CN116716468A - 一种可降低高碳钢残余应力的工艺 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种可降低高碳钢残余应力的工艺，包括钢坯加热过程，所述钢坯加热过程包括：将所述钢坯从室温以150～200℃/h的升温速度加热到900～950℃，待所述钢坯相变为完全奥氏体化状态，以280～300℃/h的升温速度继续加热到1200～1220℃，并保温3～5h；解决针对高碳钢残余应力高的特点，目前采用的球化退火处理方式存在效率低、能耗高的问题。

Description

一种可降低高碳钢残余应力的工艺

技术领域

本发明涉及钢铁材料的控轧控冷方法，具体涉及一种降低高碳钢残余应力的工艺方法。

背景技术

一般碳含量超过0.6％的钢就称为高碳钢，以9SiCr、GCr15、GCr15SiMn、T10为代表的高碳钢碳含量都在1％左右，具有强度高、硬度高、耐磨性好和良好的回火稳定性等特点，加入合金元素还可以大幅度提高淬透性，因此应用十分广泛；比如9SiCr可以用作钻头、冷作模具等；GCr15、GCr15SiMn为高碳铬轴承钢，广泛用作各种用途的轴承材料，可以保证在各种恶劣环境及交变应力下稳定运转；T10适合用作耐磨性要求较高得模具材料。

钢材在加热、冷却和变形过程中都会产生残余应力，但高碳钢的残余应力要比中、低碳钢高的多。首先钢材在加热和冷却过程中会产生由热胀冷缩所引起的热应力，高碳钢的热导率(比如GCr15SiMn热导率范围40～45W/m·K，相比较45钢的热导率为51.9W/m·K)要更低，这将导致钢材截面中心和边缘温差会更大，由热胀冷缩导致的变形自然也更大，应力就更高。其次就是相变过程产生的组织应力，是由于不同组织比容(钢中常见组织的比容：奥氏体＜铁素体＜珠光体＜渗碳体)不同所引起的体积变化导致的，高碳钢含有更多的渗碳体，相变过程体积变化更大，因此应力更高。最后就是变形过程，一般来说就是轧钢过程，高碳钢在轧制过程中碳都溶于奥氏体中，变形抗力更大，储能更高，室温下渗碳体硬而脆，不能发生塑性变形，因此无法释放更多储能，同样将产生更高的残余应力。

高碳钢的残余应力对钢材的后续加工有较大的危害，会降低钢材的韧性，如不及时去除，往往会在用户加工中产生裂纹缺陷。如，以往用户在对高碳钢加工下料过程中一般会使用带锯或无齿锯切割的方式，但由于高碳钢硬度高，此种方式切割速度较慢，锯条的损耗也较大，生产效率较低。为了提高生产效率，目前用户多采用感应加热和热剪切下料的方式，感应加热升温速度快，配合剪切，可以提高加工效率，但由于感应加热有很强的集肤效应，加热不均匀，就导致感应加热时的热应力与高碳钢原始的残余应力发生相互作用，最终导致钢材出现裂纹。

目前解决方式多采用轧后钢材再进行球化退火的方法，此种方法虽可以降低高碳钢的残余应力，但球化退火温度较高，周期也较长(一般球化退火需要加热到800℃左右，总时间24h左右)，同样会牺牲成本和效率，因此有必要发明一种新的方式来解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，针对高碳钢残余应力高的特点，本发明提供一种可降低高碳钢残余应力的工艺，解决目前采用的球化退火处理方式存在效率低、能耗高的问题。

为实现上述发明目的，所述的一种可降低高碳钢残余应力的工艺，包括钢坯加热步骤，所述钢坯加热步骤包括：

将所述钢坯从室温以150～200℃/h的升温速度加热到900～950℃，待所述钢坯相变为完全奥氏体化状态，以280～300℃/h的升温速度继续加热到1200～1220℃，并保温3～5h。

