CN109680127B - 一种大规格中碳合金结构圆钢的调质工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大规格中碳合金结构圆钢的调质工艺，包括淬火和回火，淬火是将钢棒先快速加热到T1℃，T1＝淬火温度+30～70℃，升温速度为S1℃/min，然后再将温度降至淬火温度，淬火保温时间为2.0～2.4min/mm，随后水冷；回火是将钢棒先快速加热到T2℃，T2＝回火温度+30～70℃，升温速度为S2℃/min，并保温t2＝0.2～0.5min/mm，然后再将温度降至回火温度，回火保温时间为0.6～1.5min/mm，随后水冷或空冷。t2为三分之一的回火保温时间及以下。升温速度S1和S2不限，以加热设备的最大能力升温。

Description

一种大规格中碳合金结构圆钢的调质工艺
技术领域
本发明适用于中碳合金结构圆钢的调质处理。应用该发明对大规格中碳合金结构圆钢进行调质后可获得良好的强度和塑性、韧性，并使得大规格调质棒材调质处理成本更低。
背景技术
合金调质钢是指经过调质处理后使用的中碳合金结构钢，主要用于制造在多种载荷(如扭转、弯曲、冲击等)下工作，受力比较复杂，要求具有良好综合力学性能的重要零件，如汽车、拖拉机、机床等上的齿轮、轴类件、连杆、高强度螺栓等。
淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。调质处理的目的是细化晶粒，并获得均匀的具有一定弥散的和优良综合力学性能的细密球状珠光体类组织—回火索氏体。常用的传统调质工艺加热曲线如图1和2所示，图1为淬火加热曲线，图2为回火加热曲线：
淬火将钢加热到AC3或AC1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)转变的热处理工艺(图1)，该方法对于大规格中碳合金结构钢进行淬火处理后，存在时间长、淬硬层较浅的缺陷。
回火是将钢淬硬后加热到AC1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺(图2)。
传统的调质工艺中，淬火工艺升温时间长，其中在600-650℃需要保温一定时间，回火工艺升温时间长，在连续式辊底炉采用传统调质工艺将严重影响淬火和回火的保温时间，产能也受到压缩。
从实际生产结果来看，采用传统的调质工艺进行调质时，当规格过大时，距离表面二分之一半径处没淬上火，厚度方向上性硬度差异较大，回火后硬度、冲击和拉伸达不到客户要求。
钢种 直径 表面硬度 距离表面25.4mm处硬度 距离表面1/2r处硬度
AISI4145M2 165.1mm 335-341HBW 323-333HBW 290-298HBW
4145MNQT 215.9mm 315-323HBW 309-315HBW 276-285HBW
4140M 110KSI 220mm 307-315HBW 297-309HBW 269-276HBW
基于目前的现状，迫切需要对大规格中碳合金圆钢的组织转变规律进行深入研究，通过试验，开发一种简便、稳定、高效、好操作的调质工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种大规格中碳合金结构圆钢的调质工艺，减小或消除钢棒在调质处理后钢棒在直径方向上性能的差异。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种大规格中碳合金结构圆钢的调质工艺，包括淬火和回火，淬火是将钢棒先快速加热到T1℃，T1＝淬火温度+30～70℃，升温速度为S1℃/min，然后再将温度降至淬火温度，淬火保温时间为2.0～2.4min/mm，随后水冷；回火是将钢棒先快速加热到T2℃，T2＝回火温度+30～70℃，升温速度为S2℃/min，并保温t2＝0.2～0.5min/mm，然后再将温度降至回火温度，回火保温时间为0.6～1.5min/mm，随后水冷或空冷。
所述t2为三分之一的回火保温时间及以下
本申请的升温速度S1和S2不限，以加热设备的最大能力升温。优选设置升温速度S1℃/min为15℃/min；升温速度S2℃/min为10℃/min。
该工艺适用于中碳合金棒材，添加必要的合金元素，添加合金元素的主要作用是增加淬透性、增大奥氏体的稳定性降低马氏体转变温度，诱导马氏体或贝氏体等特殊组织转变，对应的主要成分含量如下：
C％ Mn％ Ni％ Cr％ Cu％ Al％ Mo％
0.25-0.6 0.65-1.3 0.2-1.7 0.8-1.2 0.01-0.35 0-0.03 0.1-0.4
调质后对力学的性能要满足：保证调质后棒材从表面到皮下二分之一半径处的硬度波动不大于15HBW。
本申请调质工艺的原理性说明：
淬火时，通过将棒材先加热到T1段，是为了提高钢材奥氏体转变速度，随着加热温度的提高，原子扩散能力提高，特别是碳在奥氏体中的扩散能力提高；同时Fe-Fe3C相图中GS线与SE线间的距离加大，即增大了奥氏体中的碳浓度梯度。加热速度越快，发生转变的温度越高，转变所需的时间越短；加热速度越快，相变的过热度越高，奥氏体的形核速率大于长大速率，可获得细小的起始晶粒。
