CN116855703B - 一种坯件的锻造工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种坯件的锻造工艺方法，属于钢材锻造的技术领域。所述锻造工艺方法包括以下步骤：1)对冶炼铸造后的钢坯进行扩散退火、锻造，得到锻造后钢坯；2)对锻造后钢坯进行正火处理、球化退火，得到半成品钢坯；3)半成品钢坯进行热处理，得到坯件；本发明通过采用两次锻造、正火后等温处理、混合粉料包覆和二次回火工序结合，并采用控制扩散退火、锻造、正火处理、球化退火和热处理等工序的温度和工艺参数显著减少偏析现象并获得力学性能优异的坯件钢材。
Description
技术领域
本发明属于钢材锻造的技术领域，涉及一种坯件的锻造工艺方法。
背景技术
坯件的锻造需要经过冶炼、退火、锻造、正火和淬火等工序。一般经过淬火处理的合金坯件具有较高的脆性和较低的韧塑性，因此通常不能直接使用。这是因为马氏体是在快速冷却条件下形成的非平衡组织(偏析现象)，使系统处于不稳定状态；同时，在淬火过程中通常难以完全消除残留的奥氏体，而这种未稳定的奥氏体有可能在使用过程中发生分解；此外，淬火后钢材内部会存在较大的残余内应力。以上种种原因导致淬火后的钢材一般不能直接使用。淬火后钢中组织以马氏体与残余奥氏体为主，经过第一次回火后转变为回火马氏体组织+残余奥氏体组织+碳化物，因为组织内部仍存在着较大的内应力，容易使得材料在使用过程中出现开裂现象。
在合金坯件出品后，需要对其进行加工，如切边、冲孔等。但由于现有合金元素材料在锻造过程中存在偏析现象，容易导致锻坯冲孔连皮位置Cr、Mn等合金元素含量较高，异常组织区域的S、Cr、Mn等元素发生明显偏聚，对应的元素含量分别为0.28％、1.33％和1.27％，这些元素导致正火处理后锻件表面容易出现偏析现象，材料偏析部位的奥氏体无法充分转变，出炉随即转变为硬度较高的贝氏体或马氏体组织，导致锻件冲孔连皮部位有明显硬质点存在，冲孔过程容易出现冲刀损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种坯件的锻造工艺方法，通过采用两次锻造、正火后等温处理、混合粉料包覆和二次回火工序结合，并采用控制扩散退火、锻造、正火处理、球化退火和热处理等工序的温度和工艺参数显著减少偏析现象并获得力学性能优异的坯件钢材。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种坯件的锻造工艺方法，所述锻造工艺方法包括以下步骤：
1)对冶炼铸造后的钢坯进行扩散退火、锻造，得到锻造后钢坯；
2)对锻造后钢坯进行正火处理、球化退火，得到半成品钢坯；
3)半成品钢坯进行热处理，得到坯件；
其中，所述锻造处理为加热至850-870℃后保温10-20min，以4℃/min匀速升温至温度1200-1220℃保温5-6h后，保温后进行两次锻造，第一次锻造处理为在温度1180-1200℃下，进行拔长、镦粗，终锻温度为980-990℃，锻造比为4.0-4.5，单次下压量不超过40％，第二次锻造处理为在温度1160-1180℃下，进行拔长、镦粗，终锻温度为970-980℃，锻造比为3.8-4.0，单次下压量不超过30％，空冷至室温；
本发明方案通过采用两次锻造，第一次锻造采用较高的锻造温度促使晶粒长大，较大的锻造比将增加坯件钢材的变形程度，结合适合的单次下压量，在提高锻造效率的同时，进一步提高细化晶粒和改善坯件钢材的均匀性，第二次锻造采用较第一次锻造较低的锻造温度则有助于细化晶粒，降低锻造比和下压量有助于细化晶粒和改善钢材的均匀性，且能有效提高坯件钢材的强度和韧性，减少材料的偏析现象。
即本发明方案通过两次锻造方式，采用较高锻造温度有助于减轻偏析现象，使成分均匀。同时，适当的锻造比和单次下压量可以促使钢材中的碳化物进行均匀分布，以提高硬度和耐磨性。
