CN115094204A - 中碳合金钢的一种热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了中碳合金钢的一种热处理方法，包括：将中碳合金钢工件依次进行淬火、回火和去应力；所述淬火的温度为750～830℃。本发明提供的工艺方法，能够大幅度提高中碳合金钢的低温冲击韧性，在‑50℃使冲击韧性达到50J以上，部分材料甚至可到80J以上，使中碳合金钢能够在极寒的条件下得到使用，降低了大型装备及轨道运输的生产成本。
Description
技术领域
本发明属于中碳合金钢技术领域，尤其涉及中碳合金钢的一种热处理方法。
背景技术
中碳合金钢具有较高的强度和韧性，淬透性也较好，广泛应用于载荷较大的重要零件。为了充分发挥其综合力学性能，一般在调质状态下使用。在高铁车辆、风力发电等行业，由于轨道或设备区域的原因，其中部分场景需要在严寒环境中工作，一般除了要求零件抗拉强度σb≥800Mpa以外，对于材料的低温冲击性能也有较高要求，部分零件要求热处理后-50℃以下需达到冲击功27J以上。另一方面，材料的低温冲击性能也是结构设计时的重要依据，金属材料的低温力学行为对装备的服役及安全性有重要影响。
材料的低温冲击韧性主要由材料的冷脆转变点(tk)决定，而冷脆转变点是材料的固有属性，在温度低于冷脆转变点后材料的冲击韧性急剧下降。常用的合金结构钢在-20℃时的冲击韧性仅为10J左右，所以研究提高材料低温冲击韧性的工艺在工程应用中有着非常重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供中碳合金钢的一种热处理方法，本发明提供的热处理方法能够使中碳合金钢在较高强度下同时具有较好的低温冲击韧性。
本发明提供了中碳合金钢的一种热处理方法，包括：
将中碳合金钢工件依次进行淬火、回火和去应力。
优选的，所述淬火的温度为750～830℃。
优选的，所述中碳合金钢工件的成分为：
C：0.25～0.6wt％；
Si：≤0.4wt％；
Mn：0.3～1.5wt％；
Cr：0.4～2.5wt％；
Ni：0～2.5wt％；
Mo：0～0.5wt％；
余量为Fe。
优选的，所述中碳合金钢工件的典型牌号为40Cr、35CrMo、42CrMo、40CrNiMo、34Cr2Ni2Mo等。
优选的，所述淬火过程中的淬火介质为水和空气，采用水冷或水-空气-水交替冷却。
优选的，所述回火的温度为600～680℃。
优选的，所述回火过程中的冷却方法为水冷、油冷等快速冷却方式。
优选的，所述回火的时间为2～10h。
优选的，所述去应力的温度为300～450℃。
优选的，所述去应力的时间为2-10h。
优选的，所述去应力过程中的冷却方法为空冷。
本发明首先通过将淬火温度控制在750～830℃，采取双相区加热的亚温淬火方式(常规的淬火加热温度在850～880℃)，较低的淬火温度能使零件心部晶粒度细化，同时少量铁素体的保留能提高钢铁材料的低温冲击韧性和强度。其次淬火介质选择水冷，根据零件的截面尺寸严格控制水冷时间。介质水，经济便宜环保，冷却速度快，不产生油烟污染环境。水冷过程中，由于水的冷速较快，可以提高材料冷却过程的马氏体转变量，使零件具有较高的强度，同时由于淬火温度较低，奥氏体不均匀化程度较高，能够获得较多的中低碳板条马氏体，而中低碳板条马氏体也具有较高的韧性，能够提高低温冲击性能。对于易变形件可采用水-空气-水交替冷却，适当降低冷速，避免产生裂纹或变形过大。然后在回火过程中采用较高的回火温度(600～680℃)，使零件得到完全的回火索氏体组织，同时回火后采用水冷的工艺，消除回火过程产生的脆性，进步一提高低温冲击韧性。最后在回火后增加一次去应力工序，温度在300～450℃，消除回火水冷过程产生的热应力，充分发挥材料的高强度和高低温冲击韧性的优势，从而提高使用寿命。本发明提供的方法在保证获得高强度的情况下，提升了屈强比，充分发挥材料的高强度特性，同时提升了中碳合金钢的低温冲击韧性，在-50℃时的冲击功能够达到50J以上，能够满足产品在低温下运行的使用要求。
附图说明
图1为本发明实施例中热处理的工艺曲线。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了中碳合金钢的一种热处理方法，包括：
