專利名稱：一種含Si中碳鋼及其獲得高強高塑性的熱處理方法
一種含Si中碳鋼及其獲得高強高塑性的熱處理方法技術領域
本發明屬于中碳鋼技術領域，特別是涉及一種含幻中碳鋼及其獲得高強高塑性 的熱處理方法，針對材料獲得下貝氏體+穩定奧氏體組織和高強高塑性的熱處理工藝。
背景技術：
中碳鋼的熱處理一直是工程和生產上重點的研究，傳統的熱處理工藝主要是淬 火+回火工藝，最典型就是用于冷鐓緊固件淬火回火和磨具、刃具的鹽浴處理。這種 熱處理按照工藝要求和使用環境得到回火馬氏體、回火屈氏體和回火索氏體，按照用戶 的要求，調整淬火和回火的工藝參數可以使組織具備高強度、高塑性、較好的沖擊韌性 和松弛性等優良性能。這其中涉及的是金屬材料的強化方式，一般說來，主要有固溶強 化、細晶強化、析出強化、位錯強化、相變強化等，所以，熱處理強化方式屬于固溶強 化和析出強化，但是一直以來存在熱處理工序復雜，能耗大，成本高，強化能力有限等 缺點。通過鹽浴冷卻外加保溫處理獲得下貝氏體+穩定的奧氏體組織，發揮了貝氏體單 元的細晶強化、貝氏體鐵素體過飽和碳的固溶強化和位錯強化，同時也利用了穩定后奧 氏體的組織強化，可以部分替代淬回火工藝，使材料具備更好的強度和韌性。
另外，鹽浴保溫時間一直是影響工程和生產的主要問題，專利“一種工業用 9SiCr短時下貝氏體的等溫熱處理工藝”也講述了一種通過鹽浴獲得良好綜合力學性能指 標的熱處理工藝方法，但是鹽浴等溫時間最短需要5分鐘，鹽浴時間太長，專利“含鉬 貝氏體低合金鋼及熱處理工藝”也介紹了一種獲得貝氏體的鹽浴工藝，但是材料本身除 了加入大量昂貴的Mo合金元素外，組織的轉變過程也是在鹽浴槽中完成，處理時間很 長，很大程度上限制了這些工藝在工業上的應用前景。
眾所周知合金元素&和C是比較廉價的，冶煉過程成分也比較好控制，制造成 本相對較低，同時如果能夠利用這種材料實現高強高塑性的力學性能來部分替代傳統熱 處理的工藝，無疑具有很好的發展前景，關鍵是這種合金材料鹽浴過程和等溫過程的作 用進行入分析，明確各個工藝階段對材料組織轉變過程的影響。下貝氏體的形核過程前 的孕育階段和形核初期保證相對比較穩定的工藝參數，使其在鹽浴爐內完成，滿足下貝 氏體組織熱力學條件后，其貝氏體相變過程在相對較寬的工藝窗口下完成(考慮到工業 空氣爐溫控制精度)，即在空氣保溫爐內完成，在這一過程中，既實現組織轉變，同時剩 余的殘余奧氏體實現穩定化過程，而且相對傳統工藝穩定化溫度更低。傳統的穩定化過 程總是在材料冷卻至室溫后，再加熱到穩定化工藝溫度，長時間保溫，而本發明將這一 過程簡化，達到材料對耐熱性能、松弛性能要求的同時，工藝更簡單。
本發明在深入分析一種含幻中碳鋼貝氏體相變熱力學和動力學的基礎上，實現 鹽浴過程快速冷卻和保溫功能的分離，在最大限度的考慮實際大生產條件的前提下，實 現金屬材料高強高塑性。雖然國內外對鋼的貝氏體相變和等溫淬火研究很多，但是沒有 關于中碳含Si鋼獲得下貝氏體+穩定奧氏體的熱處理工藝報道。發明內容
本發明的目的在于提供一種含幻中碳鋼及其獲得高強高塑性的熱處理方法， 使得材料獲得下貝氏體和穩定的奧氏體，提高材料強度的同時，使材料更具備較好的塑 性，減少了傳統熱處理高能耗，優化了貝氏體鹽浴淬火工藝。
本發明所述的含Si中碳鋼化學組成為C 0.5 0.7wt%，Si: 1.2~1.8wt%, Mn: 0.4 ~ 0.8wt%, Cr: 0.2 ~ 0.4wt%, P<0.013wt%, S<0.005wt%,余量為 Fe。
熱處理工藝為第一步是奧氏體化處理，對材料在空氣氣氛下進行常規的電阻 爐加熱至850-900°C，保溫10-20分鐘；第二步是奧氏體的快速冷卻處理，將材料快速放 入250-350°C的鹽液中保溫40-60秒鐘；第三步等溫淬火后的保溫，在常規的電阻爐中進 行250-350°C保溫，保溫時間為5-20分鐘，獲得下貝氏體和穩定化奧氏體，最后水冷至 室溫。以上三步都在空氣環境中進行。