作为本发明的一种优选技术方案，所述冶炼铸造处理后钢坯按照元素组分重量百分比计算，其化学成分如下：C：0.40-0.44％、Si：1.12-1.14％、Mn：0.47-0.48％、Cr：4.9-5.1％、Mo：1.401-1.410％、V：0.98-1.01％、S：0.0012-0.0015％、Ce：0.024-0.026％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；为了减少元素的偏析现象，本发明方案通过加入适量的Ce元素，可以起到细化晶粒、组织，改善晶界的作用，Ce元素进入钢液中与O、S等元素形成稀土复合夹杂物，呈现球状分布于钢液中，在凝固时作为非自发形核的核心，提高了坯件钢材的形核率，故起到了细化晶粒的作用，减少偏析现象。
作为本发明的一种优选技术方案，所述钢坯为原材料经过真空熔炉进行冶炼铸造处理的钢坯，所述冶炼铸造处理为在冶炼炉额定功率为40kW、工作电压260V、冶炼温度1700℃下、进行熔炼、绕铸。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤1)中，所述扩散退火条件为以5℃/min加热至1250-1280℃后，保温30-40h；
作为本发明的一种优选技术方案，步骤2)中，所述正火处理为以4℃/min匀速升温至1040-1050℃，该温度为完全奥氏体化温度以上30-50℃，保温1-1.5h，经中冷区风冷后转移至等温炉，加热至600-620℃保温3.5-4.0h后，空冷至室温，等温处理的目的是为了让晶界附近富集的合金元素充分溶于奥氏体中，并使得晶粒细化与提高碳化物分布的均匀性，进而减少偏析现象。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤2)中，还包括采用混合粉料包覆正火处理后的钢坯，包覆后的钢坯进行球化退火处理；其中，所述混合粉料为镁砂和硅粉按1：2.0-2.2混合而成；在此设计中，镁砂和硅粉的包覆作用，可以有效地促进坯件钢材的球化，提高其晶粒度，从而提高机械性能，且能有效防止金属元素氧化；另外，硅粉可以通过与坯件钢材的氧和硫等杂质形成渣滓，使其均匀分散在钢材表面，通过后续加工工序的结合，进一步减少钢中的夹杂物，提高坯件钢材的纯净度和杂质控制能力，减少偏析现象。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤2)中，球化退火处理为以4℃/min升温至830-850℃保温2.0-2.5h后，再以20℃/h的速度冷却至730-750℃保温4.5-5.0h，再以25℃/h的速度冷却至480-500℃，随后随炉冷却至室温。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤3)中，所述热处理为以4℃/min升温至1040-1050℃，保温30-45min后，油冷至室温后，进行回火处理。
作为本发明的一种优选技术方案，所述回火处理包括一次回火和二次回火，所述一次回火和二次回火均为加热至580-600℃保温2.0-2.5h，空冷至室温；本发明通过进行二次回火，避免材料在使用过程中出现开裂现象，经过二次回火后得到回火托氏体组织，消除了残余内应力。
本发明的有益效果：
本发明方案通过采用两次锻造、正火后等温处理、混合粉料包覆和二次回火工序结合，并采用控制扩散退火、锻造、正火处理、球化退火和热处理等工序的温度和工艺参数显著减少偏析现象并获得力学性能优异的坯件钢材。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
所述钢坯按照元素组分重量百分比计算，其化学成分如下：C：0.40％、Si：1.12％、Mn：0.47％、Cr：4.9％、Mo：1.401％、V：0.98％、S：0.0012％、Ce：0.024％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
一种坯件的锻造工艺方法，所述锻造工艺方法包括以下步骤：
1)将原材料经过真空熔炉在冶炼炉额定功率为40kW、工作电压260V、冶炼温度1700℃下、进行熔炼、绕铸，得到钢坯；
对冶炼铸造后的钢坯进行扩散退火、锻造，得到锻造后钢坯；
其中，所述扩散退火条件为以5℃/min加热至1250℃后，保温30-40h；
所述锻造处理为加热至850℃后保温10min，以4℃/min匀速升温至温度1200℃保温5h后，保温后进行两次锻造；
