CN111172373A - 一种低碳钢热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低碳钢热处理工艺，涉及热处理技术领域。所述低碳钢热处理工艺包括以下步骤：S10、将低碳钢材料冶炼并浇铸制成第一钢锭，并将所述第一钢锭加热至750～800℃；S20、将所述第一钢锭放入高温熔炼炉内，在820～880℃下保温2～4h，得到第二钢锭；S30、将所述高温熔炼炉升温至950～1000℃，并将所述第二钢锭在此温度下保温2～4h，得到第三钢锭；S40、将所述高温熔炼炉升温至1100～1240℃，并将所述第三钢锭保温5～8h，然后在此温度下对所述第三钢锭进行多次锻造处理，最后空冷至室温；其中，所述锻造处理包括沿第一方向进行墩粗后，沿第二方向进行拔长或压扁。采用本发明的低碳钢热处理工艺对低碳钢材料进行热处理，可显著细化晶粒，从而明显提高低碳钢的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及热处理技术领域，特别涉及一种低碳钢热处理工艺。
背景技术
国内外对低碳钢大型锻材锻造完毕后均进行Ac3+30～50℃完全奥氏体化温度正火处理16～48h后空冷。这种方法在热处理过程中，特别是大型锻材由于保温时间过长，会导致晶粒长大，并且易产生网状组织、粗晶或者混晶等现象，使低碳钢力学性能下降并且不稳定，无法满足相关标准要求或用户要求。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种低碳钢热处理工艺，旨在解决现有热处理工艺由于保温时间过长，导致低碳钢力学性能下降并且不稳定的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种低碳钢热处理工艺，包括以下步骤：
S10、将低碳钢材料冶炼并浇铸制成第一钢锭，并将所述第一钢锭加热至750～800℃；
S20、将所述第一钢锭放入高温熔炼炉内，在820～880℃下保温2～4h，得到第二钢锭；
S30、将所述高温熔炼炉升温至950～1000℃，并将所述第二钢锭在此温度下保温2～4h，得到第三钢锭；
S40、将所述高温熔炼炉升温至1100～1240℃，并将所述第三钢锭保温5～8h，然后对所述第三钢锭进行多次锻造处理，最后空冷至室温；
其中，所述锻造处理包括沿第一方向进行墩粗后，沿第二方向进行拔长或压扁。
可选地，步骤S10中，所述低碳钢材料包括如下质量百分比的组分：C 0.14～0.21％、Si 1.2～1.6％、Mn 0.45～0.65％、Cr 0.50～0.70％、P 0.05～0.15％、S 0.005～0.015％、Mo 0.12～0.18％、Cu 0.15～0.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。
可选地，步骤S20包括：将所述第一钢锭放入高温熔炼炉内，在820～880℃下维持弱小火焰保温2～4h，避免火焰直接喷烧所述第一钢锭表面，得到第二钢锭。
可选地，步骤S30中：将所述高温熔炼炉升温至950～1000℃的升温速率为50～80℃/h。
可选地，步骤S40中，将所述高温熔炼炉升温至1100～1240℃的升温速率为100～150℃/h。
可选地，步骤S40中，所述多次锻造处理的次数为20～30次。
可选地，步骤S40中，所述锻造处理的终锻温度为800～850℃，且总变形量达到20％～25％。
可选地，步骤S40中，所述锻造处理包括：沿第一方向进行墩粗后，沿第二方向进行拔长，所述第一方向和第二方向为相反方向；和/或，
沿第一方向进行墩粗后，沿第二方向进行压扁，所述第一方向和所述第二方向为垂直方向。
本发明提供的一种低碳钢热处理工艺，首先将低碳钢材料冶炼并浇铸制成第一钢锭，并将所述第一钢锭加热至750～800℃；然后将第一钢锭在820～880℃下保温2～4h，得第二钢锭；再将第二钢锭升温至950～1000℃保温2～4h，得第三钢锭；最后将第三钢锭在1100～1240℃保温5～7h，然后对第三钢锭进行多次锻造处理，最后空冷至室温。通过控制合适的温度和时间参数，以及多次墩粗后拔长或墩粗后压扁的锻造处理，可使大块状碳化物破碎和细化，使低碳钢材料的晶粒显著细化，从而改善了低碳钢材料的塑性和韧性等力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为对比例处理过的低碳钢的电镜图；
