CN103589839A - 一种高碳高铬不锈钢的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明创造提供了一种高碳高铬不锈钢的热处理工艺，包括如下热处理步骤：将高碳高铬不锈钢工件进行两段预热的过程；预热后升温至1030～1070℃保温90～110min进行油淬的过程；淬火后油冷的过程；去除应力的过程；以及两次或多次反复交替进行的冷处理和回火处理过程。本发明技术方案可有效解决高碳高铬不锈钢工件热处理中可能遇到的脱碳、开裂和残余奥氏体等问题，提高产品的合格率和工件使用寿命，并节约成本。
Description
技术领域
本发明创造涉及一种不锈钢热处理技术，尤其涉及一种适用于高碳高铬马氏体不锈钢的热处理工艺。
背景技术
不锈钢在各个行业都有广泛的应用，按金相组织来区分，不锈钢大体可分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、半奥氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢。由于不锈钢的耐蚀特性，一般情况下其含碳量都很低。随着对不锈钢材料耐磨性、高硬度以及耐蚀性等综合性能要求的提高，可使用在刃具、量具、轴承、滚柱、喷嘴和阀座上的高碳高铬不锈钢在各领域受到越来越多的重视和关注。
目前，国外开发出了一类高碳高铬马氏体不锈钢，其碳含量在0.6％～1.2％之间，铬含量在Cr13型马氏体不锈钢的基础上提高到了16％～18％。该类不锈钢在适当的淬火回火状态下使用，具有良好的耐蚀、耐磨和高硬度等综合性能。但是由于该类不锈钢材料碳含量较高，在热处理过程中往往出现脱碳、开裂、残余奥氏体以及尺寸不易控制等问题，产品合格率较低。
发明内容
本发明创造为解决现有技术中的问题，提供了一种适用于对碳含量在0.6％～1.2％之间，铬含量在13.9％～16.5％的马氏体不锈钢进行热处理的工艺方法，避免热处理过程中由于碳含量过高引起的脱碳、开裂、残余奥氏体等问题，使其在使用过程中具有较高的耐磨及耐腐蚀性能。
本发明的技术方案为：一种高碳高铬不锈钢的热处理工艺，包括如下热处理步骤：
(1)将高碳高铬不锈钢工件进行两段预热的过程；
(2)将高碳高铬不锈钢工件在步骤(1)预热后升温至1030～1070℃保温90～110min；
(3)将保温后的高碳高铬不锈钢工件油冷淬火；
(4)将油淬后获得的高碳高铬不锈钢工件加热至95～105℃去除应力；
(5)将去除应力后获得的高碳高铬不锈钢工件降温至-85～-65℃进行冷处理，并升温至室温；
(6)将高碳高铬不锈钢工件在步骤(5)冷处理后回火处理，并冷却。
其中，所述步骤(5)和步骤(6)需反复交替进行两次或多次。
所述步骤(1)的预热过程能够减小工件表面和内部的温度差，使工件受热均匀，使工件表面和外部组织充分转变，降低内外组织转变的组织应力，防止零件开裂变形，尤其适用于大尺寸工件以及结构复杂的工件。仅使用一段预热时，由于零件内部热应力较大，热处理后零件需要去除表面较大厚度的余量，才能保证各部分尺寸，有时还会出现沿尖角处的裂纹，采用两段预热后，零件变形减小，只需要去除较小厚度的余量即可达到要求，在解决开裂问题的同时也节约了成本。
所述步骤(2)中淬火温度的选取对淬火后合金的组织和性能有很大的影响，最主要影响因素是残余奥氏体(γR)含量；淬火温度较低时，溶入奥氏体基体的碳化物较少，Ms点高，淬火后γR少，但此时组织转变不完全，奥氏体均匀化程度低，使得淬火后硬度较低；而淬火温度较高时，碳化物溶解充分，此时γ相很稳定，Ms点下降，但淬火后易造成γR过多，淬火硬度也会降低；1030～1070℃淬火可得到较高的硬度。
由于工件淬火后淬火应力太大，所述步骤(4)能够去除淬火应力，防止工件开裂，普通空气电阻炉即可。
所述步骤(5)的冷处理也是本发明技术方案不可或缺的步骤，这是由于工件中碳含量较高，Ms点较低，使得淬火后组织中存在大量的γR，这些γR如果在回火时未转变，使用中就会慢慢分解，转变成马氏体，使工件尺寸膨胀，同时，这些马氏体析出碳化物又会收缩，造成工件尺寸反复变化；冷处理温度的选择对于γR的转变至关重要，为了便于γR转变，需要使金属温度降低到Ms点以下较多温度，但是同时相变是需要能量来驱动的，温度过低的话，能量过低不足以启动相变。
所述步骤(6)是为了获得需要的服役硬度，根据技术要求的不同，选择不同的回火温度进行回火处理；随着回火温度的升高，硬度首先呈下降趋势，但在500℃左右会出现二次硬化，使硬度升高。
所述步骤(5)和步骤(6)交替进行两次或多次，使γR充分转变，工件尺寸越大、尺寸精度要求越高，需交替进行步骤(5)和步骤(6)的次数越多。
