專利名稱：采用碳分配和回火提高淬火鋼件機械性能的熱處理方法
技術領域：
本發明涉及的是一種熱處理技術領域的方法，具體是一種采用碳分配和回 火提高淬火鋼件機械性能的熱處理方法。
技術背景鋼的熱處理一直是鋼鐵生產過程中的一種重要工藝，通過熱處理可以改變 鋼鐵的組織結構從而改變鋼鐵的性能。傳統的馬氏體鋼的熱處理工藝一般包括 淬火和回火，即通過淬火(水淬或者油淬)獲得馬氏體，并通過后繼的回火處 理改善其塑性。例如，經調質處理(淬火加高溫回火)后的組織是回火馬氏體 和奧氏體分解的產物一滲碳體和鐵素體。經過調質處理的鋼具有比較高的強度 和一定的塑性。但是調質鋼由于不含殘余奧氏體其塑性相對于先進高強度鋼而 言，例如相變誘發塑性鋼(TRIP鋼)，和雙相鋼(DP鋼)還有很大差別。目前 鋼鐵工業和汽車工業的發展需要具有高強度、同時又具較高的塑性的先進高強 度鋼；組織中的殘余奧氏體在許多情況下是有益的，例如在齒輪和軸承中，適 量的殘余奧氏體能夠增加接觸疲勞抗力，在比較厚的結構件中，殘余奧氏體有 可能提高斷裂抗力。經對現有技術的文獻檢索發現，J.Speer等在Acta Materialia 51 (國際材料 學報)(2003) P2611—2622上發表的"Carbon partitioning into austenite after martensite transformation"(奧氏體向馬氏體轉變后碳在馬氏體和奧氏體之間的 分配) 一文闡述了碳在馬氏體和殘余奧氏體之間分配的原理，通過碳的分配可 以實現奧氏體富碳，但是該技術強調了在碳分配過程中抑制碳化物析出，而本 發明提出在碳分配或隨后的回火工藝中使合適的碳化物析出以獲得高強度和 塑性的先進結構鋼。在進一步檢索中，尚未發現與本發明主題相同或者類似的 文獻報道。發明內容本發明針對現有技術的不足，提供了一種采用碳分配和回火提高淬火鋼件
機械性能的熱處理方法，使其增加工件的強度，相同成分的鋼經過本發明工藝 處理韌性可以提高20% 40%。本發明是通過以下技術方案實現的，包括以下步驟1) 將工件置于有保護氣氛或者真空加熱爐中，然后加熱使之全部奧氏體化；2) 將工件初次淬入液體淬火介質中，根據淬火溫度的高低，將有部分奧氏 體向馬氏體轉變；3) 將工件再次上淬至250-450。C的介質中，并在此溫度下保溫10—1800s， 碳由馬氏體擴散至奧氏體中，使奧氏體富碳；4) 將工件淬至水中，則獲得馬氏體和殘余奧氏體混合組織；5) 對于經上淬至250-450'C的介質并做長時間(100-1800s)保溫處理的工 件經水淬后可以直接作為結構件使用，此時馬氏體基體中已析出細小彌散的共格 碳化物；而對于上淬至250-450。C的介質做短時間(10-100s)等溫處理的工件須 進行低溫回火，回火溫度為l50-250°C，回火時間100-1800s，這樣使馬氏體基體 中析出更為細小彌散的共格碳化物。上述兩種工藝均可增加工件的強度，并可獲 得良好的綜合力學性能。本發明中，根據工件的成分選擇合適的初次淬火介質溫度，根據Ni和Mf 溫度及公式Vm二l-exp[a(Ms-T)]可以得到獲得馬氏體時的淬火溫度。式中，Vm 是馬氏體轉變量，Ms、 Mf^別是馬氏體轉變開始溫度和終結溫度，可以從手 冊上査到，T在Ms和Mf之間；a是與材料有關的系數，通過熱膨脹儀測定，液 體淬火介質的溫度丁對應于丫111=70% 90%的溫度。所述的保護氣氛為氮氣或氬氣。所述的液體淬火介質，是Sn-Bi、 Pb-Sn、 Pb-Bi液體、恒溫鹽浴(50%硝 酸鉀+ 50%亞硝酸鈉)和恒溫水浴。本發明在淬火后立即上淬至250-450。C的介質中，并在此溫度下保溫10— 1800s，碳由馬氏體擴散至馬氏體之間的奧氏體中，使奧氏體富碳，從而可以 穩定奧氏體，同時隨碳分配時間的增加，馬氏體基體中可析出細小彌散的共格 碳化物，隨后淬至水中獲得具有析出碳化物馬氏體和殘余富碳奧氏體組織，以 得到高硬度和高強度和良好的塑性相結合的鋼件。本發明在分配溫度等溫并水淬后，對于保溫時間短(10-100s)的鋼件再經
