CN115652046A - 一种消除钢中带状组织的热处理工艺 - Google Patents

Abstract

一种消除钢中带状组织的热处理工艺，属于金属热处理技术领域。所述工艺为：固溶淬火：将钢从室温升温至一定的温度保温一段时间后快冷；所述一定的温度为带状组织处碳化物回溶温度+100‑150℃，所述一段时间为带状组织处碳化物在固溶温度完全回溶的时间；循环淬火：第一次淬火温度为固溶淬火温度以下10‑20℃，钢件心部到温后即快冷；反复重复此淬火过程至设定循环淬火次数，每增加一次淬火次数，淬火温度较上次淬火温度降低10‑20℃；循环淬火次数为2‑4次；回火温度及时间根据服役性能指标设定。本发明基于相变原理调控了带状组织处的组织，工艺温度低、时间短且大幅提升了钢的冲击性能。

Description

一种消除钢中带状组织的热处理工艺

技术领域

本发明属于金属热处理技术领域，具体涉及一种消除钢中带状组织的热处理工艺。

背景技术

由于铸坯所固有的枝晶偏析，铸锭经轧制或锻造后会存在带状组织。对于中高合金钢来说，带状组织处富集了大量的合金元素，最终热处理后易在带状组织处生成大量碳化物，如图1所示。除此以外，带状组织处的晶粒尺寸远大于非带状组织处。带状组织的存在不仅会大幅降低钢的冲击性能，还会降低钢性能的等向性。其根源在于服役过程中，在冲击载荷作用下带状组织处成为了断裂的裂纹源，使构件提前失效，如图2所示。因此，消除带状组织对钢力学性能的影响，对于提升钢材品质、实现构件长寿命服役具有重要意义。

如前所述，带状组织处富集了大量合金元素。为了使其扩散达到与基体成分均匀的目的，通常要在略低于固相线的温度进行长时间的扩散退火。此温度通常在1100-1200℃。但是此方法温度高，时间长，成本高。

发明内容

本发明的目的是为了解决中高合金钢中存在带状组织的问题，提供一种消除钢中带状组织的热处理工艺，该工艺通过固溶淬火+循环淬火+回火相变细化带状组织处的晶粒及碳化物，消除了钢中的带状组织，大幅提升了其冲击功。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种消除钢中带状组织的热处理工艺，如图7所示，所述工艺具体为：

步骤一：固溶淬火：将钢从室温升温至一定的温度保温一段时间后快冷；所述一定的温度为带状组织处碳化物回溶温度+100-150℃，所述一段时间为带状组织处碳化物在固溶温度完全回溶的时间；

利用扫描电镜对在不同温度下淬火后的钢进行微观组织表征，若在带状组织处观察不到碳化物，则对应的淬火温度即为碳化物的回溶温度。固溶温度确定后，根据实验确定固溶淬火保温时间，利用扫描电镜对在该温度保温不同时间淬火后的钢进行微观组织表征，设定无法观察到碳化物的时间为保温时间。固溶淬火的目的主要是使带状组织处的粗大碳化物回溶，因此可根据热力学计算或实验确定带状组织处碳化物的回溶温度并设定固溶淬火温度为碳化物回溶温度+100-150℃。

步骤二：循环淬火：第一次淬火温度为固溶淬火温度以下10-20℃，钢件心部到温后即快冷；反复重复此淬火过程至设定循环淬火次数，每增加一次淬火次数，淬火温度较上次淬火温度降低10-20℃；循环淬火次数为2-4次；循环淬火的目的为细化晶粒，同时为回火时碳化物析出提供更多形核位点来细化碳化物。为了避免晶粒长大心部到温即冷却，同时冷却速度要快。在保证淬透性的情况下，防止碳化物在冷却过程中析出。

步骤三：回火温度及时间根据服役性能指标设定。

进一步地，所述钢为中高合金钢。合金元素含量<5wt％的为低合金钢，5-10wt％的为中合金钢，>10wt％的为高合金钢。本方法适用于中合金钢和高合金钢，因为合金元素含量太低，在带状组织处不形成粗大碳化物。

进一步地，步骤一中，所述快冷为空冷、油冷或水冷中的一种。

进一步地，步骤一中，所述碳化物回溶温度通过以下方法得出：利用波谱仪确定钢中带状组织处的化学成分，根据化学成分利用商用热力学计算软件Thermo-calc或Jmatpro等计算平衡相成分-温度图，从中得出碳化物的回溶温度。

