CN114317897A - 一种超强高韧渗碳钢棒材和锻件的预备热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料加工领域,涉及一种超强高韧渗碳钢棒材和锻件的预备热处理工艺,首先对经过热塑性成形的棒料和锻件进行一次高温回火,加热温度为670~710℃,保温时间为8~20h,炉冷或空冷至室温;然后进行不完全退火,加热温度为950~1000℃,保温时间为1~3小时,炉冷或空冷至室温;最后进行二次高温回火,加热温度为670~710℃,保温时间为8~20h,炉冷或空冷至室温。经过上述预备热处理,既消除了超强高韧渗碳钢棒材和锻件塑性成形前高温加热所造成的组织遗传,使最终热处理后获得细小的晶粒,又降低了棒材或锻件的硬度,消除了残余应力,改善了切削加工性能。
Description
技术领域
本发明属于材料加工领域,涉及一种超强高韧渗碳钢棒材和锻件的预备热处理工艺。
背景技术
齿轮、轴承、传动轴和主轴是航空发动机、直升机、高速列车、重型汽车及风电装置等机械传动***的关键零部件,在重载、高速、剧烈状态变化和复杂应力条件等工况下服役,要求其具备高的承载能力和良好的耐热、耐磨性能,从而保证传动***具有高的可靠性和耐久性。为了满足重载齿轮、轴承、传动轴和主轴的使用要求,钢材应具有优异的超高强度和高韧性,良好的表层超硬化性能和耐热性。
预备热处理是棒材和锻件机械加工和最终热处理前所必须进行的热处理。通过预备热处理可降低棒材和锻件的硬度,消除残余应力,消除组织遗传,并为最终热处理做好组织准备。高合金钢常用的预备热处理工艺有正火+高温回火、退火和高温回火等。正火温度通常接近或高于淬火温度。相关文献表明,AerMet100超高强度钢的预备热处理工艺为正火+高温回火。正火温度为899±14℃,保温时间1h,空冷;回火温度为677±14℃,保温时间不少于16h,空冷。预备热处理后硬度不大于372HB。M54超高强度钢的预备热处理工艺为正火+高温回火。正火温度为1074±14℃,保温时间不少于1h,空冷;回火温度为624~679℃,保温时间不少于8h,空冷。预备热处理后硬度不大于429HB。S53超高强度不锈钢的预备热处理工艺为正火+冷处理+高温回火。正火温度为1080±20℃,保温时间不少于1h,空冷;冷处理温度为-73℃或更低,冷却时间不少于1h;回火温度为680±14℃,保温时间7.5~10h,空冷。预备热处理后硬度不大于372HB。C61和C64渗碳钢的预备热处理工艺为正火+高温回火,正火温度为974±14℃,保温时间不少于1h,空冷;回火温度为679±14℃,保温时间不少于2h,空冷。预备热处理后硬度不大于352HB。M50NiL渗碳钢的预备热处理工艺为高温回火。加热温度为705℃,保温时间按4.7min/mm计算,空冷。预备热处理后硬度不大于255HB。M50轴承钢的预备热处理工艺为退火(连续退火或不完全退火)。连续退火加热温度为810~830℃,保温时间2~3h,炉冷至550℃出炉空冷;等温退火加热温度为为840~850℃,保温时间3~4h,然后炉冷至720~730℃,保温3~5h,然后炉冷至550℃出炉空冷。预备热处理后硬度为197~241HB。
超强高韧渗碳钢是一种高合金沉淀硬化型马氏体钢,具有优越的超高强度、高韧性,耐热性和表层超硬化性能,可应用于高功率密度传动***的齿轮、轴承、传动轴和主轴等零部件,可有效提高构件的承载能力和使用寿命,实现结构减重。
由于钢中含较多的Co、Ni、Cr、Mo等元素,钢的淬透性和回火抗力很高,钢件加热奥氏体后,无论缓冷或快冷均可得到马氏体组织。因此,经过热塑性变形的棒材或锻件在空冷或缓冷过程中将发生马氏体转变,硬度和残余应力较高,切削加工性能较差。此外,由于锻造或轧制前的加热温度较高,冷却后获得的马氏体组织具有组织遗传倾向,易于导致最终热处理后原奥氏体粗大晶粒的复原。因此,热塑性变形后的棒材或锻件必须进行预备热处理,以降低硬度,消除组织遗传的残余应力。淬火马氏体组织在回火过程中,随温度升高,过饱和α相中将依次析出ε碳化物、渗碳体、M2C碳化物和M6C碳化物等。回火温度进一步升高,将发生马氏体向奥氏体的逆转变。由于超强高韧渗碳钢的过饱和α相具有很强的回复和再结晶抗力,故高温回火后基体组织仍保持马氏体晶***相。可见,高温回火虽然降低了α相的过饱和度和硬度,减弱了组织遗传,但不能完全消除。如何通过预备热处理以降低棒材和锻件的硬度,消除组织遗传,是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是:提供一种超强高韧渗碳钢棒材及锻件的预备热处理工艺,经过预备热处理,既消除了超强高韧渗碳钢棒材和锻件塑性成形前高温加热所造成的组织遗传,使最终热处理后获得细小的晶粒,又降低了棒材或锻件的硬度,消除了残余应力,改善了切削加工性能。