图2为实施例1处理过的低碳钢的电镜图；
图3为实施例2处理过的低碳钢的电镜图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有对低碳钢大型锻材热处理的保温时间较长，导致晶粒长大，并且易产生网状组织、粗晶或者混晶等现象，使低碳钢力学性能下降且不稳定。
鉴于此，本发明提出一种低碳钢热处理工艺，采用本发明提供的低碳钢热处理工艺对低碳钢材料进行热处理，可使大块状碳化物破碎和细化，使低碳钢材料的晶粒显著细化，从而改善了低碳钢材料的塑性和韧性等力学性能。所述低碳钢热处理工艺包括以下步骤：
S10、将低碳钢材料冶炼并浇铸制成第一钢锭，并将所述第一钢锭加热至750～800℃。
本发明技术方案中，低碳钢材料包括如下质量百分比的组分：C0.14～0.21％、Si1.2～1.6％、Mn 0.45～0.65％、Cr 0.50～0.70％、P 0.05～0.15％、S0.005～0.015％、Mo0.12～0.18％、Cu 0.15～0.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。高的C含量虽然对低碳钢的强度、硬度等有利，但对低碳钢的塑性和韧性极为不利，且使屈强比降低、脱碳敏感性增大，恶化低碳钢的抗疲劳性能、加工性能和高温塑性，因此，应适当降低低碳钢中的C含量，将其控制在0.21％以下。然而，淬火和高温回火后为了获得所需的高强度，C含量不能太低，因而C含量宜控制为0.14～0.21％。S为不可避免的不纯物，形成MnS夹杂物和在晶界偏析会恶化低碳钢的韧性，从而降低低碳钢的韧塑性。因此，S含量应控制在0.015％以下。Cu通过析出ε-Cu实现析出强化，提高低碳钢的强度，此外，加入适量的Cu元素，还能够增加低碳钢的耐大气腐蚀性能，因此，Cu含量应控制在0.15～0.3％。
S20、将所述第一钢锭放入高温熔炼炉内，在820～880℃下保温2～4h，得到第二钢锭。
钢锭浇铸后以红热状态拔模，采用红送工艺送到轧钢厂装炉重新加热进行轧制，可显著节省能源，简化生产流程，降低生产成本，然而在低碳钢及低合金钢红送钢锭轧坯上时常出现细小、成群的裂纹，并且不好消除，造成巨大的经济损失。为了减少甚至没有裂纹的产生，将浇铸的第一钢锭放入高温熔炼炉内加热，且入高温熔炼炉时炉温不高于第一钢锭表面温度70～80℃，即炉温为820～880℃，并在此温度下保温2～4h。此外，为了使防止裂纹产生的效果更好，保温时为维持细小火焰保温，避免火焰直接喷烧第一钢锭表面，得到第二钢锭。并且采用这种间接加热的方式使第一钢锭一直保持红色，因此需保证第一钢锭的温度一直为600℃以上，优选为600～700℃。
S30、将所述高温熔炼炉升温至950～1000℃，并将所述第二钢锭在此温度下保温2～4h，得到第三钢锭。
具体地，将所述高温熔炼炉以50～80℃/h的速度升温至950～1000℃，并将第二钢锭在此温度下保温2～4h，得到第三钢锭。
S40、将所述高温熔炼炉升温至1100～1240℃，并将所述第三钢锭保温5～7h，然后对所述第三钢锭进行多次锻造处理，最后空冷至室温。
具体地，将所述高温熔炼炉100～150℃/h的速度升温至1100～1240℃，并保温5～7h，然后对第三钢锭进行多次锻造处理，最后空冷至室温。其中，多次锻造处理的次数为20～30次，在锻造过程中，温度会持续下降，为了保证锻造效果较好，需保持终锻温度为800～850℃。锻造处理可以使晶粒更细，从而提高低碳钢材料的塑性和韧性，为了使锻造效果更好，需使锻造的总变形量达到20～25％。较优的，每次墩粗或者拔长的单次变形量也达到20～25％，能够有效地消除低碳钢材料的内部缺陷。
此外，一次锻造处理包括沿第一方向进行墩粗后，沿第二方向进行拔长，所述第一方向和第二方向为相反方向；或沿第一方向进行墩粗后，沿第二方向进行压扁，所述第一方向和所述第二方向为垂直方向。镦粗是指用压力使坯料高度减小而直径(或横向尺寸)增大的工序，是塑性成形工序中最基本的成形方式。在热处理中对第三钢锭先进行一次镦粗变形，随后进行压扁或拔长变形，从而实现连续锻造挤压，得到累积两次的应变量，提高了第三钢锭累积变形程度，有效细化晶粒，从而提高经处理后的低碳钢的综合力学性能。