进一步地，步骤三中，所述根据服役性能指标设定，即根据要求的硬度、冲击功指标选定回火温度及时间。

以1Cr11Ni2W2MoV钢为例。其服役性能要求淬回火后布氏硬度为269～321HBW，淬火后其硬度为441HBW，680℃回火1h后的硬度为287HBW，回火2h后的硬度为273HBW，回火4h后的硬度为259HBW。因此，可以选择回火温度为680℃回火时间为1h或2h。700℃回火1h后的硬度为276HBW，回火2h后的硬度为270HBW，回火4h后的硬度为261HBW。因此，也可以选择回火温度为700℃回火时间为1h或2h。对于1Cr11Ni2W2MoV钢来说，回火温度为660-710℃，回火时间为1-4h。

本发明相对于现有技术的有益效果为：扩散退火工艺基于合金元素扩散原理，需要高温(～1200℃)、长时间(十几至几十小时)使钢中的整体成分均匀。本发明基于相变原理调控了带状组织处的组织，工艺温度低、时间短且大幅提升了钢的冲击性能。

附图说明

图1为钢中带状组织的扫描电镜图；

图2为含带状组织钢经热处理后的冲击断口扫描电镜图；

图3为对比例1的金相图；

图4为实施例1的金相图；

图5为对比例1的带状组织处的扫描电镜图；

图6为实施例1的带状组织处的扫描电镜图；

图7为3段热处理工艺曲线图；

图8为对比例2的金相图；

图9为实施例2的金相图；

图10为对比例2的带状组织处扫描电镜图；

图11为实施例2的带状组织处扫描电镜图；

图12为金属构件升温过程的温度场及曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖再本发明的保护范围之中。

实施例1：

1.通过实验确定1Cr11Ni2W2MoV钢中带状组织处的碳化物回溶温度为950℃。所述1Cr11Ni2MoV钢成分为：C：0.10～0.16wt％，Cr:10.5～12.0wt％，Ni:1.40～1.80wt％，W：1.50～2.00wt％，Mo:0.35～0.50wt％，V：0.18～0.30wt％，Si≤0.60wt％，Mn≤0.50wt％，P≤0.03wt％。

2.固溶淬火：将1Cr11Ni2W2MoV钢从室温加热至1050℃保温，保温30min，保温结束后空冷(或油冷)至室温。

3.第一次淬火：将一次淬火后的1Cr11Ni2W2MoV钢从室温加热至1030℃，心部到温后空冷(或油冷)至室温。

4.第二次淬火：将二次淬火后的1Cr11Ni2W2MoV钢从室温加热至1010℃，心部到温后空冷(或油冷)至室温。

5.回火：将三次循环淬火后的1Cr11Ni2W2MoV钢从室温加热到700℃，保温2h后，出炉空冷。

6.表征循环淬火回火后的1Cr11Ni2W2MoV钢的微观组织及力学性能。

本实施例中，关于心部到温的解释如下：

由于实际构件是有尺寸的，以图12所示平面无限大平板为例。可以看出，在升温过程中构件表面与心部是存在温度差的。金属的加热时间定义为升温时间+均温时间+保温时间，其中升温时间为构件表面温度到达设定温度的时间，均温时间为构件心部温度到达设定温度的时间减去构件表面温度到达设定温度的时间，保温时间为热处理工艺时间。

(1)升温时间的长短主要取决于加热方式。比如采用电炉加热(主要通过辐射传热)升温时间短，而采用燃料炉加热(主要通过对流换热)升温时间长。

(2)均温时间的长短主要取决于工件的装炉量与尺寸和材料成分。构件尺寸越大，装炉量越大，均温时间越长。合金钢的均温时间要比碳素钢的长。(钢中的合金元素含量越高，热导率越低)

(3)保温时间主要取决于热处理工艺要求及材料的初始组织。对于淬火工艺来说，珠光体组织的保温时间应比铁素体组织的长。(钢的奥氏体化动力学过程由形核，长大，渗碳体溶解，成分均匀化四步组成)

因此，从理论上来说，对于某一构件来说，加热时间的制定应综合考虑加热方式、构件的成分、尺寸、装炉量、工艺要求及初始组织，通过计算准确得出。然而，实际生产中为了方便，通常采用如下半经验公式

τ＝α×KD

式中，τ-金属的加热时间,min；α-加热系数，min/mm，通常在0.7-0.8范围内选取；K-反应装炉量的修正系数，通常在1.0-1.3范围内选取；D-工件的有效厚度，mm。