本發明的優點在于，第一步和第三步是在電阻加熱爐內完成，第二步在鹽浴爐 內完成。既實現材料獲得高強高塑性的下貝氏體+穩定化奧氏體組織，得到較好的強 韌性，替代用戶復雜的熱處理，同時用電阻爐保溫部分代替等溫淬火在鹽浴爐內等溫時 間，降低了鹽浴爐的生產壓力，優化了鹽浴淬火工藝，工藝穩定，環保節能。
通過在850-900°C奧氏體化后的鹽浴快速冷卻和保溫爐內的貝氏體轉變得到下貝 氏體和穩定化奧氏體組織(如圖1、2所示)，提高了材料的強度和塑性，減少了能源消 耗，優化了貝氏體淬火工藝；使強度達到1500Mpa以上，面縮率達到40%以上。
圖1為本發明獲得的下貝氏體和穩定化奧氏體的掃描電鏡組織照片(300°C)。可 以發現兩種組織主要貝氏體和殘余奧氏體，處理的工藝不同，組織形態也發生明顯的變 化，鹽浴溫度越低，貝氏體單元的尺寸越小。
圖2為本發明獲得的下貝氏體和穩定化奧氏體的掃描電鏡組織照片)。
圖3為一種含幻中碳鋼獲得高強高塑性的熱處理工藝圖。其中，
TA奧氏體化溫度，850_900°C ；
TB:鹽浴淬火溫度，250_350°C ；
Tc:保溫溫度，250-3500C ；
t0 奧氏體處理時間，20分鐘；
ti 鹽浴淬火時間40-60秒；
保溫時間，10-20分鐘。
以下將結合本發明的實例參照附圖進行詳細敘述。
圖4為材料的拉拔應力應變曲線(300°C )。
圖5為材料的拉拔應力應變曲線)。
圖6為材料的拉拔斷口形貌，分為纖維區、放射區、剪切唇，為典型塑性失效 斷口形貌。
圖7為奧氏體穩定后的內部結構(300°C )，黑色條狀奧氏體帶中位錯被穩定化。
具體實施方式
本發明的熱處理工藝過程為材料奧氏體化，然后鹽浴冷卻，冷至下貝氏體相 變區間，在進入空氣保溫爐進行等溫相變，在首鋼鹽浴實驗室獲得下貝氏體+穩定化奧 氏體組織和良好的綜合力學性能。其化學成分如下表所示
表1材料化學成分，余量Fe。
權利要求
1.一種一種含Si中碳鋼，其特征在于，化學組成為C: 0.5~0.7wt%, Si: 1.2 1.8wt%, Mn 0.4 0.8wt%，Cr 0.2 0.4wt%，P<0.013wt%, S《0.005wt%，余量 為Fe。
2.—種權利要求1所述含Si中碳鋼獲得高強高塑性的熱處理方法，其特征在于，工 藝步驟為第一步為奧氏體化處理，處理溫度為850-900°C，保溫10-20min;第二步為 將上述奧氏體化的材料快速放入250-350°C的鹽液中保溫40-60s ；第三步是將上述鹽浴 后的材料放入250-350°C的馬弗爐中保溫5-20min，然后水冷至室溫；所述的含Si中碳鋼化學組成為C: 0.5 0.7wt%，Si: 1.2 — 1.8wt%, Mn: 0.4 0.8wt%, Cr: 0.2 ~ 0.4wt%, P<0.013wt%, S<0.005wt%,余量為 Fe。
全文摘要
一種含Si中碳鋼及其獲得高強高塑性的熱處理方法，屬于中碳鋼技術領域。化學組成為C0.5～0.7wt％，Si1.2～1.8wt％，Mn0.4～0.8wt％，Cr0.2～0.4wt％，P≤0.013wt％，S≤0.005wt％，余量為Fe。熱處理工藝為在850-900℃范圍內奧氏體化10-20分鐘；將奧氏體化的材料快速放入250-350℃鹽液中鹽浴淬火20-60秒鐘；從250-300℃鹽液中取出，放入250-350℃的空氣爐內保溫10-20分鐘，取出后水冷至室溫。優點在于，既實現材料獲得高強高塑性的下貝氏體+穩定化奧氏體組織，得到較好的強韌性，替代用戶復雜的熱處理，同時用電阻爐保溫部分代替等溫淬火在鹽浴爐內等溫時間，降低了鹽浴爐產壓力，優化了鹽浴淬火工藝；使該鋼的強度達到1500MPa以上，面縮率達到40％以上。
文檔編號C22C38/34GK102021479SQ20101060234
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月13日 優先權日2010年12月13日
發明者崔京玉, 張瑋, 王麗萍, 王全禮, 王猛, 王立峰 申請人:首鋼總公司