其中，所述步骤(1)的两段预热的过程为，将高碳高铬不锈钢工件在780～810℃进行预热30～45min，升温至950～1000℃预热50～70min的过程。
其中，所述步骤(1)和(2)均在真空度为0.13～13Pa的真空条件下进行，防止脱碳增碳，可使用真空炉进行加热。
其中，所述步骤(3)完成后，高碳高铬不锈钢工件的淬火后硬度应≥54HRC。
其中，所述步骤(5)应在所述步骤(3)完成后2h内开始进行，这是由于工件如果长时间在室温放置，会造成γR稳定化，导致γR转变困难。
其中，所述步骤(5)中冷处理的过程为在静止的空气中进行，以避免升温速度过快使工件发生开裂，可使用高低温箱。
进一步，所述步骤(5)中冷处理的保温时间为120min以上。
其中，所述步骤(6)还包括回火处理后将高碳高铬不锈钢工件在60～80℃的热水或油中进行的冷却步骤，当回火处理的回火温度在565℃以上时，该冷却步骤能够有效防止第二类回火脆性。
其中，所述步骤(6)中回火处理的回火温度的选择应避免在425～565℃之间回火，防止第一类回火脆性。
进一步，所述步骤(6)中回火温度下的保温时间为90～150min。
其中，所述步骤(6)的回火处理在空气中进行，使用井式炉或箱式电阻炉即可。
本发明创造具有的优点和积极效果是：1)本发明技术方案可有效解决高碳高铬不锈钢工件热处理中可能遇到的脱碳、开裂和残余奥氏体等问题；2)采用本发明技术方案处理后的高碳高铬不锈钢工件具有良好的耐蚀、耐磨和高硬度等综合性能；3)采用本发明技术方案处理后的高碳高铬不锈钢工件使用寿命长，产品的合格率高，余量去除少，节约成本。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明创造做进一步详细说明。
本发明实施例采用同样成分和规格的一种不锈钢工件进行说明，所采用的不锈钢工件成分和规格如表1所示。
表1实施例中所采用的不锈钢工件成分和规格
实施例1
将不锈钢工件清洗干净并烘干，800℃进行一段预热30min，升温至1000℃第二段预热60min，1050℃油淬90min，两段预热和油淬过程将真空度控制在0.13～13Pa，然后浸70℃以下油冷淬火，冷却后将不锈钢工件加热至100℃进行去应力，并在淬火后2h内开始对不锈钢工件在静止的空气中进行冷处理和回火，冷处理和回火操作交替循环进行3次，冷处理条件为-75℃保温120min，回火条件为150℃保温120min并在70℃热水中冷却。
实施例2
将不锈钢工件清洗干净并烘干，800℃进行一段预热30min，升温至1000℃第二段预热60min，1050℃油淬90min，两段预热和油淬过程将真空度控制在0.13～13Pa，然后浸70℃以下油冷淬火，冷却后将不锈钢工件加热至100℃进行去应力，并在淬火后2h内开始对不锈钢工件在静止的空气中进行冷处理和回火，冷处理和回火操作交替循环进行3次，冷处理条件为-75℃保温120min，回火条件为175℃保温120min并在70℃热水中冷却。
实施例3
将不锈钢工件清洗干净并烘干，800℃进行一段预热30min，升温至1000℃第二段预热60min，1020℃油淬90min，两段预热和油淬过程将真空度控制在0.13～13Pa，然后浸70℃以下油冷淬火，冷却后将不锈钢工件加热至100℃进行去应力，并在淬火后2h内开始对不锈钢工件在静止的空气中进行冷处理和回火，冷处理和回火操作交替循环进行3次，冷处理条件为-75℃保温120min，回火条件为150℃保温120min并在70℃热水中冷却。
实施例4
将不锈钢工件清洗干净并烘干，800℃进行一段预热30min，升温至1000℃第二段预热60min，1050℃油淬90min，两段预热和油淬过程将真空度控制在0.13～13Pa，然后浸70℃以下油冷淬火，冷却后将不锈钢工件加热至100℃进行去应力，并在淬火后2h内开始对不锈钢工件在静止的空气中进行冷处理和回火，冷处理和回火操作交替循环进行3次，冷处理条件为-50℃保温120min，回火条件为150℃保温120min并在70℃热水中冷却。
实施例5
将不锈钢工件清洗干净并烘干，800℃进行一段预热30min，1050℃油淬90min，预热和油淬过程将真空度控制在0.13～13Pa，然后浸70℃以下油冷淬火，冷却后将不锈钢工件加热至100℃进行去应力，并在淬火后2h内开始对不锈钢工件在静止的空气中进行冷处理和回火，冷处理和回火操作交替循环进行3次，冷处理条件为-75℃保温120min，回火条件为150℃保温120min并在70℃热水中冷却。
实施例6
