CN116606987A - 一种40CrNiMo钢复相超细组织制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种40CrNiMo钢复相超细组织制备方法，包括以下步骤：(1)加热：将40CrNiMo钢加热至900℃～930℃，保温一定时间；(2)循环淬火：将保温后的40CrNiMo钢快速水冷至室温，然后在液氮中继续冷却10～30min，随后再加热至900℃～930℃，保温3～5min，进行该步骤3～5次；(3)快速淬火：将高温状态的40CrNiMo钢快速冷却到低于马氏体转变开始温度，保温一定时间；(4)回火：随后在400℃～450℃保温一定时间；(5)冷却到室温。本发明充分利用40CrNiMo钢成分和初始状态，借助于热处理工艺参数的巧妙设计，将复相超细微观组织引入到40CrNiMo钢的制备中，进而提高40CrNiMo钢的强塑性。
Description
技术领域
本发明涉及先进钢技术领域，具体涉及一种40CrNiMo钢复相超细组织制备方法。
背景技术
40CrNiMo钢具有高的强度、韧度和良好的淬透性，以及抗过热的稳定性，广泛应用于轴类、齿轮、紧固件等。现有40CrNiMo钢的热处理工艺主要为淬火回火，在淬火过程中，40CrNiMo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，释放应力集中，提高40CrNiMo钢的强度。然而，当强度增加时，塑性往往会被牺牲，这限制了40CrNiMo钢的进一步应用开发。
为了解决强度和塑性不匹配的问题，对金属材料进行复相组织设计成为了材料研究的热点。复相组织的设计理念是，在材料中尽可能引入性能差异化的梯度组织相，然后在材料变形的不同阶段，不同的微观组织相进行不同程度的塑性变形，进而能够保持长久的加工硬化能力，最终实现材料强度和塑性的同步提升。然而不同的材料由于化学成分和初始态不同，复相组织的设计思路不尽相同，进而取得的性能提升效果也存在较大差异。因此，如何设计出不同材料匹配的复相组织设计思路和技术工艺成为复相理念实现的难点。
目前，复相组织的设计理念已经在很多材料中进行应用，如中锰钢等，但其在40CrNiMo钢中还未有应用。
发明内容
为了解决现有40CrNiMo强度和塑性不匹配、限制其应用开发的问题，本发明提出一种40CrNiMo钢复相微观组织制备方法，通过低于马氏体转变温度等温淬火，在40CrNiMo钢引入奥氏体、贝氏体和马氏体复相组织，这三个组元相的物性参数不尽相同，会在变形的不同阶段进行协调变形，进而使实验钢具有高的加工硬化能力，最终实现强韧性的同时提高。
本发明采用的技术方案是：
一种40CrNiMo钢复相超细组织制备方法，包括以下步骤：
(1)加热：将40CrNiMo钢加热至900℃～930℃，保温一定时间；
(2)循环淬火：将保温后的40CrNiMo钢快速水冷至室温，然后在液氮中继续冷却10～30min，随后再加热至900℃～930℃，保温3～5min，进行该步骤3～5次；
(3)快速淬火：将高温状态的40CrNiMo钢快速冷却到低于马氏体转变开始温度，保温一定时间；
(4)回火：随后在400℃～450℃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＝(0.5～1)d，其中，t的单位为min，d的单位为mm。时间过短，材料很难奥氏体化；时间过长，材料中晶粒会发生明显长大。
作为优选地，步骤(3)中，低于马氏体转变开始温度10℃～30℃，保温时间为1h～2h。
作为优选地，步骤(3)中，快速冷却的速度在50℃/s以上。
作为优选地，步骤(4)中，保温时间为在0.5h～1h。保证碳化物充分析出、元素配分完全和应力充分释放。
作为优选地，40CrNiMo钢直径不超过50mm。
本发明的有益效果：本发明针对40CrNiMo钢，充分利用40CrNiMo钢成分和初始状态，借助于热处理工艺参数的巧妙设计，将复相超细微观组织引入到40CrNiMo钢的制备中，进而提高40CrNiMo钢的强塑性。
在步骤1的加热过程中，充分考分棒材厚度和时间的关系，使材料在加热过程中即充分奥氏体化，也不能使晶粒长大，其次也存在一些奥氏体元素偏析区域，为后面的相变做准备。
在步骤2的循环淬火过程中，细化材料的晶粒尺寸，降低材料的马氏体开始转变温度，使快速淬火温度降低，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。
在步骤3的快速淬火过程中，将经过循环淬火的材料冷却到马氏体转变开始温度以下10℃～30℃，一方面能够发生马氏体相变，引入马氏体，另一方面能避免温度太低致使贝氏体相变不足的问题，最终利用元素偏析提高奥氏体的稳定性，保留部分奥氏体，最终使马氏体、贝氏体和奥氏体引入到材料的制备过程中。
在步骤4的在随后的回火过程中，能够利用马氏体中碳化物的析出，降低马氏体的硬度，改善与贝氏体和奥氏体的协调变形能力，进一步改善材料的力学性能。
本发明通过上述环节层层相扣的复相组织设计，最终使40CrNiMo钢具有奥氏体、贝氏体和马氏体复相组织，实现了材料强度和塑性的同步提升。
附图说明
图1是对比例1的40CrNiMo钢的微观组织结构图。
图2是本发明实施例1的40CrNiMo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40CrNiMo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50mm的40CrNiMo钢加热至900℃，保温50min；
