应用脉冲电流消除合金结构钢、工具钢基体中缺陷组织的方法技术

一种应用脉冲电流消除合金结构钢、工具钢基体中缺陷组织的方法，钢材放在热处理电炉中，钢材的正负两个端面与炉外脉冲电流发生器用导线联接，当合金结构钢加热到临界相变温度Ａ↓［Ｃ３］＋５０℃或者工具钢加热到临界相变温度Ａ↓［Ｃ１］＋（２０～５０℃）时开始保温，同时打开脉冲电流发生器，输入强度为８５０Ａ－１０００Ａ、频率为５０Ｈｚ－３０Ｈｚ的脉冲电流，保持１０～１５分钟后，合金结构钢按正火工艺执行，出炉空冷，工具钢在炉内冷却；该方法在金属加热到满足相变热力学条件的同时，再输入占空比很小的低频脉冲大电流，提高组织转变速度，在较短时间内细化晶粒，清除钢中的带状组织、网状组织，为后续热处理工艺提供理想的基体组织。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应用脉冲电流迅速有效地消除合金结构钢、工具钢基体中 缺陷组织的方法。技术背景1、低、中碳钢合金结构钢如20、 45、 G20CrNi2MoA、 12Cr2Ni4A、 20CrMnTi、 20CrNi等材料，在轧制和锻造时，沿压延方向，往往会出现铁素体和珠光体这 两种组织交替成层分布的情况，在显微镜下看到的这种组织称为带状组织，如 图l所示。低、中碳钢、合金结构钢中形成带状组织的原因，是由于自奥氏体状态缓 慢冷却经过该材料相变临界温度AT3和A^的温度范围或者在此温度范围内进行 热压力加工时，钢中被拉长了的各种非金属夹杂物对铁素体的析出起核心作用， 就先形成带状铁素体，因为铁素体的碳含量很低(在727-C时只有0.0218%), 它的形成促使碳向未转变的奥氏体区域扩散，余下的奥氏体经过该材料的相变 临界温度A^时，碳浓度达到共析成分而转变为珠光体，结果形成了铁素体和珠 光体这两种组织交替成层分布的带状组织。带状组织严重时，会影响到钢的被 切削加工性，表面光洁度差，渗碳时引起渗层组织不均匀，热处理时易变形， 硬度不均匀。"带状组织"的存在使材料的力学性能具有明显的方向性，其纵向、 横向力学性能相差很大， 一般纵向的抗拉强度较高，延伸率和断面收縮率比较 好，而横向的抗拉强度显著降低，延伸率和断面收縮率下降尤其明显。资料介 绍，同一金属材料在基体组织中有带状组织时，如果横向，即与纤维方向呈90。 的寿命指标为l的话，那么纵向，即与纤维方向一致的寿命则为2.5，这表明带 状组织造成的各向异性是很严重的，它的存在将导致该零件总体力学性能的降 低，使零件的服役寿命减少，造成很大损失。传统工艺是将钢件正火或反复镦粗、拔长来减少带状组织，但需要消耗大 量能源和工时，效果不明显，大部分情况下仍将此组织保留到最后加工结束的零件中，所以零件服役时间不长，造成资源的浪费。2、合金工具钢的化学成分、基体组织、应用范围与合金结构钢截然不同， 它们都属于过共析成分钢，毛坯经轧制、锻造缓冷后，在基体组织中很容易形 成网状碳化物与粗大片状珠光体的混合组织。碳素工具钢、合金工具钢中，如: T7、 T8、 T10、 GCr15 、 9CrSi、 Crl2MoV在基体组织中会出现片状珠光体和珠光 体团外的网状二次渗碳体，见图2所示。该组织的存在不仅使切削性能变坏， 当淬火冷却时，容易在很脆的网状渗碳体处形成应力集中而导致零件变形、开 裂，造成很大损失。处理这一问题的传统工艺之一是球化退火的方法，但在工厂中最常用是将 合金工具钢加热到该钢的加热相变临界温度Aci + (20 ~50°C )，也就是在奥氏体 十二次渗碳体两相区间，保温2小时后，在冷却相变临界温度An - (20~50°C) 以下温度保温4~10小时，然后随炉冷却至35(TC后出炉空冷。球化退火工艺的原理是在Aci十(20~50°C)加热、保温时，给系统相变 时提供了热力学条件。为降低整个系统的自由能，珠光体自发向奥氏体组织转 变；网状碳化物开始溶解、断裂、破碎；层片状碳化物逐渐断裂为许多链状或 点状碳化物，弥散的分布在奥氏体基体上。由于加热温度较低，时间短，刚转 变成的奥氏体中化学成分极不均匀原来是片状渗碳体的部位，碳浓度高，铁 素体的部位，碳浓度低。在随后冷却相变临界温度Arl以下的缓冷、保温过程中， 一方面，大量的碳 原子会以未溶的渗碳体质点为核心集聚、或者在原来奥氏体中碳浓度高的地方 产生新的核心，形成球粒状渗碳体，另一方面，过冷奥氏体由于碳原子大量的 析出，含碳量很低(<0.0218%)，而转变为铁素体组织，最终得到在铁素体基 体上均匀分布球粒状碳化物的球状珠光体组织。但是由于传统的球化退火工艺周期太长(5~10小时)，耗能严重、效率很低、 质量不稳定，容易出现废品。
