一种钢材的强化热处理试验方法
【专利摘要】本发明涉及一种钢材的强化热处理试验方法，包括如下步骤：（1）加热淬火阶段：（1-1）将钢材加热到高于完全奥氏体化（Ac3）30℃的温度保温一段时间，使得材料完全奥氏体化；（1-2）利用水冷使其快速冷却；（2）回火保温处理：在完成淬火处理后，对其进行二次热处理。通过强化热处理，使得低碳钢组织中出现了强化性能所需要的金相组织，有效的达到了改善、强化低碳钢种力学性能的作用，一定程度上实现了产品性能的升级，有一定的经济价值。通过以上的强化热处理工艺，使得组织中出现了类似马氏体等强化组织，强度平均提升约90MPa，延伸率也有2-4%的提升，硬度值也有少许提升。
【专利说明】一种钢材的强化热处理试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属热处理，主要用于利用强化热处理方式优化钢材中金相组织，以提高、改善低碳钢钢材的力学性能，具体涉及一种提高、改善低碳钢钢种的力学性能的强化热处理试验工艺。
【背景技术】
[0002]传统的强化性能热处理工艺一般只针对于中、高碳钢，因为此钢种的碳含量有利于钢材中强化金相组织的出现。
[0003]长期以来低碳结构钢一直被认为淬透性低，淬火时得不到马氏体，或是马氏体含量较少，热处理不会有强化效果，添加提高淬透性的合金含量虽然可以提高其淬透性，但是在成本上有所提升。
[0004]经过实验室工艺研究表明，低碳钢通过适当的热处理工艺是可以强化的，也可以得到淬火马氏体，再利用适当的后续热处理工艺促使马氏体组织转变，利用这部分马氏体转变的组织改善、提高钢种的力学性能。
[0005]经过实验室工艺研究表明，低碳钢通过适当的热处理工艺是达到强化其性能的作用，也可以得到淬火马氏体，因而其综合机械性能也得到了相应的提高。
[0006]淬火阶段低碳钢种会出现的少量马氏体组织，在回火阶段利用控制回火温度、保温时间的方式促使马氏体组织向不同的组织类型转变，从而得到最试验者想要的组织类型，反应在力学性能上可以调整、控制钢种的强度与塑韧性。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种提高、改善低碳钢钢种的力学性能的强化热处理试验方法，通过使用适当的强化热处理工艺优化低碳钢钢种中金相组织，以提高、改善低碳钢钢种的力学性能，可以实现产品的升级，提高钢种的附加值，有一定的经济价值。
[0008]具体技术方案如下:
[0009]一种钢材的强化热处理试验方法，包括如下步骤:
[0010](1)加热淬火阶段:
[0011](1-1)将钢材加热到高于完全奥氏体化(Ac3)30°C的温度保温一段时间，使得材料完全奥氏体化；
[0012](1-2)利用水冷使其快速冷却；
[0013](2)回火保温处理:在完成淬火处理后，对其进行二次热处理。
[0014]进一步地，步骤(1-2)中平均冷却速率≥160°C /S，保证冷却后组织中含有部分马氏体组织。
[0015]进一步地，所述钢材为低碳钢钢种，步骤(2)中利用前期淬火中产生的部分马氏体的组织转变来达到改善力学性能的作用。
[0016]进一步地，进一步包括步骤:(3)根据需要得到的最终力学性能来设定不同的回火阶段工艺参数。
[0017]进一步地，步骤(1-1)中利用热成像仪或热模拟软件计算材料完全热透所需要的时间。
[0018]进一步地，步骤(1-2)后还包括步骤:(1-3)金相制备进行组织观察，观察在淬火后金相组织中马氏体含量情况。
[0019]进一步地，步骤(1-3)后还包括步骤:(1-4)根据生成马氏体组织含量的多少来确定最佳的加热温度T1，最佳的温度为淬火后组织中生成较多的马氏体的温度。
[0020]进一步地，步骤(2)中进一步包括如下步骤:
[0021](2-1)制定不同的回火温度；
[0022](2-2)当温度加热到回火温度T2时，分别保温一段时间确保材料热透，温度均匀；
[0023](2-3)回火后空冷，进行金相制备；[0024](2-4)进行组织观察，观察组织中淬火马氏体组织的转变状态，使不同的最终组织形态与这组织转变的回火温度一一对应。
[0025]进一步地，步骤(3)中根据确定的淬火温度T1，回火温度T2与组织、力学性能的对应情况，根据最佳的性能结果确定其工艺参数。
[0026]进一步地，步骤(2-2)中回火的保温时间采用热成像仪或是热模拟软件计算。
