金钢具有马氏体和超细高稳定奥氏体组织，其中马氏体能够保证强度，奥氏体能实现高塑性，最终使18CrNiMo7-6合金钢具有优异强度和塑性的良好匹配。
传统Q&P工艺都是在最佳淬火温度进行淬火，目的是获得高体积分数奥氏体。而本发明采用Q&P工艺和传统Q&P工艺不同。本发明降低了淬火温度，这将在淬火过程中生成大量马氏体，马氏体会分割奥氏体晶粒，细化组织，使最终保留下来的奥氏体呈现板条超细特征，实现奥氏体超细和高稳定性。
此外，本发明在Q&P工艺前增加循环淬火工艺，循环淬火工艺能够细化材料的晶粒尺寸，降低材料的马氏体开始转变温度，使Q&P的热处理淬火温度降低，根据马氏体经典形核理论，这将有利于促进马氏体形核和降低马氏体的形核能，进而促进超细奥氏体和马氏体微观组织的生成也能细化材料的微观组织，进而提高材料中奥氏体的稳定性。
通过上述微观组织的设计思路和工艺路线，最终使18CrNiMo7-6合金钢具有超细复相高稳定性微观组织，在变形过程中兼具高强度和高塑性。
附图说明
图1是对比例1的18CrNiMo7-6合金钢的微观组织结构图。
图2是实施例1的18CrNiMo7-6合金钢的微观组织结构图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步说明，以便于对本发明的理解，但并不因此而限制本发明。
对比例1
一种18CrNiMo7-6合金钢传统热处理工艺，其具体步骤包括：
(1)加热：将直径为5mm的18CrNiMo7-6合金钢加热至930℃，保温30min；
(2)淬火：将保温后的18CrNiMo7-6合金钢快速水冷至室温；
(3)回火：随后在450℃保温30min～1h，随后空冷至室温。
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18CrNiMo7-6合金钢试样进行微观表征，表征结果分别如图1所示。随后对试样进行拉伸性能测试，结果如表1所示。
实施例1
一种18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺，其具体步骤包括：
(1)加热：将直径为5mm的18CrNiMo7-6合金钢棒加热至930℃，保温15min；
(2)循环淬火：将保温后的合金钢以50℃/s的速度快速水冷至室温，然后在液氮中继续冷却10min，再将冷却后的合金钢加热至930℃，保温3min；重复进行该步骤3次；
(3)快速淬火，将高温状态的合金钢以50℃/s的速度快速冷却到220℃；
(4)配分回火：随后以50℃/s的速度快速加热到450℃，保温30min；
(5)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18CrNiMo7-6合金钢试样进行微观表征，表征结果分别如图2所示。结果表明：(1)目前18CrNiMo7-6合金钢传统的热处理工艺获得的微观组织几乎全部为马氏体(如图1)，本发明所得微观组织含有约10％的奥氏体，且奥氏体尺寸较细，约为0.3μm。随后对热处理试样进行拉伸性能测试，结果如表1所示。从表1可知，本发明专利在保证强度不变的情况下，提高18CrNiMo7-6合金钢延伸率达50％以上。
表1.18CrNiMo7-6合金钢试样力学性能
试样 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
对比例1的18CrNiMo7-6合金钢试样 1301 10.1
实施例1的18CrNiMo7-6合金钢试样 1350 16.2
实施例2
一种18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺，其具体步骤包括：
(1)加热：将直径为30mm厚的18CrNiMo7-6合金钢棒加热至950℃，保温120min；
(2)循环淬火：将保温后的合金钢快速水冷至室温，然后在液氮中继续冷却30min，再将冷却后的合金钢加热至950℃，保温5min；重复进行该步骤5次；
(3)快速淬火，将高温状态下的18CrNiMo7-6合金钢快速冷却到230℃；
(4)配分回火：随后快速加热到500℃，保温1h；
(5)冷却到室温。
温借助线切割制备拉伸试样，进行拉伸性能测试，抗拉强度为1321MPa，延伸率为15％。
实施例3
一种18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺，其具体步骤包括：
(1)加热：将直径为20mm厚的18CrNiMo7-6合金钢棒加热至940℃，保温60min；
(2)循环淬火：将保温后的合金钢快速水冷至室温，然后在液氮中继续冷却30min，再将冷却后的合金钢加热至950℃，保温5min；重复进行该步骤4次；
(3)快速淬火，将高温状态的18CrNiMo7-6合金钢快速冷却到230℃；
(4)配分回火：随后快速加热到500℃，保温0.5h；
(5)冷却到室温。
助线切割制备拉伸试样，进行拉伸性能测试，抗拉强度为1360MPa，延伸率为14.2％的。
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 (9)

1.一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)加热：将18CrNiMo7-6合金钢加热至930℃～950℃，保温一定时间；
(2)循环淬火：将保温后的18CrNiMo7-6合金钢快速水冷至室温，然后在液氮中冷却一段时间，随后将18CrNiMo7-6合金钢加热至930℃～950℃，保温3～5min；重复进行该步骤3～5次；
(3)快速淬火，将高温状态下的18CrNiMo7-6合金钢快速冷却到220℃～230℃；
(4)配分回火：随后快速加热到450℃～500℃，保温一定时间；
(5)冷却到室温。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺，其特征在于，步骤(1)中，保温时间t与试样直径d满足式(1)：
t＝(3～4)d， (1)
其中，t的单位为min，d的单位为mm。
3.根据权利要求1所述的一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺，其特征在于，步骤(2)中，液氮中冷却的时间为10～30min。
4.根据权利要求1所述的一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺，其特征在于，步骤(2)中，液氮中冷却的时间为10～30min。
5.根据权利要求1所述的一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺，其特征在于，步骤(4)中，在450℃～500℃温度范围内保温30～60min。
6.根据权利要求1所述的一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺，其特征在于，步骤(2)中的冷却速度在50℃/s以上。
7.根据权利要求1所述的一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺，其特征在于，步骤(3)中的冷却速度在50℃/s以上。
8.根据权利要求1所述的一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺，其特征在于，步骤(4)中的加热速度在50℃/s以上。
9.根据权利要求1所述的一种高强韧18CrNiMo7-6合金钢超细晶微观组织制备工艺，其特征在于，18CrNiMo7-6合金钢的直径不超过30mm。
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