技术实现思路
为了解决传统热处理工艺中不能有效地清除合金结构钢中带状组织，合金 工具钢、碳素工具钢中网状组织的问题，本专利技术提出一种应用脉冲电流迅速有 效地消除合金结构钢、工具钢基体中缺陷组织的方法，该方法在金属加热到满足相变热力学条件的同时，再输入占空比很小的低频脉冲大电流，使基体组织转变过程中，获得额外激活能AE，增加扩散系数D，以改变材料的相变动力学 条件，提高组织转变速度，在较短时间内细化晶粒，清除钢中的带状组织、网 状组织，为后续热处理工艺提供理想的基体组织。 本专利技术通过以下技术措施实现一种应用脉冲电流迅速有效地消除合金结构钢工具钢基体中缺陷组织的方 法，将钢材放在热处理电炉中，钢材的正负两个端面与炉外脉冲电流发生器用 导线联接，当合金结构钢加热到临界相变温度AC3+50"C或者工具钢加热到临界 相变温度八(:1+ (20~50°C)时开始保温，同时打开脉冲电流发生器，输入强度 为850A-1000A、频率为50Hz-30Hz的脉冲电流，保持10 15分钟后，合金结构 钢按正火工艺执行，出炉空冷，工具钢在炉内冷却。本专利技术依据的科学原理研究任何相变过程，都要研究该相变系统的热力学条件和动力学条件。以 材料20CrMnTi钢为例，该钢的相变临界温度Ac3为825'C,在相变温度Ac3 +50°C 加热保温时，为该试样的完全奥氏体化创造了相变的热力学条件，可以实现从 铁素体和珠光体的混合物向奥氏体的自发转变，此时如果能改变相变的动力学 条件，那么将会得到与常规热处理截然不同的组织。根据麦克斯韦一玻尔兹曼定律，在N个溶质原子中，在T温度下具有跳动条件即可以克服位垒的应变能的原子所占百分数为 n / N = e…盯如果原子振动频率为v ，溶质原子最邻近的间隙位置数为z ，则平均每 个原子在单位时间内的跳动次数即跳动频率T即— — —AG / KTT= V , Z , 6 AG = A H —TAS"AE—TA S t =v . z . e—e —厶"kt而 D = a2 . P . t=a2 . P . v . z . e -As/K . e-AE/KT 由此得到D = Do . e —厶e^式中AG —系统自由差D —扩散系数，它决定着扩散的快慢的程度；Do—扩散常数，它与温度无关，主要与溶剂晶格和溶质原子种类有关； Q —扩散激活能，表示1克原子物质离开其平衡位置所需要的能量单位是 卡/克原子，可以把它看成是不随温度变化的参量； AE —额外激活能； △H —热函差；R —气体常数(1.987卡/度 克分子)； T —绝对温度(GK); e —自然对数。由上式看出，额外激活能AE的增加，即扩散障碍(位垒)的增加，会降低 扩散系数D，不利于碳和其他元素的扩散。在组织转变发生碳原子和其他合金 元素扩散时，施加的脉冲电流恰好提供了一种溶质原子扩散时所需要的额外能 量，以克服扩散障碍(位垒)，使得扩散系数增加。对于间隙扩散来说，扩散激 活能Q就是溶质原子发生跳动时所需的额外激活能AE。①消除带状组织的原理是由于脉冲电流的输入，不仅使材料中的碳元素、合金元素获得了额外激活 能AE，也使得杂质元素获得了额外的激活能AE，可以明显提高碳原子和其他 合金元素扩散速度，这样就改变了杂质元素和各种偏析在奥氏体晶界上的富集， 使得纤维组织难以形成，消除先析铁素体以层状出现的可能，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用脉冲电流消除合金结构钢、工具钢基体中缺陷组织的方法，其特征在于：钢材放在热处理电炉中，钢材的正负两个端面与炉外脉冲电流发生器用导线联接，当合金结构钢加热到临界相变温度Ａ↓［Ｃ３］＋５０℃或者工具钢加热到临界相变温度Ａ↓［Ｃ１］＋（２０～５０℃）时开始保温，同时打开脉冲电流发生器，输入强度为８５０Ａ－１０００Ａ、频率为５０Ｈｚ－３０Ｈｚ的脉冲电流，保持１０～１５分钟后，合金结构钢按正火工艺执行，出炉空冷，工具钢在炉内冷却。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：颜礼功，李增，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：53[中国|云南]