一种中碳合金钢的Q‑P热处理工艺的制作方法

本发明属于热处理技术领域，是一种使中碳合金钢获得高弯曲性能的Q-P热处理方法。

背景技术：

淬火分配工艺(Quenching and partitioning process, Q-P process)是Speer于2003年提出的一种钢的热处理的新工艺，该工艺是将含Si或Al的钢奥氏体化后，在Ms和Mf点之间某一温度(Quenching temperature, QT)淬火，然后在同一温度或更高温度(Partitioning temperature, PT)下保温一定时间，最后空冷至室温的工艺。最终会得到贫碳马氏体和富碳残余奥氏体的组合。Q-P钢是第三代先进高强钢(Advanced high strength steel, AHSS)的典型代表，具有良好的强韧性组合。它以C-Mn-Si钢为基础，性能高且价格低。作为汽车的车身用钢和结构用钢，可使车身质量大大减轻，提高燃油经济性，还增强了车身的抗撞击能力，因而在汽车工业上得到了广泛的应用。

Q-P处理工艺过程如图1所示。首先将钢材加热奥氏体化，然后立即放入盐浴炉1中淬火，温度为QT，在Ms和Mf之间，随后转移到盐浴炉2中保温一定时间，温度为PT，一般高于QT，最后空冷至室温。

在Q-P处理工艺中，盐浴炉的使用贯穿整个淬火和分配阶段。盐浴主要起保温的作用，成分由硝酸盐或亚硝酸盐混合组成（比如45％NaNO₃和55％Na₂NO₃）。虽然盐浴的保温效果很好，但使用盐浴对中碳合金钢进行Q-P处理存在以下问题：

1、盐浴的冷却速度较慢。如图2所示，在500~800℃时，盐浴的冷却速度高于快速淬火油和普通矿物油。然而在低于400℃时，冷却速度反而比快速淬火油和普通矿物油低。虽然这样有利于减少工件内应力的产生并减缓开裂倾向，但研究表明中碳合金钢在淬火过程中，由于盐浴较弱的冷却能力，会导致除马氏体和残余奥氏体之外的其他相组织出现，如珠光体和铁素体等，从而降低工件的整体力学性能。

2、硝盐的耗能较大。一般来说，淬火工件与盐浴的重量比大约为1: 10。硝盐的用量巨大，根据硝盐的比热和密度，熔化1m³ 硝盐至少需要129 kW·h的电能。将1m³硝盐温度每升高或降低1℃，需要吸收或释放的能量为0.86 kW·h。因此，对于大尺寸零件，难以实现盐浴保温。

3、硝盐污染环境、伤害人体。硝酸盐蒸发或排放到空气中，对环境产生巨大污染。亚硝酸盐是一种致癌物质，长期使用，会威胁工作者的人身健康。后续的无污染处理将是一笔巨大的投入。

4、其他问题。比如淬火后，盐易粘结在工件上,残留的盐可引起腐蚀，而小孔、螺纹孔等死角处的清洗较为麻烦。除此之外，盐浴炉内易沉淀渣滓，渣滓较硬时难以清除。

综上所述，在中碳合金钢的Q-P处理过程中，盐浴炉的使用会引起一系列的环境问题和后续处理的困难，而最终获得的组织也难以达到要求获得的力学性能。此外，工业化大规模生产仍存在很大的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种中碳合金钢的Q-P热处理工艺，避免了Q-P处理过程中盐浴炉的使用，同样能获得符合性能要求的产品；利用本发明对52Mn2SiCr钢进行Q-P热处理后工件硬度≥56HRC，弯曲强度≥4009.9MPa，挠度≥9.2mm，获得了符合要求的高弯曲性能产品。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种中碳合金钢的Q-P热处理工艺，包括如下步骤：中碳合金钢在870-950℃下奥氏体化，随后在水基悬浮液中急冷1-3s；然后在100-190℃下保温5-15min，之后在250-280℃下保温30-240min，最后空冷至室温。