(2)淬火：将保温后的40CrNiMo钢快速水冷至室温；
(3)回火：随后在450℃保温0.5h，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40CrNiMo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40CrNiMo钢复相超细组织制备方法，其具体步骤包括：
(1)加热：将50㎜厚的40CrNiMo钢加热至900℃，保温50min；
(2)循环淬火：将保温后40CrNiMo钢快速水冷至室温，然后在液氮中继续冷却10min，再将40CrNiMo钢加热至930℃，保温3min，进行该步骤3次；
(3)快速淬火：将高温状态的40CrNiMo钢快速冷却到低于马氏体转变开始温度以下10℃，保温1h；
(4)回火：随后在400℃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40CrNiMo钢试样进行微观表征，表征结果分别如图2所示。结果表明：传统工艺微观组织几乎为马氏体，本发明工艺下的微观组织含有约10％的奥氏体和20％体积分数的贝氏体。
随后对试样进行拉伸性能测试，结果如表1所示。从表1可知，本发明专利可以在保证强度不变的情况下，提高40CrNiMo钢延伸率达40％以上。
表1.40CrNiMo钢试样力学性能对比
| 试样 | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(％) |
| 对比例1的钢试样 | 1516 | 8.1 |
| 实施例1的钢试样 | 1586 | 13.4 |
实施例2
一种40CrNiMo钢复相超细组织制备方法，其具体步骤包括：
(1)加热：将50㎜厚的40CrNiMo钢加热至930℃，保温20min；
(2)循环淬火：将保温后40CrNiMo钢快速水冷至室温，然后在液氮中继续冷却30min，再将40CrNiMo钢加热至930℃，保温5min，进行该步骤3次；
(3)快速淬火：将高温状态的40CrNiMo钢快速冷却到低于马氏体转变开始温度以下30℃，保温1h；
(4)回火：随后在450℃保温30min；
(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1522MPa，延伸率为12.1％。
实施例3
一种40CrNiMo钢复相超细组织制备方法，其具体步骤包括：
(1)加热：将10㎜厚的40CrNiMo钢加热至930℃，保温10min；
(2)循环淬火：将保温后40CrNiMo钢快速水冷至室温，然后在液氮中继续冷却10min，再将40CrNiMo钢加热至900℃，保温5min，进行该步骤5次；
(3)快速淬火：将高温状态的40CrNiMo钢快速冷却到低于马氏体转变开始温度以下20℃，保温1h；
(4)回火：随后在450℃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1402MPa，延伸率为13.1％。
实施例4
一种40CrNiMo钢复相超细组织制备方法，其具体步骤包括：
(1)加热：将1㎜厚的40CrNiMo钢加热至930℃，保温1min；
(2)循环淬火：将保温后40CrNiMo钢快速水冷至室温，然后在液氮中继续冷却30min，再将40CrNiMo钢加热至930℃，保温3min，进行该步骤3次；
(3)快速淬火：将高温状态的40CrNiMo钢快速冷却到低于马氏体转变开始温度以下30℃，保温30min；
(4)回火：随后在400℃保温0.5h；
(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1385MPa，延伸率为14.6％。
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40CrNiMo钢复相超细组织制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)加热：将40CrNiMo钢加热至900℃～930℃，保温一定时间；
(2)循环淬火：将保温后的40CrNiMo钢快速水冷至室温，然后在液氮中继续冷却10～30min，随后再加热至900℃～930℃，保温3～5min，进行该步骤3～5次；
(3)快速淬火：将高温状态的40CrNiMo钢快速冷却到低于马氏体转变开始温度，保温一定时间；
(4)回火：随后在400℃～450℃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40CrNiMo钢复相超细组织制备方法，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＝(0.5～1)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40CrNiMo钢复相超细组织制备方法，其特征在于，步骤(3)中，低于马氏体转变开始温度10℃～30℃，保温时间为1h～2h。
4.根据权利要求1所述的一种40CrNiMo钢复相超细组织制备方法，其特征在于，步骤(3)中，快速冷却的速度在50℃/s以上。
5.根据权利要求1所述的一种40CrNiMo钢复相超细组织制备方法，其特征在于，步骤(4)中，保温时间为在0.5h～1h。
6.根据权利要求1所述的一种40CrNiMo钢复相超细组织制备方法，其特征在于，40CrNiMo钢直径不超过50mm。
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