[发明专利]一种可替代调质处理的中碳钢热机械处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢铁材料的处理方法。

背景技术

中碳钢的传统热处理是调质处理，即淬火后高温回火，获得回火索氏体组织，该组织由铁素体基体和均匀分布的球状渗碳体颗粒组成，从而保证获得良好的强度、塑性和韧性的配合，即获得良好的综合力学性能。这一传统工艺主要应用于制造轴、销、齿轮及连杆等机械零部件。调质处理工艺涉及淬火和高温回火，存在如下不足：(1)淬火和高温回火需要长时间加热和保温，消耗大量的能源，生产效率低，且淬火和回火所用冷却介质对环境有一定的污染。(2)为了保证较大截面尺寸工件获得均匀的回火索氏体组织，必须使用具有高淬透性的添加价格较高合金元素的合金钢，来满足大截面工件的淬透层深度要求，材料成本高；对于一些合金钢，还存在高温回火脆性敏感性，不得不加入较昂贵的合金元素Mo。(3)淬火过程伴有快速马氏体转变产生的体积膨胀效应，引起较大的淬火应力，存在工件变形、内部微裂纹萌生和开裂倾向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能保证中碳钢内部金相又节能、效率高的可替代调质处理的中碳钢热机械处理方法。本发明所述方法的技术路线是：将中碳调质钢加热到α+γ两相区，保温后进行多道次轧制变形，然后空冷至室温，获得具有纤维状特征的铁素体+球状渗碳体组织。

本发明采用的技术方案具体如下：

(1)将中碳钢棒料在加热炉中加热至α+γ两相区温度，温度范围720～820℃，保温40min，使其获得铁素体+奥氏体双相组织；

(2)取出钢棒立即进行9道次孔型轧制，总的累计变形量控制在不低于70％，且轧制过程中每3道次后放回加热炉重新加热5min，再进行下一个3道次轧制，第9道次轧制后空冷到室温。因为轧制初期铁素体发生动态再结晶，奥氏体被拉长变成纤维状，并使晶界和位错增多。轧制过程伴随棒料的冷却，当温度降低到A_r1时，奥氏体发生动态珠光体转变，同时在轧制应力和应变作用下片层状的碳化物会破碎。为了防止轧制过程温度降过多引起轧制抗力快速增大，采取每3道次后将轧棒放回开轧加热炉中保温5min，此时由于晶界和位错对碳原子扩散的促进作用，使渗碳体发生快速球化，同时也会发生部分奥氏体转变过程，如此保证在轧制抗力不显著增大的条件下完成后续的轧制过程。第9道次轧制后空冷到室温，得到铁素体和颗粒状碳化物组成的纤维状组织，并且有较强的<101>丝织构，使大量的铁素体的{001}解理面平行于轧制方向，这既有利于垂直于轧制方向冲击断口出现裂纹偏折而提高冲击韧性，也有利于提高强度和塑性。

本发明所述方法的物理冶金学原理是：中碳钢在两相区初始道次轧制变形，使铁素体发生动态再结晶细化，奥氏体变形使晶粒沿轧制方向拉长发生纤维化，致使奥氏体晶界数量及位错密度增加。轧制过程中，伴随坯料温度降低，奥氏体会转变成珠光体类型的组织，由于变形奥氏体中晶界数量和位错密度较高，使珠光体中的渗碳体片细化，且间距减小。经短时回炉加热，再进行轧制变形时，导致渗碳体片碎化，促进渗碳体球化，同时这些渗碳体也抑制铁素体的晶粒长大。那么，冷却到室温时，可获得纤维化的细化铁素体和球状渗碳体组织。

本发明与传统调质处理相比具有如下优点：

1、采用本方法可在中碳钢中获得与其调质处理相同的组织，即铁素体和球状渗碳体组织，且其抗拉强度、屈服强度、延伸率和冲击韧性均高于GB/T 699-1999中碳钢调质处理规定的指标。

2、制备工艺简单，生产效率高。

3、不涉及淬火和回火热处理工序，避免了冷却介质对环境产生的污染，不涉及淬火应力引起的工件变形、内部微裂纹萌生和开裂，产品工艺性能和力学性能不受淬透性和回火脆性等影响。

4、对于大截面工件，无需选用合金钢，采用本发明处理的中碳钢完全能满足要求，使材料成本大大降低。

表1列出了用本发明所述方法与GB/T 699-1999调质处理的中碳钢力学性能对比：

表1

附图说明

图1为本发明实施例1所制备的棒材显微组织的扫描电镜照片图。

图2为本发明实施例2所制备的棒材显微组织的扫描电镜照片图。

图3为本发明实施例3所制备的棒材显微组织的扫描电镜照片图。

图4为本发明实施例4所制备的棒材显微组织的扫描电镜照片图。

图5为本发明实施例5所制备的棒材显微组织的扫描电镜照片图。

图6为本发明实施例6所制备的棒材显微组织的扫描电镜照片图。