将不锈钢工件清洗干净并烘干，800℃进行一段预热30min，升温至1000℃第二段预热60min，1050℃油淬90min，两段预热和油淬过程将真空度控制在0.13～13Pa，然后浸70℃以下油冷淬火，并在淬火后2h内开始对不锈钢工件在静止的空气中进行冷处理和回火，冷处理和回火操作交替循环进行3次，冷处理条件为-75℃保温120min，回火条件为150℃保温120min并在70℃热水中冷却。
实施例7
将不锈钢工件清洗干净并烘干，800℃进行一段预热30min，升温至1000℃第二段预热60min，1050℃油淬90min，两段预热和油淬过程将真空度控制在0.13～13Pa，然后浸70℃以下油冷淬火，冷却后将不锈钢工件加热至100℃进行去应力，并在淬火后2h内开始对不锈钢工件在静止的空气中进行一次冷处理和连续两次回火，冷处理条件为-75℃保温120min，回火条件为150℃保温120min并在70℃热水中冷却。
为验证本发明的实施效果，对本发明上述实施例1～7进行了十个批次的验证，每个批次抽取3～5个不锈钢工件进行检验，结果如表2所示。
表2实施例1～7不锈钢工件热处理后性能参数
经本发明验证及分析可以看出，本发明与现有技术相比，在采用本发明技术方案对高碳高铬不锈钢进行热处理与现有技术相比有突出的优势，采用本发明技术方案获得的不锈钢工件能够达到55HRC以上的硬度水平和95％以上的热处理合格率，避免零件变形开裂，减少零件加工去除余量，并将残余奥氏体含量降低至5％以下，避免零件在使用过程中由于残余奥氏体相变致使工件体积发生变化，造成零件报废。
需要指出的是，本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明思想和实质内容的情况下，对上述实施例进行的各种修改和变形均属于本发明范畴。
Claims (10)
1.一种高碳高铬不锈钢的热处理方法，包括如下热处理步骤：
(1)将高碳高铬不锈钢工件进行两段预热的过程；
(2)将高碳高铬不锈钢工件在步骤(1)预热后升温至1030～1070℃保温90～110min；
(3)将保温后的高碳高铬不锈钢工件油冷淬火；
(4)将油淬后获得的高碳高铬不锈钢工件加热至95～105℃去除应力；
(5)将去除应力后获得的高碳高铬不锈钢工件降温至-85～-65℃进行冷处理，并升温至室温；
(6)将高碳高铬不锈钢工件在步骤(5)冷处理后回火处理。
其中，所述步骤(5)和步骤(6)反复交替进行两次或多次。
2.根据权利要求1所述的一种高碳高铬不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤(1)的两段预热的过程为，将高碳高铬不锈钢工件在780～810℃进行预热30～45min，升温至950～1000℃预热50～70min的过程。
3.根据权利要求1或2所述的一种高碳高铬不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤(1)和(2)均在真空度为0.13～13Pa的真空条件下进行。
4.根据权利要求1或2所述的一种高碳高铬不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤(3)完成后，高碳高铬不锈钢工件的淬火后硬度应≥54HRC。
5.根据权利要求1所述的一种高碳高铬不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤(5)在所述步骤(3)完成后2h内开始进行。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种高碳高铬不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤(5)中冷处理的过程为在静止的空气中进行。
7.根据权利要求6所述的一种高碳高铬不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤(5)中冷处理的保温时间为120min以上。
8.根据权利要求1或2所述的一种高碳高铬不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤(6)还包括回火处理后将高碳高铬不锈钢工件在60～80℃的热水或油中进行的冷却步骤。
9.根据权利要求8所述的一种高碳高铬不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤(6)中回火处理在回火温度下的保温时间为90～150min。
10.根据权利要求8所述的一种高碳高铬不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤(6)的回火处理为在空气中进行。
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