因此，所述心部到温是指钢件(钢件有尺寸)的心部达到设定淬火温度，可由经验公式计算得出，或由仿真模拟计算得出，或在模拟钢件的心部***热电偶实时测定。

对比例1：

1.淬火：将1Cr11Ni2W2MoV钢从室温加热至1010℃保温，保温30min，保温结束后空冷(或油冷)至室温。

2.回火：将淬火后的1Cr11Ni2W2MoV钢从室温加热到700℃，保温2h后，出炉空冷。

3.表征淬火回火后的1Cr11Ni2W2MoV钢的微观组织及力学性能。

组织对比：

从图3和4中可以看出，1Cr11Ni2W2MoV钢淬火回火后的晶粒尺寸为21μm，循环淬火回火后的部分晶粒尺寸被细化至3μm。从图5和6中可以看出，1Cr11Ni2W2MoV钢淬火回火后带状组织处仍存在粗大的碳化物。循环淬火回火后，因晶粒被细化晶界变多，碳化物同时被细化。

力学性能对比：

循环淬火回火工艺大幅提升了其冲击功KU₂，由原淬火回火工艺的74J提升至154J。

实施例2：

1.通过实验确定1Cr11Ni2W2MoV钢中带状组织处的碳化物回溶温度为950℃。

2.固溶淬火：将1Cr11Ni2W2MoV钢从室温加热至1050℃保温，保温30min，保温结束后空冷(或油冷)至室温。

3.第一次淬火：将一次淬火后的1Cr11Ni2W2MoV钢从室温加热至1030℃，心部到温后空冷(或油冷)至室温。

4.第二次淬火：将二次淬火后的1Cr11Ni2W2MoV钢从室温加热至1020℃，心部到温后空冷(或油冷)至室温。

5.第三次淬火：将二次淬火后的1Cr11Ni2W2MoV钢从室温加热至1010℃，心部到温后空冷(或油冷)至室温。

6.回火：将四次循环淬火后的1Cr11Ni2W2MoV钢从室温加热到680℃，保温2h后，出炉空冷。

7.表征循环淬火回火后的1Cr11Ni2W2MoV钢的微观组织及力学性能。

对比例2：

1.淬火：将1Cr11Ni2W2MoV钢从室温加热至1010℃保温，保温30min，保温结束后空冷(或油冷)至室温。

2.回火：将淬火后的1Cr11Ni2W2MoV钢从室温加热到680℃，保温2h后，出炉空冷。

3.表征淬火回火后的1Cr11Ni2W2MoV钢的微观组织及力学性能。

组织对比：

从图8和9中可以看出，1Cr11Ni2W2MoV钢淬火回火后的晶粒尺寸为25μm，循环淬火回火后的部分晶粒尺寸被细化至4μm。从图10和11中可以看出，1Cr11Ni2W2MoV钢淬火回火后带状组织处仍存在粗大的碳化物。循环淬火回火后，因晶粒被细化晶界变多，碳化物同时被细化。

力学性能对比：

循环淬火回火工艺大幅提升了其冲击功KU₂，由原淬火回火工艺的72J提升至122J。

Claims (5)

1.一种消除钢中带状组织的热处理工艺，如图7所示，其特征在于：所述工艺具体为：

步骤一：固溶淬火：将钢从室温升温至一定的温度保温一段时间后快冷；所述一定的温度为带状组织处碳化物回溶温度+100-150℃，所述一段时间为带状组织处碳化物在固溶温度完全回溶的时间；

步骤二：循环淬火：第一次淬火温度为固溶淬火温度以下10-20℃，钢件心部到温后即快冷；反复重复此淬火过程至设定循环淬火次数，每增加一次淬火次数，淬火温度较上次淬火温度降低10-20℃；循环淬火次数为2-4次；

步骤三：回火温度及时间根据服役性能指标设定。

2.根据权利要求1所述的一种消除钢中带状组织的热处理工艺，其特征在于：所述钢为中高合金钢。

3.根据权利要求1所述的一种消除钢中带状组织的热处理工艺，其特征在于：步骤一中，所述快冷为空冷、油冷或水冷中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种消除钢中带状组织的热处理工艺，其特征在于：步骤一中，所述碳化物回溶温度通过以下方法得出：利用波谱仪确定钢中带状组织处的化学成分，根据化学成分利用商用热力学计算软件Thermo-calc或Jmatpro等计算平衡相成分-温度图，从中得出碳化物的回溶温度。

5.根据权利要求1所述的一种消除钢中带状组织的热处理工艺，其特征在于：步骤三中，所述根据服役性能指标设定，即根据要求的硬度、冲击功指标选定回火温度及时间。

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