回火时，通过将棒材先加热到T1段，钢棒表层与内部的温差比常规回火工艺的温差大，根据傅里叶导热定律，热流量等于导热系数乘以面积乘以温差。钢棒的导热系数固定，在同等面积上，温差越大，热流量越大，钢棒内部升温就越快。随着棒材皮下二分之一半径处达到回火温度，钢棒需要将T2℃降至回火温度并保温一定时间，避免钢棒表层在T2℃时间过长，造成表面硬度过低，最后棒材通过高温回火得到回火索氏体组织。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本申请的调质工艺包括淬火+回火，通过将棒材先快速加热到高温段，并保温一定时间，然后降温至淬火或回火的均热段进行保温。一方面，能够显著降低淬火或回火的保温时间，整体上缩短调质作业时间；另一方面，能够减小或消除棒材径向上的性能差异，尤其是硬度差，采用本发明方法进行调质后，大规格中碳合金钢(最大规格220mm)在距离表面二分之一半径处可以淬上火，经高温回火后，可以保证棒材距离表面二分之一半径处、距离表面25.4mm处与表面硬度一致或者硬度差小于15HBW。
附图说明
图1为现有淬火的加热工艺；
图2为现有回火的加热工艺；
图3为本申请淬火和回火的加热工艺；
图4为实施例1钢进行调质后的组织(距离表面二分之一半径处)；
图5为实施例2钢进行调质后的组织(距离表面二分之一半径处)；
图6为实施例3钢进行调质后的组织(距离表面二分之一半径处)。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：钢种1成分为：C：0.45％，Si：0.32％，Mn：0.92％，P：0.013％，S：0.007％，Cr：1.13％，Ni：1.59％，Cu：0.01％，Mo：0.30％，Al：0.032％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。钢种1按该发明的方法进行调质，回火水冷，得到的回火组织(如图6所示)。
调质：包括淬火和回火，淬火是将钢棒先快速加热到T1℃，T1＝900℃，升温速度为15℃/min，然后再将温度降至淬火温度870℃，淬火保温时间为2.4min/mm，随后水冷；回火是将钢棒先快速加热到T2℃，T2＝640℃，升温速度为10℃/min，并保温0.3min/mm，然后再将温度降至回火温度610℃，回火保温时间为1.5min/mm，随后水冷或空冷。
钢进行调质后的硬度，见下表
Figure GDA0001989685560000031
实施例2：钢种2成分为：C：0.44％，Si：0.26％，Mn：1.09％，P：0.013％，S：0.003％，Cr：1.17％，Ni：0.22％，Cu：0.17％，Mo：0.33％，Al：0.029％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。钢种2按该发明的方法进行调质，回火水冷，得到的回火组织(如图5所示)。
调质：包括淬火和回火，淬火是将钢棒先快速加热到T1℃，T1＝940℃，升温速度为15℃/min，并保温7.1min/mm，然后再将温度降至淬火温度870℃，淬火保温时间为2.2-2.3min/mm，随后水冷；回火是将钢棒先快速加热到T2℃，T2＝650℃，升温速度为10℃/min，并保温0.4min/mm，然后再将温度降至回火温度620℃，回火保温时间为1.2min/mm，随后水冷或空冷。
钢进行调质后的硬度，见下表
Figure GDA0001989685560000041
实施例3：钢种3成分为：C：0.42％，Si：0.26％，Mn：1.05％，P：0.011％，S：0.003％，Cr：1.17％，Ni：0.22％，Cu：0.15％，Mo：0.32％，Al：0.024％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。钢种3按如下方法进行调质，回火水冷，得到的回火组织(如图6所示)。
调质：包括淬火和回火，淬火是将钢棒先快速加热到T1℃，T1＝940℃，升温速度为15℃/min，并保温5.8min/mm，然后再将温度降至淬火温度900℃，淬火保温时间为2.4min/mm，随后水冷；回火是将钢棒先快速加热到T2℃，T2＝670℃，升温速度为10℃/min，并保温0.5min/mm，然后再将温度降至回火温度600℃，回火保温时间为1.5min/mm，随后水冷或空冷。
钢进行调质后的硬度，见下表
Figure GDA0001989685560000042
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种大规格中碳合金结构圆钢的调质处理，其特征在于：包括淬火和回火，淬火是将钢棒先快速加热到T1℃，T1=淬火温度+30～70℃，升温速度为S1℃/min，然后再将温度降至淬火温度，淬火保温时间为2.0～2.4min/mm，随后水冷；回火是将钢棒先快速加热到T2℃，T2=回火温度+30～70℃，升温速度为S2℃/min，并保温t2=0.2～0.5min/mm，然后再将温度降至回火温度，回火保温时间为0.6～1.5min/mm，随后水冷或空冷。
2.根据权利要求1所述的大规格中碳合金结构圆钢的调质处理，其特征在于：所述t2为三分之一的回火保温时间及以下。
3.根据权利要求1所述的中碳合金结构圆钢的调质处理，其特征在于：升温速度S1℃/min为10～15℃/min；升温速度S2℃/min为10～15℃/min。
4.根据权利要求1所述的中碳合金结构圆钢的调质处理，其特征在于：该调质处理所适应的中碳合金结构圆钢的化学成分满足：按质量百分含量计含有C：0.25-0.6%， Mn：0.65-1.3%， Ni：0.2-1.7%，Cr：0.8-1.2%，Cu：0.01-0.35%，Al：0-0.03%，Mo：0.1-0.4%。
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