CN111778441A - 一种超高强度和塑性1045钢的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于1045钢的制备技术领域。为了获得同时具备高强度和塑性的1045钢，本发明提出了一种制备超高强度和塑性1045钢的方法。该超高强度和塑性1045钢的制备方法，具体包括以下步骤：步骤S1，秤取反应原料；按质量百分比计，反应原料包括Fe2O3粉末、Al粉末、C粉末、Si粉末、Mn粉末以及Fe粉末；步骤S2，对反应原料进行混合处理,并对混合后的反应原料进行加压处理，获得圆饼状坯体；步骤S3，进行铝热反应，制备1045钢铸锭。步骤S4，对获得的1045钢铸锭进行轧制量为85％的轧制和温度为400℃、时间为1～3h的退火处理，得到超高强度和塑性的1045钢。采用本发明的方法不仅可以制备获得超高强度和塑性的1045钢，而且可以降低制造成本，提高生产效率。

Description

一种超高强度和塑性1045钢的制备方法
技术领域
本发明属于1045钢的制备技术领域，具体涉及一种超高强度和塑性1045钢的制备方法。
背景技术
1045钢具有良好的成形性能并且价格低廉，是一种工业生产中非常常用的钢铁材料。然而，由于合金强化少导致其强度并不高，限制了其更广泛的应用，由此在实际使用过程中会通过不同方式对钢铁材料进行强化处理，例如固溶强化、细晶强化以及应变强化。其中，通过冷变形的应变强化是工业生产中常用的方法之一，但是材料冷轧变形后的塑性会受到很大的损失，导致材料的塑性大幅度降低，同样影响和限制了1045钢的使用和推广。
发明内容
为了获得同时具备高强度和塑性的1045钢，本发明提出了一种可以制备由微米晶/超细晶铁素体、片层状珠光体、破碎的渗碳体颗粒以及析出的纳米渗碳体颗粒组成的超高强度和塑性1045钢的方法，其具体制备过程包括以下步骤：
步骤S1，秤取反应原料；按质量百分比计，反应原料包括Fe2O3粉末55～56％、Al粉末18～19％、C粉末0.003～0.004％、Si粉末0.002～0.004％、Mn粉末0.004～0.006％以及Fe粉末25～26％；
步骤S2，对反应原料进行混合处理,并对混合后的反应原料进行加压处理，获得圆饼状坯体；
步骤S3，首先将坯体放入燃烧合成反应釜内，并在坯体上表面放置引燃剂；接着向反应釜内充入0.5MPa氩气并开始加热，待反应釜内温度加热至200℃时，对反应釜进行气体排放；然后再次向反应釜内充入4MPa氩气并继续加热，待反应釜内温度加热至260℃时，在反应釜内发生铝热反应；最后待铝热反应完成并冷却至室温后，获得1045钢铸锭；
步骤S4，对获得的1045钢铸锭进行轧制和退火处理，获得超高强度和塑性1045钢；其中，轧制变形量为85％，退火温度为400℃，退火时间为1～3h。
优选的，在所述步骤S4中，对步骤S3中获得的1045钢铸锭进行退火时间为1h。
优选的，在所述步骤S2中，首先借助QM-1SP4行星式球磨机对反应原料进行混合处理，其中，将球磨机的转速设定为150r/min，将球料比设定为2：1，进行8h的混合，并且每隔2h改变球磨机的转向，保证反应原料的均匀混合，然后将混合均匀的反应物料放置在Y32-100t液压机上，压制成圆饼状坯体。
优选的，在所述步骤S2中，采用15MPa～45MPa的压力对反应原料进行坯体压制。
优选的，在所述步骤S4中，选用二辊热冷轧机进行轧制，并且轧辊转速为17r/min，轧制速度为0.2～0.6m/s，每次轧制的压下量为5％。
优选的，在所述步骤S4中，首先对所述步骤S3中获得的1045钢铸锭进行上下表面的打磨光滑处理，然后再进行轧制处理。
在本发明的方法中，通过选用成本低廉的Fe2O3粉末、Al粉末、C粉末、Si粉末、Mn粉末以及Fe粉末，并且通过低成本、低能耗的铝热反应制备获得1045钢铸锭，再经过对1045钢铸锭依次进行轧制量为85％的轧制处理以及退火温度为400℃、退火时间为1～3h的退火处理后获得具备超高强度和塑性的1045钢。这样，不仅可以通过低成本、低能耗的方法制备获得1045钢，降低了制备超高强度和塑性1045钢的成本，提高了制备1045钢的效率，而且获得了具备超高强度和塑性的1045钢，满足其在不同领域的推广和应用。
附图说明
图1为实施例1中制备超高强度和塑性1045钢的流程示意图；
图2为实施例1中获得1045钢试样的SEM扫描照片；
图3为图2中A区域的局部放大示意图；
图4为图3中B区域的局部放大示意图；
图5为实施例1中获得1045钢试样的渗碳体颗粒尺寸统计图；
图6为实施例1中获得1045钢试样的断口SEM扫描照片；
图7为对图6作进一步放大后的断口SEM扫描照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。