为解决此技术问题,本发明的技术方案是:
一种超强高韧渗碳钢棒材和锻件的预备热处理工艺,采用一次高温回火+不完全退火+二次高温回火的热处理工艺;
一次高温回火具体工艺为:
钢件随炉升温或到温入炉,加热温度为670~710℃,保温时间为8~20小时,根据钢件尺寸大小、装炉量和堆放情况对保温时间进行适当调整,保温结束后冷却。
由于超强高韧渗碳钢的的淬透性和回火抗力很高,钢件加热奥氏体后,无论缓冷或快冷均可得到马氏体组织,无法得到铁素体和珠光体组织。钢的内应力较大,硬度较高。因此,为了消除应力,降低硬度,减弱组织遗传性,增强不完全退火的效果,需要在热塑性变形后、退火加热前,进行一次高温回火。试验发现,在670~710℃保温8~20h进行回火,马氏体中析出大量平衡碳化物,α相过饱和度大大降低,钢的硬度最低。
所述不完全退火工艺为:钢件随炉升温或到温入炉,加热温度为950~1000℃,保温时间为1~3小时,根据钢件尺寸大小、装炉量和堆放情况对保温时间进行适当调整。保温结束后冷却。
由于超强高韧渗碳钢的的淬透性和回火抗力很高,钢件加热奥氏体后,无论缓冷或快冷均可得到马氏体组织,钢的组织遗传倾向很大。过饱和α相具有很强的回复和再结晶抗力,故高温回火后基体组织仍保持马氏体晶***相。高温回火虽然降低了α相的过饱和度和硬度,减弱了组织遗传,但不能完全消除,因此,需要在高温回火后进行不完全退火。试验发现,在950~1000℃进行不完全退火,钢处于奥氏体与碳化物共存区,碳化物钉扎奥氏体晶界,阻碍晶粒长大,从而使冷却后获得的马氏体组织细化,消除了组织遗传。
所述二次高温回火工艺为:钢件随炉升温或到温入炉,加热温度为670~710℃,保温时间为8~20小时,根据钢件尺寸大小、装炉量和堆放情况对保温时间进行适当调整。保温结束后冷却。
虽然不完全退火得到的马氏体中固溶的碳及合金元素含量较低,硬度低于正火和完全退火所得到的马氏体组织,但仍属于非平衡组织,不能作为预备热处理。由于不完全退火组织由马氏体和大量碳化物组成,马氏体的回火抗力明显减弱,如果在不完全退火后进行高温回火,则可加速马氏体的分解,获得回火索氏体组织,从而进一步降低硬度,消除组织遗传,获得较好的预备热处理效果。试验发现,在670~710℃范围内进行高温回火,马氏体中析出大量平衡碳化物,钢的硬度最低,软化效果最好。
前面所述的冷却指:炉冷至500℃以下出炉空冷或直接从回火温度出炉空冷。
优选地,一次高温回火、二次高温回火保温时间为12~18小时。
经过所述预备热处理工艺处理后,钢件显微组织为回火索氏体及其上弥散分布的粒状碳化物,硬度不大于34HRC。
优选地,所述超强高韧渗碳钢的化学组成及质量分数为:0.08~0.20%C,10.0~15.0%Co,4.0~9.0%Ni,3.0~5.5%Cr,3.2~4.6%Mo,0~0.8%V,0~0.06%Nb,其余为Fe和杂质元素。
本发明的有益效果是:
本发明的预备热处理工艺根据超强高韧渗碳钢的淬透性和回火抗力很高,淬火温度高(1050~1120℃)的特点,对预备热处理过程中钢的组织与相变行为进行分析。
正火处理实质就是淬火,空冷过程中发生马氏体相变,从而导致硬度和残余应力再次增加,无法消除组织遗传;高温回火虽然可以降低α相的过饱和度和硬度,但由于钢的回火抗力很高,难以完全消除原奥氏体与马氏体之间的晶***相关系;正火+高温回火相当于淬火+高温回火,也不能消除组织遗传。
完全退火或不完全退火后钢的组织均为马氏体,硬度较高。完全退火在单相奥氏体区加热,加热温度高,原粗大奥氏体晶粒复原,不能消除组织遗传性。不完全退火在奥氏体与碳化物共存区加热(900~1020℃),碳化物钉扎奥氏体晶界,阻碍晶粒长大,从而使冷却后获得的马氏体组织细化,消除了组织遗传。虽然不完全退火得到的马氏体中固溶的碳及合金元素含量较低,硬度低于正火和完全退火所得到的马氏体组织,但仍属于非平衡组织,不能作为预备热处理。由于不完全退火组织由马氏体和大量碳化物组成,马氏体的回火抗力明显减弱,如果在不完全退火后进行高温回火,则可加速马氏体的分解,获得回火索氏体组织,从而进一步降低硬度,消除组织遗传,获得较好的预备热处理效果。此外,为了消除应力,降低硬度,减弱组织遗传性,增强不完全退火的效果,需要在热塑性变形后、退火加热前,进行一次高温回火。