其中，为了使锻造效果较好，经一次锻造处理的累积锻造比
控制在1.8～2.5之间。累积锻造比的定义如下：
Li-1为经镦粗或压扁或拔长处理前第三钢锭的横截面积，Lí为经镦粗或压扁或拔长处理后第三钢锭的横截面积，n为总锻造处理次数，í为第í次处理。此外，单次锻造比：Lí-1/Lí>0.5。
进一步地，墩粗后进行拔长或压扁可以同时存在，也可以择一存在，具体视实际需要而定。例：多次锻造处理方案1：向下墩粗后，向上拔长；再向下墩粗后，沿侧面压扁(沿垂直方向)；如此循环10次，即20次。多次锻造处理方案2：向下墩粗后，向上拔长；如此循环25次。多次锻造处理方案3：向下墩粗后，沿侧面压扁(沿垂直方向)；如此循环30次。
本发明提供的一种低碳钢热处理工艺，首先将低碳钢材料冶炼并浇铸制成第一钢锭，并将所述第一钢锭加热至750～800℃；然后将第一钢锭在820～880℃下保温2～4h，得第二钢锭；再将第二钢锭升温至950～1000℃保温2～4h，得第三钢锭；最后将第三钢锭在1100～1240℃保温5～7h，并且在此温度下，对第三钢锭进行多次锻造处理，最后空冷。通过控制合适的温度和时间参数，以及多次墩粗后拔长或墩粗后压扁的锻造处理，可使大块状碳化物破碎和细化，使低碳钢材料的晶粒显著细化，从而改善了低碳钢材料的塑性和韧性等力学性能。
以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
(1)将成分为C 0.16％、Si 1.4％、Mn 0.5％、Cr 0.7％、P 0.05％、S 0.009％、Mo0.12％、Cu 0.3％，余量为Fe及杂质的低碳钢材料冶炼并浇铸制成第一钢锭，并将第一钢锭加热至750℃。
(2)将第一钢锭放入高温熔炼炉内，在820℃下维持细小火焰保温4h，得到第二钢锭。
(3)将高温熔炼炉以50℃/h升温至970℃，并将第二钢锭在此温度下保温3h，得到第三钢锭。
(4)将所述高温熔炼炉以100℃/h以升温至1100℃，并将第三钢锭保温6h，然后在1100℃下对所述第三钢锭进行锻造处理(墩粗后，然后相反方向拔长)，如此锻造处理26次，保持终锻温度800℃，且总变形量达到22％，最后空冷至室温。将处理完成后的低碳钢材料在扫描电镜下观察微观组织，得图2。
实施例2
(1)将成分为C 0.21％、Si 1.2％、Mn 0.65％、Cr 0.58％、P 0.15％、S 0.005％、Mo 0.16％、Cu 0.22％，余量为Fe及杂质的低碳钢材料冶炼并浇铸制成第一钢锭，并将第一钢锭加热至770℃。
(2)将第一钢锭放入高温熔炼炉内，在860℃下维持细小火焰保温3h，得到第二钢锭。
(3)将高温熔炼炉以70℃/h升温至950℃，并将第二钢锭在此温度下保温4h，得到第三钢锭。
(4)将所述高温熔炼炉以150℃/h以升温至1240℃，并将第三钢锭保温5h，然后在1240℃下对所述第三钢锭进行锻造处理(墩粗后，然后相反方向拔长)，如此锻造处理20次，保持终锻温度850℃，且总变形量达到20％，最后空冷至室温。将处理完成后的低碳钢材料在扫描电镜下观察微观组织，得图3。
实施例3
(1)将成分为C 0.14％、Si 1.6％、Mn 0.45％、Cr 0.5％、P 0.11％、S 0.015％、Mo0.18％、Cu 0.15％，余量为Fe及杂质的低碳钢材料冶炼并浇铸制成第一钢锭，并将第一钢锭加热至800℃。
(2)将第一钢锭放入高温熔炼炉内，在880℃下维持细小火焰保温2h，得到第二钢锭。
(3)将高温熔炼炉以80℃/h升温至1000℃，并将第二钢锭在此温度下保温2h，得到第三钢锭。
(4)将所述高温熔炼炉以120℃/h以升温至1200℃，并将第三钢锭保温6h，然后在1200℃下对所述第三钢锭进行锻造处理(墩粗后，然后沿垂直方向压扁)，如此锻造处理30次，保持终锻温度830℃，且总变形量达到25％，最后空冷至室温。
实施例4
(1)将成分为C 0.17％、Si 1.5％、Mn 0.49％、Cr 0.58％、P 0.15％、S 0.005％、Mo 0.16％、Cu 0.25％，余量为Fe及杂质的低碳钢材料冶炼并浇铸制成第一钢锭，并将第一钢锭加热至770℃。
(2)将第一钢锭放入高温熔炼炉内，在850℃下维持细小火焰保温3h，得到第二钢锭。