[0027]与目前现有技术相比，本发明通过强化热处理，使得低碳钢组织中出现了强化性能所需要的金相组织，有效的达到了改善、强化低碳钢种力学性能的作用，一定程度上实现了产品性能的升级，有一定的经济价值。通过以上的强化热处理工艺，使得组织中出现了类似马氏体等强化组织，强度平均提升约90MPa，延伸率也有2-4%的提升，硬度值也有少许提升。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为热处理后试样厚度方向金相组织
[0029](a)边部 (b)四分之一 (c)心部
[0030]图2为试验工艺曲线
【具体实施方式】
[0031]下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
[0032]低碳钢强化热处理工艺分为分别是淬火、回火两个阶段，这两个阶段分别需要特定的试验来确定加热温度、保温时间、冷却速度这三个工艺参数，而这三种工艺参数最佳有效的结合也需要一个交叉试验来确定。
[0033]淬火处理:将钢材加热到高于完全奥氏体化(Ac3) 30°C的温度保温一段时间，使得材料完全奥氏体化，利用水冷使其快速冷却，平均冷却速率保证> 160°C /S，可以保证冷却后组织中含有部分马氏体组织，其中，针对不同的钢种成份完全奥氏体化温度(Ac3)可以用经验公式 Acs(°C ) = 910-203C1/2-15.2Ν?+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1W 算出来，或是用模拟软件模拟出温度，高于其30°C的温度设置是为了保证加热温度在完全奥氏体化温度以上。[0034]保温时间范围其实就是要保证热处理加热的工件每个部分都全部达到其设定温度，也就是热透，根据工件的大小不同时间范围也不一样，可以用surform或是MAC软件模拟出来工件热透的时间，只要保证加热时间超过这个时间范围即可。
[0035]淬火时钢制件中需要得到100%马氏体的部位，其冷却速度(冷却速率)必须大于临界冷却速度。其临界冷却速度(得到马氏体组织的所需最低冷却速度)可以通过经验公式利用碳当量来计算或是金属模拟软件surform，计算的经验公式众多，但是一般水冷即采用≥160°C /S的快速冷却方式均可得到马氏体。
[0036]冷却到金属的Ms温度以下的范围就可以的到马氏体组织，其温度可以用经验公式计算或是金属模拟软件surform计算,经验公式众多，如下,可以根据要试验钢种的合金成分的不同选择公式。
[0037]Ms = 498.9-316.7C-33.3Mn_27.8Cr-16.7Ν?-11.1 (Si+Mb+ff)
[0038]Ms = 496.1 (1-0.620C) (1-0.092Mn) (1-0.033Si) (1-0.045Ni) (1-0.070Cr)(1-0.029Mb)(l-0.013W)(1+0.120Co)
[0039]Ms = 498.9-333.3C-33.3Mn_27.8Cr-16.7Ν?-11.1 (Si+Mo+ff)
[0040]Ms = 537.8-361.1C-38.9 (Mn+Cr)-19.4Ν?-27.8Mb
[0041]Ms = 561.1-473.9C-16.7 (Ni+Cr) -21.1Mb
[0042]Ms = 539-423C-30.4Mn_17.7Ni_12.lCr-7.5Mb
[0043]Ms = 512-453C-16.Ni+15Cr-9.5Mb+217C2_71.5MnC_67.6CrC"
[0044]Ms = 520-320C-50Mn-30Cr-20(Ni+Mb)-5(Cu+Si)
[0045]Ms = 550-240C-45Mn-35Cr-26N1-25Mb30V-7Cu-0Si+12Co+13Al
[0046]Ms = 635-474[C+0.86(N_0.15(Nb+zr)-0.066(Ta+Hf)]-(17Cr+33Mn+2Mb+17Ni+39V+1W)
[0047]Ms = 550-350C-45Mn-30Cr-20N1-16Mb-8ff-5Si+6Co+15Al-35(V+Nb+Zr+Ti)
[0048]C < 0.05% (mass)
[0049]Ms = 525-350(C-0.05)-45Mn-30Cr-20N1-16Mb-8W-5Si+6Co+15Al-35(V+Nb+Zr+Ti)