在本公开的一些实施例及可能的实施例中，对钢材进行轧制时的终轧温度为850～1000℃。

在本公开的一些实施例及可能的实施例中，所述轧制结束后，对所述钢材进行水冷处理。

在本公开的一些实施例及可能的实施例中，所述水冷处理的冷却速度≥15℃/s，水冷处理至650～700℃。

在本公开的一些实施例及可能的实施例中，所述水冷处理结束后，将所述钢材放入600～650℃炉中保温3～4h；

所述保温结束，将所述钢材随炉冷却到500～550℃后进行出炉空冷。

在本公开的一些实施例及可能的实施例中，所述钢坯是连铸坯或模铸锭。

在本公开的一些实施例及可能的实施例中，所述高碳钢的碳含量在0.6％～1.3％之间。

本发明具有如下有益效果：

本发明的可降低高碳钢残余应力的工艺，在钢坯加热过程中，首先是将钢坯从室温以150～200℃/h的升温速度加热到900～950℃，而采用150～200℃/h这样比较缓慢的升温速度主要是因为缓慢升温有利于铸坯中残余应力的释放，以防止前期升温速度过快所引起的热应力裂纹，900～950℃钢材已基本完成奥氏体化相变，组织应力也基本释放完成；待钢材在完全奥氏体化状态下，本发明增加升温速度，具体是将速度提高到280～300℃/h，此时由于奥氏体本身塑性良好，对于快速升温的热应力有良好的缓冲作用，在此升温速度下将钢坯加热到1200～1220℃，保温3～5h，以充分的进行高温扩散，来改善高碳钢的碳化物显微偏析，达到降低高碳钢残余应力的目的，显然本发明的工艺能耗低，效率高，从而有效解决目前采用的球化退火处理方式所存在的问题。

附图说明

通过以下参考附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例1的可降低高碳钢残余应力的工艺流程图；

图2是本发明实施例2的钢材经过感应加热和剪切后的横截面；

图3是本公开实施例2的常规轧后空冷到室温的钢材，经过感应加热和剪切后的横截面。

具体实施方式

以下基于实施例对本公开进行描述，但是值得说明的是，本公开并不限于这些实施例。在下文对本公开的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本公开。

此外，本领域普通技术人员应当理解，所提供的附图只是为了说明本公开的目的、特征和优点，附图并不是实际按照比例绘制的。

同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。

本发明的下述实施例按照图1所示的工艺流程图进行。

实施例1：

生产的钢种为9SiCr，连铸坯截面尺寸为350×470mm，轧材规格为φ100mm，按质量百分含量计成分为C：0.89％、Si：1.40％、Mn：0.49％、P：0.013％、S：0.009％、Cr：1.09％，余量为铁和不可避免的杂质。

图1是本发明实施例1的可降低高碳钢残余应力的工艺流程图；如图1所示：

在钢坯加热过程中，首先是将钢坯进行第一阶段升温，具体是从室温以150～200℃/h的升温速度加热到900～950℃，而采用150～200℃/h这样比较缓慢的升温速度主要是因为缓慢升温有利于铸坯中残余应力的释放，以防止前期升温速度过快所引起的热应力裂纹，900～950℃钢材已基本完成奥氏体化相变，组织应力也基本释放完成；待钢材在完全奥氏体化状态下，本发明增加升温速度进行第二阶段升温，具体是将速度提高到280～300℃/h，此时由于奥氏体本身塑性良好，对于快速升温的热应力有良好的缓冲作用，在此升温速度下将钢坯加热到1200～1220℃，保温3～5h，以充分的进行高温扩散，来改善高碳钢的碳化物显微偏析。

其中，关于如何判断钢材达到完全奥氏体化状态是本领域的常规技术手段，本申请对此不再展开描述。

在本实施例中，第一阶段升温连铸坯以160℃/h的升温速度加热到930℃，第二阶段升温再以280℃/h的加热速度加热到1220℃，保温4h。

钢坯加热完成后，根据所生产的钢材规格，进行轧制变形，轧制完成后的终轧温度一般控制在850～1000℃，轧制过程中产生的应力可以通过动态回复和动态再结晶机制以较充分的去除。本实施例进行轧制变形的轧材规格为φ

70mm，终轧温度930℃。

由于高碳钢中有很大一部分为过共析钢，过冷奥氏体在相变过程中首先会在晶界处析出二次网状渗碳体，由于渗碳体是硬而脆的相，在晶界析出降低了钢材的韧性，加工成的零件在服役过程中也很容易优先在网状渗碳体处发生疲劳裂纹而失效，必须加以去除，通常情况下，一般采用轧后快冷的方式来抑制二次网状渗碳体的析出；由图1所示，本发明采用轧后水冷的方式，冷却速度要去≥15℃/s，冷却到650～700℃相变完成温度终止。本实施例对轧制后钢材进行水冷处理操作的冷却速度18℃/s，冷却终止温度680℃。

上述水冷过程中钢材温度变化极快，并且在此温度变化过程中还要发生奥氏体向珠光体的相变，因此此阶段所产生的热应力和组织应力都很高，必须要及时去除，否则会引起应力裂纹。在现有技术中，以往都是等到钢材冷却到室温后再进行球化退火的方式来去应力，由图1所示，本发明则是将冷却到650～700℃的钢材直接运输到已事先加热到600～650℃的退火炉中，直接进行3～4h的保温操作，以充分去除钢材中的热应力和组织应力，保温结束后钢材随炉冷却到500～550℃后，出炉空冷。

