一种中高碳钢的热处理方法技术

本发明专利技术涉及一种中高碳钢的热处理方法，包括以下步骤：1）按照如下铸件成品的组分重量比配置原料：C:0.51-0.54%，Mn:0.65-0.69%，Si:0.40-0.58%，Nb:0.03-0.07%，V:0.1-0.13%，Cr:0.20-0.3%，P:≤0.020%，S:≤0.015%，余量为Fe，2）用中频无芯感应炉熔炼，以钢为主要原料，根据以上组分配比，进行合金化；退火处理；奥氏体化处理；再在260℃的温度下进行等温淬火或者不完全淬火，保温400s；再进行渗纳米氧化铝；最后取出钢材工件，冷却到室温。本发明专利技术制得的中高碳钢材料具有高强度、高韧性的力学性能配合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及中高碳钢材料，特别是一种含Nb中高碳钢成分设计及其生产方法。
技术介绍
传统的热处理中高碳钢在生产中存在一些问题，主要包括踏面及轮缘晶粒粗大且不均匀，易产生贝氏体和马氏体硬相组织，铁素体含量过少，珠光体晶粒尺寸分布不均等。最终导致工业生产中其性能难于达到标准要求。在钢中单一添加Nb或V或Ti元素能与、结合生成碳化物、氮化物和碳氮化物，这些化合物在高温下溶解，在低温下析出起到抑制晶粒长大以及沉淀强化作用。其组织是铁素体一珠光体，在冷却状态下的屈服强度远远超过500MPa。直接的前期处理和高强度的结合，其结果是碳当量降低，而钢的强度和韧性却大大提高，并具有显著的成本优势，使得这类钢成为成本昂贵的淬火/回火钢的替代产品，而变得引人注日，在包括汽车部件在内的许多场合下获得了应用。传统意义上的微合金化技术己经用于轧制板材产品的组织控制，Nb是这些产品中的首优元素，Nb作为微合金元素加入钢中，主要还是起到析出强化和细晶强化作用，在900 1000摄氏度以NbC或者Nb(NC)的形式析出，由于其析出温度较高，因此可以阻止奥氏体晶体的长大，从而细化晶粒。析出强化是升高屈强比最弱的强化方式之一，细晶强化是唯一脆化矢量为负值的强化方式。因此Nb元素是很好的强化元素，但它的弱点也很明显，由于Nb固溶在铁素体中能强烈提高钢的淬透性，因此在大规格的低碳钢材中应用较少，因为容易出现异常组织(B、M)，比如在钢筋中，大直径的钢筋一般偏向于用V合金化，Nb合金化的工艺范围很窄，在工业生产中不易实现。而且，尽管调质状态的微合金化钢在强度方面有竞争力，然而，与淬火/回火钢相比，回火到同一硬度时，其韧性偏低。除上述单一添加微合金化元素的介绍外，向中高碳钢复合添加微合金化元素还未见研究报道。此外，现有对于中高碳钢的热处理方法难以保证高强度的同时显著改善塑性和韧性。
技术实现思路
本专利技术通过大量实验，提供了复合添加Nb和V微合金元素的中高碳钢的成分设计，并结合适当的热处理工艺，实现组织尺寸细小且分布均匀，并具有较高强度和韧性的产品O本专利技术采用了以下技术方案，其特征在于，包括以下步骤 O按照如下铸件成品的组分重量比配置原料C:0. 51-0. 54 %，Mn:0. 65-0. 69%,Si :0.40-0.58%, Nb :0. 03-0.07%, V:0. 1-0. 13%, Cr :0.20-0.3%, P: 彡 O.020%, S:(O. 015%，余量为 Fe， 2)用中频无芯感应炉熔炼，以钢为主要原料，根据以上组分配比，进行合金化；3)采用粘土砂、潮型，浇铸成标准的楔型和梯型试件毛坯，试件进行退火处理； 4)将制得的中高碳钢在840°C左右保温590s完成奥氏体化处理； 5)经过步骤4)后，再在260°C的温度下进行等温淬火或者不完全淬火，保温400s； 6)取粒径小于IOOnm的纳米氮化铝渗剂；在保持钢材工件的表面与纳米氮化铝渗剂相接触的的条件下把钢材工件加热到790°C 900°C，并且保持2小时 4小时； 7)最后取出钢材工件，冷却到室温。本专利技术中各合金元素的作用如下 C :保证钢的淬透性，提高钢的强度、硬度以及耐磨性，要求合金钢的组织中主要组成为珠光体，C最佳的含量设计在O. 5Γ0. 54%的范围，此时，珠光体软硬相的 配比最优，性能最好。Mn :提高钢的强度和韧性，Mn具有较强的固溶强化效果，可降低钢的相变温度，缓解奥氏体向珠光体的转变速度，提高钢的淬透性，并能够细化晶粒，提高强度和韧性。但提高Mn含量将提高珠光体的体积分数，降低钢的韧性，为保障较好的强韧性配比，设计Mn成分范围为O. 65-0. 69%οSi :在钢中固溶度较大，能够显著强化铁素体，其固溶强化效果高于Mn，Si的增加可提高钢中铁素体的体积分数，并使晶粒变细，有利于提高钢的韧性，设计Si成分范围为O. 