将中碳合金钢工件依次进行淬火、回火和去应力。
在本发明中，所述中碳合金钢工件的成分优选为：
C：0.25～0.6wt％；
Si：≤0.4wt％；
Mn：0.3～1.5wt％；
Cr：0.4～2.5wt％；
Ni：0～2.5wt％；
Mo：0～0.5wt％；
余量为Fe。
在本发明中，所述中碳合金钢工件的成分更优选选自典型牌号40Cr、42CrMo、40CrNiMo等。
在本发明中，所述淬火的温度优选为750～830℃，更优选为780～810℃，最优选为800℃。
在本发明中，所述淬火过程中优选采用水作为淬火介质；所述水的温度优选为室温。
在本发明中，所述淬火过程中优选也可采用水-空气-水交替冷却，适当降低冷却速度，避免裂纹或变形过大。
在本发明中，所述淬火后优选立即进行回火。
在本发明中，所述回火的温度优选为600～680℃，更优选为600～650℃，最优选为620～630℃。
在本发明中，所述回火温度优选根据零件要求的性能和硬度进行调节，硬度要求高，温度取下限，要求的硬度低，温度取上限。
在本发明中，所述回火时间优选根据零件的截面尺寸确定，所述回火时间优选为2～10h，更优选为3～6h；零件截面小取下限，截面大取上限。
在本发明中，所述回火过程中优选采用水冷、油冷等快速冷却方式工艺，最优先采用水冷，所述水冷过程中的温度优选为室温。
在本发明中，所述去应力的温度优选为300～450℃，更优选为300～350℃，最优选为320～330℃；所述去应力的温度可以根据材料特性进行选择。
在本发明中，所述去应力过程中优选进行空冷；优选空冷冷却至室温。
本发明主要是通过创新热处理工艺来提高材料的低温冲击韧性，即创新的采用淬火温度及淬火方式，回火冷却方式、去应力方式及其的组合，来获得最佳的强韧性配合，充分发挥材料的高强度特性同时获得优异的低温冲击韧性。
本发明实施例中热处理的工艺曲线如图1所示。
在淬火方面，首先，通过淬火温度的选择在保持高强度的情况下提高低温冲击韧性，淬火温度采用750～830℃，采取双相区加热的亚温淬火方式(α+γ双相区)，避免的了传统850～880℃淬火时带来的材料晶粒的粗大。采用较低的淬火温度能使材料淬火后心部晶粒细化，由于奥氏体化温度较低，奥氏体不均匀化程度高，从而获得较多的低碳马氏体提高了低温冲击韧性，在较高强度的情况下，碳化物弥散度增加，少量铁素体的保留还能进一步提高钢铁材料的低温冲击韧性和强度，同时750～830℃范围，淬火加热温度较低，避免了杂质元素原子在晶界的偏聚，从而提高了晶界的强度，提高了强韧性。较低的淬火温度，工件变形也较小，较低的淬火温度还能显著降低材料临界脆化温度，抑制可逆的回火脆性。其次，采用水作为淬火冷却介质，利用水冷却速度更快的特点，使材料在淬火转变中能够获得更强的淬火冷却能力，从而得到更多细小的马氏体组织，弥补较低温度加热淬火时，由于奥氏体化温度较低，奥氏体中含碳量和合金元素偏低，导致淬透性降低，淬火效果较差,从而导致强度偏低的缺点，通过利用水冷过程中冷却速度大，淬火性能好，能够获得更多的马氏体和淬透深度的优点，使零件在有较高韧性的同时保持较高的抗拉和屈服强度。再次，在水冷过程中，控制好冷却的速度和温度，可适当采用水-空气-水的交替冷却方式，避免由于水的冷却速度过大而导致裂纹的情况。
在回火方面，首先，淬火后应立即回火，淬火后立即安排回火有利于避免淬火后的较大应力以及放置一段时间后应力增加导致的裂纹出现。其次，回火采用600～680℃的高温回火，得到粒状回火索氏体组织，在回火索氏体基体上弥散分布着细粒状碳化物，使材料的强度、塑性和韧性达到较好的配合，具有高屈强比的情况下获得较好的低温冲击韧性，从而获得优异的综合机械性能。其次，在回火后采用水冷工艺，降低由于中碳合金钢中某些合金元素带来的回火脆性，进一步提高材料的低温冲击韧性。再次，回火后增加300～450℃的消除应力工序，由于在回火过程采用了水冷工艺，中碳合金钢此时的热应力较大，增加去应力可降低材料的开裂风险，稳定后续工序加工时，尺寸的稳定性，提高零件的尺寸精度和使用寿命。
实施例1
某轨道轴类零部件，成分为42CrMoA，对其进行淬火、回火和去应力；