低溫回火處理，回火溫度150-25(TC，回火時間100-1800s，使馬氏體基體中析 出更為細小彌散的共格碳化物，從而產生彌散和沉淀強化，增加工件的強度。 本發明根據工件本身的化學成分，來改變初次淬火溫度和等溫溫度及時間 來獲得具有不同相對含量的馬氏體和富碳殘余奧氏體的微觀組織。對于含碳量低的鋼(0.15%-0.5%)，由于馬氏體開始形成溫度較高，故可以選取較高的淬 火溫度即250'C-30(TC;對于含碳量比較高的鋼(0.5%-0.7%)，由于馬氏體開 始形成溫度較低，故可以選取較低的淬火溫度即15(rC-25(TC。此外，根據鋼 件用途的需要，可以選擇合適的淬火溫度，以期獲得最大量的殘余奧氏體。本發明適用于含硅、鋁等元素的合金鋼，或(和)Nb、或(和)Mo、或 (和)Ni或(和)Mn等元素的合金鋼。本發明根據碳分配和回火的原理，提出了含錳、硅、鋁、鈮、鎳等元素合 金鋼碳分配和回火工藝處理使鋼件獲得帶有彌散共格碳化物(非滲碳體)的馬 氏體和相當含量的殘余奧氏體的組織的方法。與傳統的調質鋼相比較，相同成分的鋼經過碳分配和回火工藝處理韌性可以提高20% 40%，與TRIP鋼相比 較，相同成分的鋼經過碳分配和回火工藝處理強度可以提高30 50%，在同時 考慮鋼件強度和塑性兩者之間的平衡時，碳分配和回火工藝處理是一個合適的 選擇。
具體實施方式
下面對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下 進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限 于下述的實施例。以下實施例所適用的鋼件成分為碳含量為0.15-0.70% (質量分數，下同)， 硅含量為0.01%—3.0%，鋁含量為0.01-1.0%， Nb含量為0.0-0.22%， Mo含量 為0.0-2.0%， Ni含量為0.0-4.0X， Mn含量為0.05-2.0X。成分中含硅、鋁等合 金元素目的是抑制碳化物析出，讓碳能夠在等溫處理中由馬氏體中快速擴散至 奧氏體中，含Nb和Mo元素是為了在碳分配過程或回火過程中析出彌散共格碳 化物，從而在不明顯降低鋼件的塑性情況下強化組織。由此可使鋼件獲得具有 彌散共格碳化物分布的馬氏體基體和奧氏體復相組織，該組織可使鋼件在具有 高強度的同時，塑性仍然維持在一個較高的水平。經淬火、碳分配和回火處理 的鋼比一般淬火和回火鋼具較高的韌性，比經淬火、碳分配鋼具較高的強度。
實施例l:用含0.19XC、1.63XSi和1.59^Mn的鋼件，將鋼件加熱到卯0。C 保溫3min，然后淬至250'C的錫一鉍淬火劑中，待部分奧氏體向馬氏體轉變后， 立即上淬至40(TC并在此溫度下保溫120s，此時碳由馬氏體分配至馬氏體之間 的奧氏體中，從而穩定殘余奧氏體，然后水淬至室溫。經測試，鋼件的屈服強 度為650Mpa，抗拉強度為950 Mpa，總延伸率為21%。與相同成分的TRIP 鋼相比，經碳分配和回火處理的鋼件其抗拉強度比TRIP鋼提高了 200Mpa， 但是總延伸率降低了 10%。實施例2:將含0.485C、 1.195Mn、 1.185Si、 0.98Ni、 0.21Nb工件加熱到 85(TC保溫3min，然后淬至IO(TC的恒溫水槽中，并在此溫度下保持5秒后， 立即上淬至40(TC并在此溫度下保溫180s，然后用水淬至室溫。經測試，鋼件 的抗拉強度為2000 Mpa，總延伸率為11%。實施例3:將含0.485C、 1.195Mn、 1.185Si、 0.98Ni、 0.21Nb工件加熱到 76(TC保溫5min，然后淬至15(TC的錫一鉍淬火劑中，并在此溫度下保持20秒 后，立即上淬至400。