一種可替代調(diào)質(zhì)處理的中碳鋼熱機(jī)械處理方法與流程

本發(fā)明涉及一種鋼鐵材料的處理方法。

背景技術(shù)：

中碳鋼的傳統(tǒng)熱處理是調(diào)質(zhì)處理，即淬火后高溫回火，獲得回火索氏體組織，該組織由鐵素體基體和均勻分布的球狀滲碳體顆粒組成，從而保證獲得良好的強(qiáng)度、塑性和韌性的配合，即獲得良好的綜合力學(xué)性能。這一傳統(tǒng)工藝主要應(yīng)用于制造軸、銷(xiāo)、齒輪及連桿等機(jī)械零部件。調(diào)質(zhì)處理工藝涉及淬火和高溫回火，存在如下不足：(1)淬火和高溫回火需要長(zhǎng)時(shí)間加熱和保溫，消耗大量的能源，生產(chǎn)效率低，且淬火和回火所用冷卻介質(zhì)對(duì)環(huán)境有一定的污染。(2)為了保證較大截面尺寸工件獲得均勻的回火索氏體組織，必須使用具有高淬透性的添加價(jià)格較高合金元素的合金鋼，來(lái)滿(mǎn)足大截面工件的淬透層深度要求，材料成本高；對(duì)于一些合金鋼，還存在高溫回火脆性敏感性，不得不加入較昂貴的合金元素Mo。(3)淬火過(guò)程伴有快速馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的體積膨脹效應(yīng)，引起較大的淬火應(yīng)力，存在工件變形、內(nèi)部微裂紋萌生和開(kāi)裂傾向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種既能保證中碳鋼內(nèi)部金相又節(jié)能、效率高的可替代調(diào)質(zhì)處理的中碳鋼熱機(jī)械處理方法。本發(fā)明所述方法的技術(shù)路線(xiàn)是：將中碳調(diào)質(zhì)鋼加熱到α+γ兩相區(qū)，保溫后進(jìn)行多道次軋制變形，然后空冷至室溫，獲得具有纖維狀特征的鐵素體+球狀滲碳體組織。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案具體如下：

(1)將中碳鋼棒料在加熱爐中加熱至α+γ兩相區(qū)溫度，溫度范圍720～820℃，保溫40min，使其獲得鐵素體+奧氏體雙相組織；

(2)取出鋼棒立即進(jìn)行9道次孔型軋制，總的累計(jì)變形量控制在不低于70％，且軋制過(guò)程中每3道次后放回加熱爐重新加熱5min，再進(jìn)行下一個(gè)3道次軋制，第9道次軋制后空冷到室溫。因?yàn)檐堉瞥跗阼F素體發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，奧氏體被拉長(zhǎng)變成纖維狀，并使晶界和位錯(cuò)增多。軋制過(guò)程伴隨棒料的冷卻，當(dāng)溫度降低到A_r1時(shí)，奧氏體發(fā)生動(dòng)態(tài)珠光體轉(zhuǎn)變，同時(shí)在軋制應(yīng)力和應(yīng)變作用下片層狀的碳化物會(huì)破碎。為了防止軋制過(guò)程溫度降過(guò)多引起軋制抗力快速增大，采取每3道次后將軋棒放回開(kāi)軋加熱爐中保溫5min，此時(shí)由于晶界和位錯(cuò)對(duì)碳原子擴(kuò)散的促進(jìn)作用，使?jié)B碳體發(fā)生快速球化，同時(shí)也會(huì)發(fā)生部分奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程，如此保證在軋制抗力不顯著增大的條件下完成后續(xù)的軋制過(guò)程。第9道次軋制后空冷到室溫，得到鐵素體和顆粒狀碳化物組成的纖維狀組織，并且有較強(qiáng)的<101>絲織構(gòu)，使大量的鐵素體的{001}解理面平行于軋制方向，這既有利于垂直于軋制方向沖擊斷口出現(xiàn)裂紋偏折而提高沖擊韌性，也有利于提高強(qiáng)度和塑性。

本發(fā)明所述方法的物理冶金學(xué)原理是：中碳鋼在兩相區(qū)初始道次軋制變形，使鐵素體發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶細(xì)化，奧氏體變形使晶粒沿軋制方向拉長(zhǎng)發(fā)生纖維化，致使奧氏體晶界數(shù)量及位錯(cuò)密度增加。軋制過(guò)程中，伴隨坯料溫度降低，奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變成珠光體類(lèi)型的組織，由于變形奧氏體中晶界數(shù)量和位錯(cuò)密度較高，使珠光體中的滲碳體片細(xì)化，且間距減小。經(jīng)短時(shí)回爐加熱，再進(jìn)行軋制變形時(shí)，導(dǎo)致滲碳體片碎化，促進(jìn)滲碳體球化，同時(shí)這些滲碳體也抑制鐵素體的晶粒長(zhǎng)大。那么，冷卻到室溫時(shí)，可獲得纖維化的細(xì)化鐵素體和球狀滲碳體組織。

本發(fā)明與傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、采用本方法可在中碳鋼中獲得與其調(diào)質(zhì)處理相同的組織，即鐵素體和球狀滲碳體組織，且其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和沖擊韌性均高于GB/T 699-1999中碳鋼調(diào)質(zhì)處理規(guī)定的指標(biāo)。

2、制備工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高。

3、不涉及淬火和回火熱處理工序，避免了冷卻介質(zhì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染，不涉及淬火應(yīng)力引起的工件變形、內(nèi)部微裂紋萌生和開(kāi)裂，產(chǎn)品工藝性能和力學(xué)性能不受淬透性和回火脆性等影響。

4、對(duì)于大截面工件，無(wú)需選用合金鋼，采用本發(fā)明處理的中碳鋼完全能滿(mǎn)足要求，使材料成本大大降低。

表1列出了用本發(fā)明所述方法與GB/T 699-1999調(diào)質(zhì)處理的中碳鋼力學(xué)性能對(duì)比：

表1

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的棒材顯微組織的掃描電鏡照片圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例2所制備的棒材顯微組織的掃描電鏡照片圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例3所制備的棒材顯微組織的掃描電鏡照片圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例4所制備的棒材顯微組織的掃描電鏡照片圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例5所制備的棒材顯微組織的掃描電鏡照片圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例6所制備的棒材顯微組織的掃描電鏡照片圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例7所制備的棒材顯微組織的掃描電鏡照片圖。

具體實(shí)施方式

下面將根據(jù)具體的實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明所述工藝進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

將直徑為30mm的商用45鋼圓棒加熱至720℃，保溫40min，出爐進(jìn)行累計(jì)變形量為70％的9道次孔型軋制(方-菱-方)，得到方形截面的棒材。其中第9道次為整形工序，第8道次軋制后將鋼棒轉(zhuǎn)90°再進(jìn)第8個(gè)孔軋制。第3、第6道次軋制后，鋼棒分別放回720℃的爐中保溫5分鐘。第9道次軋制結(jié)束后直接空冷。

實(shí)施例2～6

按照實(shí)施例1的方案進(jìn)行，與實(shí)施例1的區(qū)別在于將加熱溫度由720℃變?yōu)?40、760℃、780℃、800℃和820℃，且第3、第6道次軋制結(jié)束后鋼棒回爐加熱的溫度相應(yīng)地也由720℃變?yōu)?40℃、760℃、780℃、800℃和820℃。

實(shí)施例7

按照實(shí)施例3的方案進(jìn)行，與實(shí)施例3的區(qū)別在于將所用鋼材改為35鋼。

表2列出了實(shí)施例1～7所制備的棒材的力學(xué)性能。

表2