所述淬火过程中淬火温度为810℃，淬火保温时间为2h，淬火介质为水-空气-水交替冷却，水温为室温；
所述回火过程中回火温度为650℃，回火保温时间为5h，回火后冷却介质为水，水温为室温；
所述去应力过程中去应力温度为350℃，去应力保温时间为5h，去应力后出炉空冷。
比较例1
对实施例1中的某轨道轴类零部件(成分为42CrMoA)进行常规调质工艺，淬火温度为860℃，淬火保温时间为2h，淬火介质为油，淬火油温为室温至80℃，回火温度为550℃，回火保温时间为5h，回火后空冷，无去应力工序。
性能检测
对本发明实施例和比较例热处理后的产品进行性能检测，Rm的检测方法为GB/T228.1，R0.2P的检测方法为GB/T228.1，AKV的检测方法为GB/T229；检测结果为，实施例1热处理后的产品的Rm＝819MPa，R0.2P＝722MPa，AKV72(-50℃)；比较例1热处理后的产品的Rm＝841MPa，R0.2P＝648MPa，AKV14.7(-50℃)；在屈服强度已经低于下限的情况下，低温冲击值仍不能满足技术要求。可以看出，实施例1提供的方法在抗拉强度比常规工艺低的情况下，屈服强度比常规工艺高10％以上，-50℃的低温冲击功高接近4倍，完全满足技术要求，获得了很高的强韧性配合，从而发挥了材料的优异性能，满足了技术要求。
通过本发明提供的工艺方法，能够大幅度提高中碳合金钢的低温冲击韧性，42CrMo在-50℃使冲击韧性达到50J以上，40CrNiMo材料甚至可到80J以上，使中碳合金钢能够在极寒的条件下得到使用，降低了大型装备及轨道运输的生产成本。
虽然已参考本发明的特定实施例描述并说明本发明，但是这些描述和说明并不限制本发明。所属领域的技术人员可清晰地理解，在不脱离如由所附权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，可进行各种改变，以使特定情形、材料、物质组成、物质、方法或过程适宜于本申请的目标、精神和范围。所有此类修改都意图在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并非本申请的限制。
Claims (10)
1.中碳合金钢的一种热处理方法，包括：
将中碳合金钢工件依次进行淬火、回火和去应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述淬火的温度为750～830℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中碳合金钢工件的成分为：
C：0.25～0.6wt％；
Si：≤0.4wt％；
Mn：0.3～1.5wt％；
Cr：0.4～2.5wt％；
Ni：0～2.5wt％；
Mo：0～0.5wt％；
余量为Fe。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述中碳合金钢工件的典型牌号为40Cr、35CrMo、42CrMo、40CrNiMo、34Cr2Ni2Mo等。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述淬火过程中的淬火介质为水和空气，采用水冷或水-空气-水交替冷却。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述回火的温度为600～680℃。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述回火过程中的冷却方法为水冷、油冷等快速冷却方式。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述回火的时间为2～10h。
9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述去应力的温度为300～450℃，去应力时间2～10h。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述去应力过程中的冷却方法为空冷。
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