实施例1
结合图1所示，制备超高强度和塑性1045钢的具体过程如下：
步骤S1，秤取反应原料。按质量百分比计，反应原料包括Fe2O3粉末55.42％、Al粉末18.92％、C粉末0.0034％、Si粉末0.003％、Mn粉末0.005％以及Fe粉末25.39％。
步骤S2，对反应原料进行混合处理,并对混合后的反应原料进行加压处理，获得圆饼状坯体。
在本实施例中，首先借助QM-1SP4行星式球磨机对反应原料进行混合处理。其中，将球磨机的转速设定为150r/min，将球料比设定为2：1，进行8h的混合，并且每隔2h改变球磨机的转向，保证反应原料的均匀混合。然后将混合均匀的反应物料放置在Y32-100t液压机上，并且在15～45MPa的压力作用下，在模具中将反应原料压制成直径为80mm、高度约15～20mm圆饼状坯体。
步骤S3，进行铝热反应制备获得1045钢铸锭。
首先，将坯体放入燃烧合成反应釜内，并在坯体上表面放置3g的薄片状引燃剂。接着，向反应釜内充入0.5MPa氩气并开始加热，待反应釜内温度加热至200℃时，对反应釜内的气体进行排放。然后，再次向反应釜内充入4MPa氩气并继续加热，待反应釜内温度加热至260℃时，引燃剂被点燃，反应物料与引燃剂接触瞬间也达到燃烧温度，发生铝热反应。最后，待反应釜内的铝热反应完成并冷却至室温后，即可获得1045钢铸锭。
步骤S4，对获得的1045钢铸锭进行轧制和退火处理，获得编号为1045-85％-400℃-1h的1045钢试样。
其中，轧制过程中，选用二辊热冷轧机进行轧制，并且轧辊转速为17r/min，轧制速度为0.2～0.6m/s，每次轧制的压下量为5％，最终达到85％的累积轧制变形量。退火处理中，采用SX-4-10箱式热处理炉，退火温度设定为400℃，退火时间为1h。
优选的，在对步骤S3中获得的1045钢铸锭进行机械处理前，预先对其进行上下表面的打磨光滑处理，清除其表面的杂质，保证后续机械处理的有效性。与此同时，还可以通过线切割的方式将整块圆柱形的试样铸锭切割为长条状结构，以便于后续进行轧制处理的操作以及对轧制变形量的准确控制。
实施例2
采用与实施例1相同的方法进行1045钢的制备，其区别仅在于，在步骤S4中，对步骤S3中获得的1045钢铸锭进行退火时间为2h，获得编号为1045-85％-400℃-2h的1045钢试样。
实施例3
采用与实施例1相同的方法进行1045钢的制备，其区别仅在于，在步骤S4中，对步骤S3中获得的1045钢铸锭进行退火处理的时间为3h，获得编号为1045-85％-400℃-3h的1045钢试样。
对比例1
采用与实施例1相同的方法进行1045钢的制备，其区别仅在于，对步骤S3中获得的1045钢铸锭只进行表面打磨处理，获得编号为1045-0-0-0的1045钢试样。
对比例2
采用与实施例1相同的方法进行1045钢的制备，其区别仅在于，在步骤S4中，对步骤S3中获得的1045钢铸锭只进行轧制变形量为70％的处理，获得编号为1045-70％-0-0的1045钢试样。
对比例3
采用与实施例1相同的方法进行1045钢的制备，其区别仅在于，在步骤S4中，对步骤S3中获得的1045钢铸锭只进行轧制变形量为85％的处理，获得编号为1045-85％-0-0的1045钢试样。
对比例4
采用与实施例1相同的方法进行1045钢的制备，其区别仅在于，在步骤S4中，对步骤S3中获得的1045钢铸锭进行退火处理的温度为300℃，获得编号为1045-85％-300℃-1h的1045钢试样。
对比例5
采用与实施例1相同的方法进行1045钢的制备，其区别仅在于，在步骤S4中，对步骤S3中获得的1045钢铸锭进行退火处理的温度为500℃，获得编号为1045-85％-500℃-1h的1045钢试样。
接下来，对实施例1中获得的1045钢试样进行组织结构检测分析，分别获得图2所示的SEM扫描照片，图3所示图2中A区域的放大示意图，图4所示图3中B区域的放大示意图，图5所示的渗碳体颗粒尺寸统计图以及图6和图7所示的两张断口SEM扫描照片。
通过图2所示的SEM扫描照片可以看出，在实施例1中制备获得的1045钢试样中，大部分渗碳体片层从宏观上仍然处于片层状，只有部分被挤压、弯曲或着破碎，但是通过对这些渗碳体片层进行放大，在图3中可以清晰地观察到一些渗碳体颗粒的存在。进一步，通过对图2中渗碳体颗粒尺寸进行统计，获得了图5所示的渗碳体颗粒尺寸统计分布图，其中大部分渗碳体颗粒的尺寸分布在50nm左右，个别尺寸较大100nm以上颗粒的存在是由渗碳体片层破碎带来的。同时，通过对图3中B处区域放大获得的图4可以更加清楚的观察到，在400℃退火状态下片层珠光体为主导，表面镶嵌部分纳米渗碳体颗粒。再进一步，通过图6和图7所示的断口SEM扫描照片，可以观察到大量由破碎的渗碳体颗粒形核生成的韧窝，并且在局部放大的图片中可以观察到球状渗碳体颗粒，而且经过退火高温处理后有更多、更细小渗碳体颗粒的析出，它们又作为形核中心导致了更多的细小的韧窝，而这些小韧窝聚集在一起呈纤维状。因此，在实施例1中获得的由微米晶/超细晶铁素体、片层状珠光体、破碎的渗碳体颗粒以及析出的纳米渗碳体颗粒组成的1045钢。