[0050]C > 0.05% (mass)
[0051 ] Ms = 41.7(14.6-Cr+5.6 (8.9_Ni) +33.3(1.33-Mn) +27.8 (0.47-Si) +1666.7 (0.068-C-N-17.8
[0052]回火处理:在完成淬火处理后，对其进行二次热处理，利用前期淬火中产生的部分马氏体的组织转变来达到改善力学性能的作用。通过试验，可根据需要得到的最终力学性能来设定不同的回火阶段工艺参数。
[0053]其中，回火工艺采用的是中温回火，也就是加热在Acl和Ac3的温度之间，不同化学成分的钢种可以通过经验公式计算或是计算机模拟出来。
[0054]经验公式如下:
[0055]Acs(°C ) = 710-203C1/2-15.2Ν?+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1ff
[0056]Acl=723-10.7Μη_16.9Ν?+29.lSi+16.9Cr+290As+6.38W
[0057]回火温度一般取在Acl和Ac3的温度之间，保温时间根据热处理工件的尺寸和大小，保证工件的每个部位温度均达到保温温度即可。[0058]通过回火处理这一阶段的温度大小、保温时间的控制，促使淬火阶段产生的少量马氏体组织向不同的组织形态转变，从而依靠不同的金相组织形态反应处不同的力学性倉泛。
[0059]图1是经过强化热处理后试验材料厚度方向的金相组织情况，其金相组织主要由马氏体、贝氏体、铁素体三种组织构成。马氏体含量:边部:20%,四分之一处:15%，心部10%
[0060]本试验材料的化学成分见表1所示:
[0061]表1试验钢材料化学成分
[0062]
【权利要求】
1.一种钢材的强化热处理试验方法，其特征在于，包括如下步骤:(1)加热淬火阶段:(1-1)将钢材加热到高于完全奥氏体化(Ac3)30°C的温度保温一段时间，使得材料完全奥氏体化；(1-2)利用水冷使其快速冷却；(2)回火保温处理:在完成淬火处理后，对其进行二次热处理。
2.如权利要求1所述的钢材的强化热处理试验方法，其特征在于，步骤(1-2)中平均冷却速率≥160°C /S，保证冷却后组织中含有部分马氏体组织。
3.如权利要求1或2所述的钢材的强化热处理试验方法，其特征在于，所述钢材为低碳钢钢种，步骤(2)中利用前期淬火中产生的部分马氏体的组织转变来达到改善力学性能的作用。
4.如权利要求1-3中任一项所述的钢材的强化热处理试验方法，其特征在于，进一步包括步骤:(3)根据需要得到的最终力学性能来设定不同的回火阶段工艺参数。
5.如权利要求1-4中任一项所述的钢材的强化热处理试验方法，其特征在于，步骤(1-1)中利用热成像仪或热模拟软件计算材料完全热透所需要的时间。
6.如权利要求1-5中任一项所述的钢材的强化热处理试验方法，其特征在于，步骤(1-2)后还包括步骤:(1-3)金相制备进行组织观察，观察在淬火后金相组织中马氏体含量情况。
7.如权利要求1-6中任一项所述的钢材的强化热处理试验方法，其特征在于，步骤(1-3)后还包括步骤:(1-4)根据生成马氏体组织含量的多少来确定最佳的加热温度T1，最佳的温度为淬火后组织中生成较多的马氏体的温度。
8.如权利要求7所述的钢材的强化热处理试验方法，其特征在于，步骤(2)中进一步包括如下步骤:(2-1)制定不同的回火温度；(2-2)当温度加热到回火温度T2时，分别保温一段时间确保材料热透，温度均匀；(2-3)回火后空冷，进行金相制备；(2-4)进行组织观察，观察组织中淬火马氏体组织的转变状态，使不同的最终组织形态与这组织转变的回火温度一一对应。
9.如权利要求8所述的钢材的强化热处理试验方法，其特征在于，步骤(3)中根据确定的淬火温度T1，回火温度T2与组织、力学性能的对应情况，根据最佳的性能结果确定其工艺参数。
10.如权利要求8或9所述的钢材的强化热处理试验方法，其特征在于，步骤(2-2)中回火的保温时间采用热成像仪或是热模拟软件计算。
【文档编号】C21D1/18GK103643012SQ201310705112
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】金宝安, 胡学文, 王莹, 王小燕, 王海波, 李忠义, 章海 申请人:马钢(集团)控股有限公司, 马鞍山钢铁股份有限公司