C并在此溫度下保溫12s，然后用水淬至室溫，最后在l卯 'C回火0.5小時。經測試，鋼件的屈服強度為1100Mpa，抗拉強度為1700 Mpa， 總延伸率為16%，洛氏硬度(HRC)為51。實施例4:用含0.2%C， 1.45%Mn， 1.53%Si鋼制作結構件，將工件加熱 到90(TC保溫3min，然后淬至20(TC的錫一鉍淬火劑中，并在此溫度下保持5 秒中，待部分奧氏體向馬氏體轉變后，立即上淬至450 °C并在此溫度下保溫20s ， 此時碳由馬氏體分配至馬氏體之間的奧氏體中，從而穩定殘余奧氏體，然后用 水淬至室溫，最后在18(TC進行回火，回火時間為40分鐘。處理后鋼件的抗 拉強度為1320Mpa，總延伸率為12%。
權利要求
1、 一種采用碳分配和回火提高淬火鋼件機械性能的熱處理方法，其特征在 于，包括以下步驟1) 將工件置于有保護氣氛或者真空加熱爐中，然后加熱使全部奧氏體化;2) 將步驟l)得到的工件初次淬入液體淬火介質中，根據淬火溫度的高低， 將部分奧氏體向馬氏體轉變；3) 將步驟2)得到的工件再次上淬至250-45(TC的介質中，并在此溫度下保 溫，碳由馬氏體擴散至馬氏體之間的奧氏體中，使奧氏體富碳；4) 將步驟3)得到的工件淬至水中，獲得馬氏體和殘余奧氏體復相組織；5 ) 對于經上淬至250-450 °C的介質并做100-1800s保溫處理的工件經水淬 后，直接作為結構件使用，此時馬氏體基體中己析出細小彌散的共格碳化物；而 對于上淬至250-45(TC的介質做10-100s等溫處理的工件須進行低溫回火，回火溫 度為150-250'C，回火時間100-1800s，使馬氏體基體中析出細小彌散的共格碳化 物。
2、 根據權利要求1所述的采用碳分配和回火提高淬火鋼件機械性能的熱 處理方法，其特征是，所述的保護氣氛為氮氣或氬氣。
3、 根據權利要求1所述的采用碳分配和回火提高淬火鋼件機械性能的熱 處理方法，其特征是，所述的液體淬火介質，是Sn-Bi、 Pb-Sn、 Pb-Bi液體、 恒溫鹽浴和恒溫水浴。
4、 根據權利要求1或者3所述的采用碳分配和回火提高淬火鋼件機械性 能的熱處理方法，其特征是，所述的液體淬火介質，其溫度根據工件的成分選 擇，具體為根據Ms和Mf溫度及馬氏體轉變量與淬火溫度T的關系式Vm= l-exp[a(Ms-T)]得到獲得馬氏體時的淬火溫度，式中，Vm是馬氏體轉變量， Ms、 Mf分別是馬氏體轉變開始溫度和終結溫度，T在Ms和Mf之間；a是與材 料有關的系數，通過熱膨脹儀測定，液體淬火介質的溫度T對應于Vm=70% 90%的溫度。
5、 根據權利要求1所述的采用碳分配和回火提高淬火鋼件機械性能的熱處 理方法，其特征是，步驟2)中，所述的初次淬火，對于含碳為0.15%-0.5%的 鋼，淬火溫度為25(TC-30(TC。
6、根據權利要求l所述的采用碳分配和回火提高淬火鋼件機械性能的熱處 理方法，其特征是，步驟2)中，所述的初次淬火，對于含碳量為0.5%-0.7%的 鋼，淬火溫度為150。C-25(TC。
全文摘要
一種熱處理技術領域的采用碳分配和回火提高淬火鋼件機械性能的熱處理方法。本發明將工件置于有保護氣氛的加熱爐中，然后加熱使之全部奧氏體化后，將工件淬入液體淬火介質中，根據淬火溫度的高低，將有不同含量的奧氏體向馬氏體轉變，隨后將工件上淬至300-450℃的介質中，并在此溫度下保溫，在此過程中碳由馬氏體擴散至馬氏體之間的奧氏體中，使奧氏體富碳；然后將工件淬至水中，以獲得馬氏體和相當含量殘余奧氏體混合組織；最后將工件進行低溫回火，使鋼件具有細小彌散共格碳化物的馬氏體基體和殘余奧氏體組織，從而增加工件的強度。
文檔編號C21D11/00GK101121955SQ20071004588
公開日2008年2月13日 申請日期2007年9月13日 優先權日2007年9月13日
發明者徐祖耀, 戎詠華, 李洪巖, 王曉東, 金學軍, 寧 鐘 申請人:上海交通大學