(3)将高温熔炼炉以80℃/h升温至1000℃，并将第二钢锭在此温度下保温2h，得到第三钢锭。
(4)将所述高温熔炼炉以150℃/h以升温至1240℃，并将第三钢锭保温5h，然后在1240℃下对所述第三钢锭进行锻造处理(墩粗后，然后沿垂直方向压扁)，如此锻造处理20次，保持终锻温度800℃，且总变形量达到20％，最后空冷至室温。
对比例
将成分为C 0.16％、Si 1.4％、Mn 0.5％、Cr 0.7％、P 0.05％、S 0.009％、Mo0.12％、Cu 0.3％，余量为Fe及杂质的低碳钢材料进行860℃完全奥氏体化温度正火处理24h后空冷至室温。将处理完成后的低碳钢材料在扫描电镜下观察微观组织，得图1。
将上述实施例1至4处理后的低碳钢材料以及对比例1处理后的低碳钢材料用注塑机制成样条，取样部位：距表面～12.5mm处，其产品力学性能数据如表1所示。
表1力学性能测试结果
屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。抗拉强度是金属由均匀塑性形变向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力，抗拉强度即表征材料最大均匀塑性变形的抗力。由表1可知，本发明实施例处理后的低碳钢材料与对比例处理后的低碳钢材料相比，晶粒更细，屈服强度、抗拉强度、硬度等力学性能都更优良，即显著提高了低碳钢材料的塑性和韧性，使经本发明的低碳钢热处理工艺处理后的低碳钢能作为大型锻材使用。
由实施例处理后的低碳钢材料的微观组织的图2、3与对比例的低碳钢材料微观组织的图1相比，图2、3的晶粒结构显著变细。
综上所述，采用本发明的低碳钢细化组织热处理工艺对低碳钢材料进行热处理，可显著细化晶粒，从而明显提高低碳钢材料的塑性和韧性等力学性能，使经本发明的低碳钢热处理工艺处理后的低碳钢能作为大型锻材使用。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种低碳钢热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S10、将低碳钢材料冶炼并浇铸制成第一钢锭，并将所述第一钢锭加热至750～800℃；
S20、将所述第一钢锭放入高温熔炼炉内，在820～880℃下保温2～4h，得到第二钢锭；
S30、将所述高温熔炼炉升温至950～1000℃，并将所述第二钢锭在此温度下保温2～4h，得到第三钢锭；
S40、将所述高温熔炼炉升温至1100～1240℃，并将所述第三钢锭保温5～7h，然后对所述第三钢锭进行多次锻造处理，最后空冷至室温；
其中，所述锻造处理包括沿第一方向进行墩粗后，沿第二方向进行拔长或压扁。
2.如权利要求1所述的低碳钢热处理工艺，其特征在于，步骤S10中，所述低碳钢材料包括如下质量百分比的组分：C 0.14～0.21％、Si 1.2～1.6％、Mn 0.45～0.65％、Cr 0.50～0.70％、P 0.05～0.15％、S 0.005～0.015％、Mo 0.12～0.18％、Cu 0.15～0.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的低碳钢热处理工艺，其特征在于，步骤S30中：将所述高温熔炼炉升温至950～1000℃的升温速率为50～80℃/h。
4.如权利要求1所述的低碳钢热处理工艺，其特征在于，步骤S40中，将所述高温熔炼炉升温至1100～1240℃的升温速率为100～150℃/h。
5.如权利要求1所述的低碳钢热处理工艺，其特征在于，步骤S40中，所述多次锻造处理的次数为20～30次。
6.如权利要求5所述的低碳钢热处理工艺，其特征在于，步骤S40中，所述锻造处理的终锻温度为800～850℃，且总变形量达到20％～25％。
7.如权利要求1所述的低碳钢热处理工艺，其特征在于，步骤S40中，所述锻造处理包括：沿第一方向进行墩粗后，沿第二方向进行拔长，所述第一方向和第二方向为相反方向；和/或，
沿第一方向进行墩粗后，沿第二方向进行压扁，所述第一方向和所述第二方向为垂直方向。
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