本实施例在水冷处理后，将钢材直接装入已事先调为610℃的退火炉中，保温3h，保温后钢材随炉冷却到530℃后，出炉空冷。

实施例2：

生产的钢种为GCr15SiMn，连铸坯截面尺寸为235×265mm，轧材规格为φ85mm，按质量百分含量计成分为C：0.98％、Si：0.50％、Mn：1.02％、P：0.010％、S：0.005％、Cr：1.44％，余量为铁和不可避免的杂质。

第一阶段升温连铸坯以180℃/h的升温速度加热到925℃，第二阶段升温再以290℃/h的加热速度加热到1220℃，保温5h。然后钢材出炉进行轧制变形，轧材规格为φ85mm，终轧温度890℃。然后对钢材进行水冷操作，冷却速度25℃/s，冷却终止温度650℃。将钢材直接装入已事先调为620℃的退火炉中，保温3.5h，保温后钢材随炉冷却到500℃后，出炉空冷。

通过实施例2所述步骤生产的钢材经过感应加热和剪切后的横截面如图2所示，剪切面平整，无裂纹。其中：感应加热的频率为780HZ～820HZ，加热时间1.5min～2min，将钢材表面加热到600℃～700℃。作为对比，图3为常规轧后空冷到室温的钢材，经过同样的感应加热和剪切条件，可以看到横截面有应力裂纹存在。

通过图2及图3的对比可以看出，本发明的工艺可以有效降低高碳钢的残余应力，在感应加热和剪切过程中也不容易产生裂纹，可以提高生产效率和降低生产成本。

实施例3：

生产的钢种为T10，连铸坯截面尺寸为210×210mm，轧材规格为φ40mm，按质量百分含量计成分为C：0.97％、Si：0.28％、Mn：0.31％、P：0.011％、S：0.008％，余量为铁和不可避免的杂质。

第一阶段升温连铸坯以200℃/h的升温速度加热到950℃，第二阶段升温再以300℃/h的加热速度加热到1200℃，保温3h。然后钢材出炉进行轧制变形，轧材规格为φ40mm，终轧温度880℃。然后对钢材进行水冷操作，冷却速度20℃/s，冷却终止温度660℃。将钢材直接装入已事先调为640℃的退火炉中，保温3h，保温后钢材随炉冷却到550℃后，出炉空冷。

综合上述实施例，本发明的有益效果是：

(1)本发明可以有效的去除高碳钢的残余应力，使钢材的吊运、储藏和加工过程中不至于因应力过高而产生应力延迟开裂和加工裂纹，为企业减少了异议量，增加了企业的效益。

(2)目前感应加热已成为用户主流的加热方式，此加热方式速度快、成本低、效率高，但对钢材残余应力的要求极高，高碳钢尤其要注意这点，稍微控制不当就会产生应力裂纹。本发明提供的可降低高碳钢残余应力的工艺，可有效降低高碳钢应力，完全可以满足用户此种工艺方式，满足了用户的特殊需求。

(3)相较于传统的采用球化退火处理的方式改善高碳钢残余应力的方式，此工艺无需等待钢材完全冷却即可入退火炉保温，节约了能源成本，保温时间仅需3～4个小时，节约了时间成本，提高了生产效率。

(4)本发明所述工艺方法节约了能源燃气消耗。

以上所述实施例仅为表达本公开的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本公开专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本公开的保护范围。因此，本公开专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种可降低高碳钢残余应力的工艺，包括钢坯加热过程，其特征在于：

所述钢坯加热过程包括：将所述钢坯从室温以150～200℃/h的升温速度加热到900～950℃，待所述钢坯相变为完全奥氏体化状态，以280～300℃/h的升温速度继续加热到1200～1220℃，并保温3～5h。

2.根据权利要求1所述的可降低高碳钢残余应力的工艺，其特征在于：

对钢材进行轧制时的终轧温度为850～1000℃。

3.根据权利要求2所述的可降低高碳钢残余应力的工艺，其特征在于：

所述轧制结束后，对所述钢材进行水冷处理。

4.根据权利要求3所述的可降低高碳钢残余应力的工艺，其特征在于：

所述水冷处理的冷却速度≥15℃/s，水冷处理至650～700℃。

5.根据权利要求4所述的可降低高碳钢残余应力的工艺，其特征在于：

所述水冷处理结束后，将所述钢材放入600～650℃炉中保温3～4h；

所述保温结束，将所述钢材随炉冷却到500～550℃后进行出炉空冷。

6.根据权利要求1-5任一项所述的可降低高碳钢残余应力的工艺，其特征在于：

所述钢坯是连铸坯或模铸锭。

7.根据权利要求6所述的可降低高碳钢残余应力的工艺，其特征在于：

所述高碳钢的碳含量在0.6％～1.3％之间。