再接下来，在室温环境中，对实施例1至实施例3以及对比例1至对比例5中获得1045钢分别进行力学性能分析，包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和硬度，获得如表1所示数据。
表1
Figure BDA0002576686520000071
根据表1所示，相较于对比例1、对比例2和对比例3，采用实施例1至实施例3的方法制备1045钢的过程中，通过对铝热反应制备获得的1045钢铸锭进行轧制处理可以大幅度提升其屈服强度、抗拉强度、硬度和延伸率，但是随着轧制量的增加，其延伸率开始降低，尤其是当轧制量达到85％时，其延伸率下降至3.1％，相较于铸锭态的延伸率下降幅度达到了80.6％，但是通过实施例1至实施例3中的后续退火处理后，不仅使屈服强度、抗拉强度和强度得到进一步的提升，而且其延伸率得到大幅度的回升，获得了在屈服强度、抗拉强度、强度和延伸率方面综合提升的效果。
根据表1所示，相较于实施例2和实施例3，通过采用实施例1的方法将退火处理的时间控制在1h，不仅可以在保证延伸率稳定情况下，进一步提升屈服强度、抗拉强度和硬度的效果，获得超高强度和塑性的1045钢，而且可以将整个制备时间有效缩短，降低制备成本，提高制备效率。
根据表1所示，相较于对比例4和对比例5，通过采用实施例1的方法将退火温度控制在400℃，这样不仅可以使轧制过程中被削弱的延伸率得到有效的恢复，而且还进一步提升了屈服强度、抗拉强度和硬度，达到了1045钢所具备的超高强度和塑性要求。

Claims (6)

1.一种超高强度和塑性1045钢的制备方法，其特征在于，该超高强度和塑性1045钢由微米晶/超细晶铁素体、片层状珠光体、破碎的渗碳体颗粒以及析出的纳米渗碳体颗粒组成，其具体制备过程包括以下步骤：
步骤S1，秤取反应原料；按质量百分比计，反应原料包括Fe2O3粉末55～56％、Al粉末18～19％、C粉末0.003～0.004％、Si粉末0.002～0.004％、Mn粉末0.004～0.006％以及Fe粉末25～26％；
步骤S2，对反应原料进行混合处理,并对混合后的反应原料进行加压处理，获得圆饼状坯体；
步骤S3，首先将坯体放入燃烧合成反应釜内，并在坯体上表面放置引燃剂；接着向反应釜内充入0.5MPa氩气并开始加热，待反应釜内温度加热至200℃时，对反应釜进行气体排放；然后再次向反应釜内充入4MPa氩气并继续加热，待反应釜内温度加热至260℃时，在反应釜内发生铝热反应；最后待铝热反应完成并冷却至室温后，获得1045钢铸锭；
步骤S4，对获得的1045钢铸锭进行轧制和退火处理，获得超高强度和塑性1045钢；其中，轧制变形量为85％，退火温度为400℃，退火时间为1～3h。
2.根据权利要求1所述超高强度和塑性1045钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，对步骤S3中获得的1045钢铸锭进行退火时间为1h。
3.根据权利要求1所述超高强度和塑性1045钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，首先借助QM-1SP4行星式球磨机对反应原料进行混合处理，其中，将球磨机的转速设定为150r/min，将球料比设定为2：1，进行8h的混合，并且每隔2h改变球磨机的转向，保证反应原料的均匀混合，然后将混合均匀的反应物料放置在Y32-100t液压机上，压制成圆饼状坯体。
4.根据权利要求1所述超高强度和塑性1045钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用15MPa～45MPa的压力对反应原料进行坯体压制。
5.根据权利要求1所述超高强度和塑性1045钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，选用二辊热冷轧机进行轧制，并且轧辊转速为17r/min，轧制速度为0.2～0.6m/s，每次轧制的压下量为5％。
6.根据权利要求1所述超高强度和塑性1045钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，首先对所述步骤S3中获得的1045钢铸锭进行上下表面的打磨光滑处理，然后再进行轧制处理。
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