一种可替代调质处理的中碳钢热机械处理方法与流程

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。

技术实现要素：

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。

图7为本发明实施例7所制备的棒材显微组织的扫描电镜照片图。

具体实施方式

下面将根据具体的实施例和说明书附图对本发明所述工艺进一步说明。

实施例1

将直径为30mm的商用45钢圆棒加热至720℃，保温40min，出炉进行累计变形量为70％的9道次孔型轧制(方-菱-方)，得到方形截面的棒材。其中第9道次为整形工序，第8道次轧制后将钢棒转90°再进第8个孔轧制。第3、第6道次轧制后，钢棒分别放回720℃的炉中保温5分钟。第9道次轧制结束后直接空冷。

实施例2～6

按照实施例1的方案进行，与实施例1的区别在于将加热温度由720℃变为740、760℃、780℃、800℃和820℃，且第3、第6道次轧制结束后钢棒回炉加热的温度相应地也由720℃变为740℃、760℃、780℃、800℃和820℃。

实施例7

按照实施例3的方案进行，与实施例3的区别在于将所用钢材改为35钢。

表2列出了实施例1～7所制备的棒材的力学性能。

表2