进一步的，奥氏体化时的保温时间由如下公式计算：保温时间(min)=有效厚度(mm)×0.5-1.5(min/mm)。

进一步的，水基悬浮液的成分如下：

按质量比计，SiO₂:Al₂O_3:Fe₂O₃:CaO:H₂O=0.1:0.15:0.05:0.05:0.65。

进一步的，急冷时水基悬浮液的流速保持在0.1~0.2m/s

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

（1）不采用盐浴介质淬火，避免其使用缺陷和可能引起的各种环境问题；也不采用易使工件开裂的普通水淬火。

（2）自制的水基悬浮液延缓了工件的内应力产生，能有效避免开裂，另外，自制的水基悬浮液极大降低热处理成本，同时符合绿色生产理念。

（3）在250-280℃下分配处理，该分配温度较之传统的Q-P热处理工艺相比偏低，较低的分配温度，避免了魏氏组织等的出现，结果表明，采用本发明提供的Q-P热处理工艺，硬度得到明显提升，达到56HRC，弯曲强度达到4009.9MPa，挠度达到9.2mm。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为传统Q-P处理的工艺图

图2为现有技术不同淬火介质的冷却速度比较图。

图3为本发明所述的Q-P热处理工艺过程图。

图4为采用本发明工艺下的52Mn2SiCr钢显微组织金相图。

图5为采用本发明工艺下的52Mn2SiCr钢硬度随热处理工艺变化图。

具体实施方式

如图3所示，本发明所述的一种中碳合金钢的热处理方法，包括其在870-950℃下奥氏体化，奥氏体化保温时(min)=有效厚度(mm)×0.5-1.5(min/mm)，随后在自制的水基悬浮液中急冷1-3s，急冷时水基悬浮液的流速保持在为0.1~0.5m/s；然后在100-190℃保温5-15min；之后随炉升温至250-280℃，保温30-240min；最后空冷至室温，其中，水基悬浮液组分质量比如下：SiO₂:Al₂O_3:Fe₂O₃:CaO:H₂O=0.1:0.15:0.05:0.05:0.65。

本发明的具体热处理工艺过程如下：

第一步：准备好两台普通电阻加热炉，一台加热炉温度加热到870-950℃，同时另一台加热炉加热到100-190℃。等待温度稳定，再进行下一步骤。

第二步：将工件快速推入温度为870-950℃的加热炉中，并使得工件靠近热电偶处。保温时间由工件的有效厚度决定，奥氏体化保温时(min)=有效厚度(mm)×0.5-1.5(min/mm)。工件送入加热炉后，等待温度稳定在870-900℃开始计保温时间。

第三步：加热后，快速取出工件，迅速在室温的自制的淬火水基悬浮液介质中淬火1-3s。

第四步：淬火1-3s后，迅速送入温度为100-190℃的加热炉中，保温5-15min(温度稳定再计时)。

第五步：随炉升温至250-280℃，保温30-240min后空冷至室温。

图4所示的为采用本发明实施例所述的热处理工艺得到的52Mn2SiCr钢的显微组织。从图4可以看到平行的贝氏体束，黑色块状/条状马氏体，细小的马氏体/贝氏体加残余奥氏体。残余奥氏体和贝氏体对材料的韧性起着较大的作用，而贝氏体和高碳马氏体为材料强度的主要影响因素。

经实施例所述的Q-P热处理工艺处理前后硬度值的比较如图5所示。硬度值的高低往往可以最直观地反映性能的好坏。从图5中可以看出，与原始试样相比，经实施例所述的Q-P热处理工艺处理后，硬度值有了大幅度提高，由原先的40HRC增长到56HRC以上，是原先的1.4倍以上。

表1为采用本发明实施例所述工艺后52Mn2SiCr钢弯曲强度与弯曲挠度随热处理工艺的变化。可以发现随着分配时间的增加，弯曲强度不断增大，120min时达到最大值。随着淬火温度的提高，弯曲强度不断增大。弯曲挠度的变化规律与弯曲强度一致。即当淬火温度为180℃，分配时间为240min时，弯曲强度最大，达4009.9MPa，挠度最大，为9.2mm。也就是说，淬火温度为180℃，分配时间为120min时，该中碳合金钢可以获得最佳的强韧性组合。

表1 采用本发明工艺下的52Mn2SiCr钢弯曲强度与弯曲挠度随热处理工艺的变化