第一次锻造处理为在温度1180℃下，进行拔长、镦粗，终锻温度为980℃，锻造比为4.0，单次下压量不超过40％；
第二次锻造处理为在温度1160℃下，进行拔长、镦粗，终锻温度为970℃，锻造比为3.8，单次下压量不超过30％，空冷至室温；
2)对锻造后钢坯进行正火处理、球化退火，得到半成品钢坯；
其中，所述正火处理为以4℃/min匀速升温至1040℃保温1h，经中冷区风冷后转移至等温炉，加热至600℃保温3.5h后，空冷至室温；采用混合粉料包覆正火处理后的钢坯，包覆后的钢坯进行球化退火处理；所述混合粉料为镁砂和硅粉按1：2.0混合而成；
球化退火处理为以4℃/min升温至830℃保温2.0h后，再以20℃/h的速度冷却至730℃保温4.5h，再以25℃/h的速度冷却至480-500℃，随后随炉冷却至室温；
3)半成品钢坯进行热处理，得到坯件；
其中，所述热处理为以4℃/min升温至1040℃，保温30min后，油冷至室温后，进行回火处理；
所述回火处理包括一次回火和二次回火；
所述一次回火为加热至580℃保温2.0h，空冷至室温；
所述二次回火为加热至580℃保温2.0h，空冷至室温。
实施例2
所述钢坯按照元素组分重量百分比计算，其化学成分如下：C：0.42％、Si：1.13％、Mn：0.475％、Cr：5.0％、Mo：1.405％、V：0.99％、S：0.0014％、Ce：0.025％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
一种坯件的锻造工艺方法，所述锻造工艺方法包括以下步骤：
1)将原材料经过真空熔炉在冶炼炉额定功率为40kW、工作电压260V、冶炼温度1700℃下、进行熔炼、绕铸，得到钢坯；
对冶炼铸造后的钢坯进行扩散退火、锻造，得到锻造后钢坯；
其中，所述扩散退火条件为以5℃/min加热至1265℃后，保温35h；
所述锻造处理为加热至860℃后保温15min，以4℃/min匀速升温至温度1210℃保温5.5h后，保温后进行两次锻造；
第一次锻造处理为在温度1190℃下，进行拔长、镦粗，终锻温度为980-990℃，锻造比为4.2，单次下压量不超过40％；
第二次锻造处理为在温度1170℃下，进行拔长、镦粗，终锻温度为975℃，锻造比为3.9，单次下压量不超过30％，空冷至室温；
2)对锻造后钢坯进行正火处理、球化退火，得到半成品钢坯；
其中，所述正火处理为以4℃/min匀速升温至1045℃保温1.2h，经中冷区风冷后转移至等温炉，加热至610℃保温3.8h后，空冷至室温；采用混合粉料包覆正火处理后的钢坯，包覆后的钢坯进行球化退火处理；所述混合粉料为镁砂和硅粉按1：2.0-2.2混合而成；
球化退火处理为以4℃/min升温至840℃保温2.2h后，再以20℃/h的速度冷却至740℃保温4.8h，再以25℃/h的速度冷却至490℃，随后随炉冷却至室温；
3)半成品钢坯进行热处理，得到坯件；
其中，所述热处理为以4℃/min升温至1045℃，保温38min后，油冷至室温后，进行回火处理；
所述回火处理包括一次回火和二次回火；
所述一次回火为加热至590℃保温2.2h，空冷至室温；
所述二次回火为加热至590℃保温2.2h，空冷至室温。
实施例3
所述钢坯按照元素组分重量百分比计算，其化学成分如下：C：0.44％、Si：1.14％、Mn：0.48％、Cr：5.1％、Mo：1.410％、V：1.01％、S：0.0015％、Ce：0.026％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
一种坯件的锻造工艺方法，所述锻造工艺方法包括以下步骤：
1)将原材料经过真空熔炉在冶炼炉额定功率为40kW、工作电压260V、冶炼温度1700℃下、进行熔炼、绕铸，得到钢坯；
对冶炼铸造后的钢坯进行扩散退火、锻造，得到锻造后钢坯；
其中，所述扩散退火条件为以5℃/min加热至1280℃后，保温40h；
所述锻造处理为加热至870℃后保温20min，以4℃/min匀速升温至温度1220℃保温6h后，保温后进行两次锻造；
第一次锻造处理为在温度1200℃下，进行拔长、镦粗，终锻温度为990℃，锻造比为4.5，单次下压量不超过40％；