因此,超强高韧渗碳钢的预备热处理工艺为:一次高温回火+不完全退火+二次高温回火。
通过本发明的预备热处理,棒材或锻件的显微组织为回火索氏体及其上弥散分布的粒状碳化物,硬度不大于34HRC。消除了组织遗传和残余应力,降低了硬度,改善了切削加工性能,并为最终热处理做好组织准备。特别适合于化学组成及质量分数为:0.08~0.20%C,10.0~15.0%Co,4.0~9.0%Ni,3.0~5.5%Cr,3.2~4.6%Mo,0~0.8%V,0~0.06%Nb,其余为Fe和杂质元素的超强高韧渗碳钢。
附图说明
图1为实施例1中棒材预备热处理后的显微组织图;
图2为实施例2中锻件预备热处理后的显微组织图;
图3为实施例3中锻件预备热处理后的显微组织图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
下述实施例针对超强高韧渗碳钢,其化学组成及质量分数为:0.08~0.20%C,10.0~15.0%Co,4.0~9.0%Ni,3.0~5.5%Cr,3.2~4.6%Mo,0~0.8%V,0~0.06%Nb,其余为Fe和杂质元素。
具体各个实施例中钢的化学成分见表1。
实施例一
1、处理对象:直径160mm的超强高韧渗碳钢锻制棒材
2、预备热处理工艺过程
(1)一次高温回火:棒材随炉升温,加热至680℃,保温时间20h,炉冷至300℃,出炉空冷至室温。
(2)不完全退火:棒材随炉升温,加热至950℃,保温时间3h,炉冷至500℃,出炉空冷至室温。
(3)二次高温回火:棒材随炉升温,加热至680℃,保温时间20h,炉冷至300℃,出炉空冷至室温。
3、显微组织与硬度
棒材显微组织见图1,为回火索氏体基体上弥散分布的粒状碳化物,硬度31.5HRC。
实施例二
1、处理对象:超强高韧渗碳钢制锥齿轮锻件
2、预备热处理工艺过程
(1)一次高温回火:锻件随炉升温,加热至700℃,保温时间8h,炉冷至500℃,出炉空冷至室温。
(2)不完全退火:锻件随炉升温,加热至1000℃,保温时间2h,炉冷至500℃,出炉空冷至室温。
(3)二次高温回火:锻件随炉升温,加热至700℃,保温时间8h,炉冷至500℃,出炉空冷至室温。
3、显微组织与硬度
锻件显微组织见图2,为回火索氏体基体上弥散分布的粒状碳化物,硬度30.6HRC。
实施例三
1、处理对象:超强高韧渗碳钢制圆柱齿轮锻件
2、预备热处理工艺过程
(1)一次高温回火:锻件到温入炉,加热温度670℃,保温时间12h,空冷至室温。
(2)不完全退火:锻件随炉升温,加热至980℃,保温时间1.5h,空冷至室温。
(3)二次高温回火:锻件随炉升温,加热至670℃,保温时间12h,空冷至室温。
3、显微组织与硬度
锻件显微组织见图3,为回火索氏体基体上弥散分布的粒状碳化物,硬度32HRC。
表1
表2
Claims (8)
1.一种超强高韧渗碳钢棒材和锻件的预备热处理工艺,其特征在于:采用一次高温回火+不完全退火+二次高温回火的热处理工艺;
一次高温回火具体工艺为:
钢件随炉升温或到温入炉,加热温度为670~710℃,保温时间为8~20小时,保温结束后冷却。
2.根据权利要求1所述的预备热处理工艺,其特征在于:所述不完全退火工艺为:钢件随炉升温或到温入炉,加热温度为950~1000℃,保温时间为1~3小时,保温结束后冷却。
3.根据权利要求1所述的预备热处理工艺,其特征在于:二次高温回火工艺为:钢件随炉升温或到温入炉,加热温度为670~710℃,保温时间为8~20小时,温结束后冷却。
4.根据权利要求1至3任一项所述的预备热处理工艺,其特征在于:所述冷却指:炉冷至500℃以下出炉空冷或直接从回火温度出炉空冷。
5.根据权利要求1所述的预备热处理工艺,其特征在于:一次高温回火回火保温时间为12~18小时。
6.根据权利要求3所述的预备热处理工艺,其特征在于:二次高温回火保温时间为12~18小时。
7.根据权利要求1所述的预备热处理工艺,其特征在于:经过所述预备热处理工艺处理后,钢件显微组织为回火索氏体及其上弥散分布的粒状碳化物,硬度不大于34HRC。
8.根据权利要求1所述的预备热处理工艺,其特征在于:所述超强高韧渗碳钢的化学组成及质量分数为:0.08~0.20%C,10.0~15.0%Co,4.0~9.0%Ni,3.0~5.5%Cr,3.2~4.6%Mo,0~0.8%V,0~0.06%Nb,其余为Fe和杂质元素。
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