40-0. 58%ONb和V : Nb与V均是微合金化元素，复合添加微合金化元素V-Nb，由于有复合作用能控制奥氏体晶粒尺寸和析出强化的能力。本专利技术通过大量实验，选择了相应的Nb和V的组分配比，使得添加的Nb和V有助于晶粒尺寸控制以及提高强度，Nb,V(C, N)相的最终溶解可以在冷却过程中产生V和Nb的共同析出强化效果。与普碳钢或者含V的钢相比，添加上述配比的V + Nb的钢保持了非常细小的奥氏体晶粒尺寸。得到的微合金化钢中的铁素体内有弥散分布的微合金化析出物，其形貌特征是奥氏体的相间分解产物，V+Nb钢中有细小的相间弥散分布相。此外，本专利技术的热处理工艺将制得的中高碳钢奥氏体化后，先在840°C左右进行等温淬火或者不完全淬火得到部分马氏体和未转变奥氏体，然后在180 300°C的温度区间内保温，使碳从先形成马氏体向未转变奥氏体中扩散并使之稳定化，最后淬火到室温，得到由低碳马氏体和富碳奥氏体组成的复相组织。相对于传统淬火回火工艺，本专利技术的热处理工艺能使马氏体钢在保持强度水平的前提下明显改善塑韧性。本专利技术复合添加Nb和V微合金元素的中高碳钢的成分设计，并结合适当的热处理工艺，实现组织尺寸细小且分布均匀从而得到均匀细小的网状铁素体和珠光体团的组织。在保证强度的条件下提高了钢的韧性。因此，本专利技术的含Nb和V的中高碳钢材料具有高强度、高韧性的力学性能配合，通过本专利技术得到的中高碳钢，抗拉强度为780-1000MPa，屈服强度为490-580MPa，断后伸长率为20_28%，低温(_20°C )冲击功(Akv)为19-24J，室温可获得铁素体比例为11-23%的均匀组织。具体实施例方式下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例I : 此种微合金中碳钢的成分百分含量为c:0. 51 %，Mn:0. 65%, Si :0. 40%, Nb:0. 03%,V:0. 1%, Cr:0. 20%, P: ^ O. 020%, S:彡 O. 015%，余量为 Fe。本专利技术的具体制造工艺包括以下几个步骤 按照铸件成品的组分重量比配置原料，采用粘土砂、潮型，浇铸成标准的楔型和梯型试件毛坯，试件进行退火处理；将制得的中高碳钢在840°C左右保温590s完成奥氏体化处理；再在260°C的温度下进行等温淬火或者不完全淬火，保温400s ;取粒径小于IOOnm的纳米氮化铝渗剂；在保持钢材工件的表面与纳米氮化铝渗剂相接触的的条件下把钢材工件加热到790°C 900°C，并且保持2小时 4小时；最后取出钢材工件，冷却到室温。 。经力学性能测试，其屈服强度为490MPa，抗拉强度为840MPa，断后伸长率为23. 0%，低温(-20 0C )冲击功(Akv)为 19. 7J。实施例2: 此种微合金中碳钢的成分百分含量为c:0. 53 %，Mn:0. 66%, Si :0. 45%, Nb:0. 05%,V:0. 11%, Cr:0. 25%, P: ^ O. 020%, S:彡 O. 015%，余量为 Fe。按照铸件成品的组分重量比配置原料，采用粘土砂、潮型，浇铸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中高碳钢的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：1）按照如下铸件成品的组分重量比配置原料：C:0.51？0.54？%，？Mn:0.65？0.69%，Si:0.40？0.58%，Nb:0.03？0.07%，V:0.1？0.13%，Cr:0.20？0.3%，P:？≤0.020%，S:？≤0.015%，余量为Fe，2）用中频无芯感应炉熔炼，以钢为主要原料，根据以上组分配比，进行合金化；3）采用粘土砂、潮型，浇铸成标准的楔型和梯型试件毛坯，试件进行退火处理；4）将制得的中高碳钢在840℃左右保温590s完成奥氏体化处理；5）经过步骤4）后，再在260℃的温度下进行等温淬火或者不完全淬火，保温400s；6）取粒径小于100nm的纳米氮化铝渗剂；在保持钢材工件的表面与纳米氮化铝渗剂相接触的的条件下把钢材工件加热到790℃～900℃，并且保持２小时～4小时；7）最后取出钢材工件，冷却到室温。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：夏雨，
申请(专利权)人：夏雨，
类型：发明
国别省市：