第二次锻造处理为在温度1180℃下，进行拔长、镦粗，终锻温度为980℃，锻造比为4.0，单次下压量不超过30％，空冷至室温；
2)对锻造后钢坯进行正火处理、球化退火，得到半成品钢坯；
其中，所述正火处理为以4℃/min匀速升温至1050℃保温1.5h，经中冷区风冷后转移至等温炉，加热至620℃保温4.0h后，空冷至室温；采用混合粉料包覆正火处理后的钢坯，包覆后的钢坯进行球化退火处理；所述混合粉料为镁砂和硅粉按1：2.2混合而成；
球化退火处理为以4℃/min升温至850℃保温2.5h后，再以20℃/h的速度冷却至750℃保温5.0h，再以25℃/h的速度冷却至500℃，随后随炉冷却至室温；
3)半成品钢坯进行热处理，得到坯件；
其中，所述热处理为以4℃/min升温至1050℃，保温45min后，油冷至室温后，进行回火处理；
所述回火处理包括一次回火和二次回火；
所述一次回火为加热至600℃保温2.5h，空冷至室温；
所述二次回火为加热至600℃保温2.5h，空冷至室温。
对比例1
步骤1)将原材料经过真空熔炉在冶炼炉额定功率为40kW、工作电压260V、冶炼温度1700℃下、进行熔炼、绕铸，得到钢坯；
对冶炼铸造后的钢坯进行扩散退火、锻造，得到锻造后钢坯；
其中，所述扩散退火条件为以5℃/min加热至1280℃后，保温40h；
所述锻造处理为加热至870℃后保温20min，以4℃/min匀速升温至温度1220℃保温6h后，保温后进行一次锻造，在温度1200℃下，进行拔长、镦粗，终锻温度为990℃，锻造比为4.5，单次下压量不超过40％，空冷至室温；
与实施例3相比，不同之处在于步骤1)的锻造处理，其余组分、制备步骤和参数均一致。
对比例2
1)将原材料经过真空熔炉在冶炼炉额定功率为40kW、工作电压260V、冶炼温度1700℃下、进行熔炼、绕铸，得到钢坯；
对冶炼铸造后的钢坯进行扩散退火、锻造，得到锻造后钢坯；
其中，所述扩散退火条件为以5℃/min加热至1280℃后，保温40h；
所述锻造处理为加热至870℃后保温20min，以4℃/min匀速升温至温度1220℃保温6h后，保温后进行一次锻造，在温度1180℃下，进行拔长、镦粗，终锻温度为980℃，锻造比为4.0，单次下压量不超过30％，空冷至室温；
与实施例3相比，不同之处在于步骤1)的锻造处理，其余组分、制备步骤和参数均一致。
对比例3
步骤2)对锻造后钢坯进行正火处理、球化退火，得到半成品钢坯；
其中，所述正火处理为以4℃/min匀速升温至1050℃保温1.5h，空冷至室温后转移至等温炉，加热至620℃保温4.0h后，空冷至室温；采用混合粉料包覆正火处理后的钢坯，包覆后的钢坯进行球化退火处理；所述混合粉料为镁砂和硅粉按1：2.2混合而成；
球化退火处理为以4℃/min升温至850℃保温2.5h后，再以20℃/h的速度冷却至750℃保温5.0h，再以25℃/h的速度冷却至500℃，随后随炉冷却至室温；
与实施例3相比，不同之处在于步骤2)的正火处理，其余组分、制备步骤和参数均一致。
对比例4
与实施例3相比，不同之处在于，对比例4在步骤2)中，不使用混合粉料，其余组分、制备步骤和参数均一致。
对比例5
与实施例3相比，不同之处在于，对比例5在步骤2)中，不使用硅粉，其余组分、制备步骤和参数均一致。
对比例6
与实施例3相比，不同之处在于，对比例6在步骤2)中，不使用镁砂，其余组分、制备步骤和参数均一致。
对比例7
在步骤2)中，所述正火处理为以4℃/min匀速升温至1050℃保温1.5h，经中冷区风冷至室温；采用混合粉料包覆正火处理后的钢坯，包覆后的钢坯进行球化退火处理；所述混合粉料为镁砂和硅粉按1：2.2混合而成；
球化退火处理为以4℃/min升温至850℃保温2.5h后，再以20℃/h的速度冷却至750℃保温5.0h，再以25℃/h的速度冷却至500℃，随后随炉冷却至室温；
与实施例3相比，不同之处在于步骤2)正火处理，其余组分、制备步骤和参数均一致。
对比例8
在步骤2)中，所述正火处理为以4℃/min匀速升温至1050℃保温1.5h，经中冷区风冷后转移至等温炉，加热至620℃保温4.0h后，空冷至室温；采用混合粉料包覆正火处理后的钢坯，包覆后的钢坯进行球化退火处理；所述混合粉料为镁砂和硅粉按1：2.2混合而成；
球化退火处理为以4℃/min升温至850℃保温7.5h后，随后随炉冷却至室温；
与实施例3相比，不同之处在于步骤2)中的球化退火处理，其余组分、制备步骤和参数均一致。
对比例9
在步骤3)中，所述热处理为以4℃/min升温至1050℃，保温45min后，油冷至室温后，进行回火处理，加热至600℃保温5h，空冷至室温；
与实施例3相比，不同之处在于，对比例9只进行一次回火处理，其余组分、制备步骤和参数均一致。
对实施例1-3制备的坯件进行综合性能测试，其测试结果如表1所示，将实施例1-3和对比例1-9制备的坯件分别金相检测其测试结果如表2所示。
表1
从表1测试结果可知，实施例1-3制备坯件的抗拉强度平均为638.3MPa，坯件的屈服强度均超过466MPa，说明本发明制备的坯件具有较好的力学性能。
表2
从表2测试结果可知，实施例1-3与对比例1-9相比，本发明实施例1-3的晶粒度均大于7.5级，金相组织细密并均匀，没有明显的晶界断裂和缺陷。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种坯件的锻造工艺方法，其特征在于，所述锻造工艺方法包括以下步骤：
1）对冶炼铸造后的钢坯进行扩散退火、锻造，得到锻造后钢坯；所述钢坯按照元素组分重量百分比计算，其化学成分如下：C：0.40-0.44％、Si：1.12-1.14％、Mn：0.47-0.48％、Cr：4.9-5.1％、Mo：1.401-1.410％、V：0.98-1.01％、S：0.0012-0.0015％、Ce：0.024-0.026％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
2）对锻造后钢坯进行正火处理、球化退火，得到半成品钢坯；
3）半成品钢坯进行热处理，得到坯件；
其中，所述锻造处理为加热至850-870℃后保温10-20min，以4℃/min匀速升温至温度1200-1220℃保温5-6h后，保温后进行两次锻造，第一次锻造处理为在温度1180-1200℃下，进行拔长、镦粗，终锻温度为980-990℃，锻造比为4.0-4.5，单次下压量不超过40%，第二次锻造处理为在温度1160-1180℃下，进行拔长、镦粗，终锻温度为970-980℃，锻造比为3.8-4.0，单次下压量不超过30%，空冷至室温；
在步骤2）中，所述正火处理为以4℃/min匀速升温至1040-1050℃保温1-1.5h，经中冷区风冷后转移至等温炉，加热至600-620℃保温3.5-4.0h后，空冷至室温；
在步骤2）中，还包括采用混合粉料包覆正火处理后的钢坯，包覆后的钢坯进行球化退火处理；其中，所述混合粉料为镁砂和硅粉按1：2.0-2.2混合而成。
2.根据权利要求1所述的一种坯件的锻造工艺方法，其特征在于：所述钢坯为原材料经过真空熔炉进行冶炼铸造处理的钢坯，所述冶炼铸造处理为在冶炼炉额定功率为40kW、工作电压260V、冶炼温度1700℃下、进行熔炼、绕铸。
3.根据权利要求1所述的一种坯件的锻造工艺方法，其特征在于：在步骤1）中，所述扩散退火条件为以5℃/min加热至1250-1280℃后，保温30-40h。
4.根据权利要求1所述的一种坯件的锻造工艺方法，其特征在于：在步骤2）中，球化退火处理为以4℃/min升温至830-850℃保温2.0-2.5h后，再以20℃/h的速度冷却至730-750℃保温4.5-5.0h，再以25℃/h的速度冷却至480-500℃，随后随炉冷却至室温。
5.根据权利要求1所述的一种坯件的锻造工艺方法，其特征在于：在步骤3）中，所述热处理为以4℃/min升温至1040-1050℃，保温30-45min后，油冷至室温后，进行回火处理。
6.根据权利要求5所述的一种坯件的锻造工艺方法，其特征在于：所述回火处理包括一次回火和二次回火，所述一次回火和二次回火均为加热至580-600℃保温2.0-2.5h，空冷至室温。
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