CN113969333B - 一种抑制钢制工件淬火热处理过程中组织晶粒尺度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑制钢制工件淬火热处理过程中组织晶粒尺度的方法，属于热处理技术领域。所述方法包括：将待处理钢件加热至A1温度，到达A1温度后，继续保温时间t1；继续加热至A1+50℃，加热时间为t2；将已经处于完全奥氏体区的工件，空冷至待处理钢件的弹塑性转变点；直接将钢件加热至目标热处理温度A3+(20～50)℃，加热时间设置为时间30min；到达目标热处理温度后，直接进行淬火和低温回火处理。本发明的加热方法，可以抑制加热过程中奥氏体晶粒长大趋势，相比于钢件初始晶粒度，其晶粒不会显著长大，对于初始晶粒尺度过大的钢件，甚至会有一定程度的降低。
Description
技术领域
本发明属于热处理技术领域，尤其是一种抑制钢制工件淬火热处理过程中组织晶粒尺度的方法。
背景技术
热处理能通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制工件的力学性能，从而满足该工件在其服役条件下的应用需求。热处理是“加热再冷却”的工艺，加热是非常重要的工序。一般钢制工件的加热均伴随着奥氏体的相变过程，在到达该温度以及保温的过程中，奥氏体晶粒会不可避免发生长大，从而导致工件机械性能恶化。如过后续热处理为淬火过程，则淬火所得之马氏体组织会因粗大化而变脆，更为严重的是，如果晶粒粗大到一定程度，马氏体针状结晶会发生裂纹而引起加热裂痕。
因此，钢制工件淬火热处理过程中，控制奥氏体晶粒大小，在获得综合性能良好的前提下，避免马氏体组织的粗大化，导致钢制工件的力学性能的下降。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种抑制钢制工件淬火热处理过程中组织晶粒尺度的方法，以解决背景技术所涉及的问题。
本发明提供一种抑制钢制工件淬火热处理过程中组织晶粒尺度的方法，所述方法包括：
预热阶段：将待处理钢件加热至A1温度，到达A1温度后，继续保温时间t1；
加热阶段：加热至A1+50℃，加热时间为t2；
预冷阶段：将已经处于完全奥氏体区的工件，空冷至待处理钢件的弹塑性转变点；
热处理阶段：直接将钢件加热至目标热处理温度A3+（20～50）℃，加热时间设置为时间30min；到达目标热处理温度后，直接进行淬火和低温回火处理。
优选地或可选地，所述A1温度为待处理钢件能够转变为奥氏体的相变温度。
优选地或可选地，所述保温时间t1
其中，D为待处理钢件的有效厚度，单位为mm；K为反应装炉情况的修正系数，其取值范围为1.0-1.3，装炉量越大，则数值越大；α为加热系数，对碳素钢而言，取0.7-0.8min/mm，对于合金钢，则为1.0-1.2min/mm。
优选地或可选地，所述加热时间为t2与所述保温时间t1相等。
优选地或可选地，所述待处理钢件的弹塑性转变点为500℃。
优选地或可选地，所述A3温度为待处理钢件转变为奥氏体的终了温度。
本发明还提供一种抑制钢制工件淬火热处理过程中组织晶粒尺度的方法，所述方法包括：
预热阶段：将待处理钢件加热至A1温度，到达A1温度后，继续保温时间t1；
加热阶段：加热至A1+50℃，加热时间为t2；
预冷阶段：将已经处于完全奥氏体区的工件，空冷至待处理钢件的弹塑性转变点；
第二预处理阶段：重复所述预热阶段、加热阶段、预冷阶段1～3次；
热处理阶段：直接将钢件加热至目标热处理温度A3+（20～50）℃，加热时间设置为时间30min；到达目标热处理温度后，直接进行淬火和低温回火处理。
优选地或可选地，所述第二预处理阶段为重复所述预热阶段、加热阶段、预冷阶段2次。
优选地或可选地，所述A1温度为待处理钢件能够转变为奥氏体的相变温度。
优选地或可选地，所述保温时间t1
其中，D为待处理钢件的有效厚度，单位为mm；K为反应装炉情况的修正系数，其取值范围为1.0-1.3，装炉量越大，则数值越大；α为加热系数，对碳素钢而言，取0.7-0.8min/mm，对于合金钢，则为1.0-1.2min/mm。
优选地或可选地，所述加热时间为t2与所述保温时间t1相等。
优选地或可选地，所述待处理钢件的弹塑性转变点为500℃。
优选地或可选地，所述A3温度为待处理钢件转变为奥氏体的终了温度。
本发明涉及一种抑制钢制工件淬火热处理过程中组织晶粒尺度的方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：
1）工艺简单：通过控制加热过程的参数抑制钢件在加热过程中的晶粒长大趋势，无需其它工序，让工件在不同预设温度的炉体内高效流转，以实现不同的升降温工序，工艺过程控制简单；
2）效果显著：对于晶粒易长大钢，能够有效抑制其加热过程中的晶粒长大趋势，并且能够挽救晶粒已经严重粗化的钢件，提高其最终组织和性能；
3）高效节能：依据本发明的加热方案，虽然工件经过了多次相变过程，但其相变均是在相变点上下比较狭窄的温度范围内发生，相比于传统的热处理多次相变，能耗及效率有一定的提升。
附图说明
图1是本发明的一种加热过程示意图；其中，P为珠光体，F为铁素体，A为奥氏体，M为马氏体。
图2是本发明的另一种加热过程示意图；其中，P为珠光体，F为铁素体，A为奥氏体，M为马氏体。
图3是本发明的实施例1热处理前的奥氏体晶粒金相图。
图4是本发明的实施例1热处理后的奥氏体晶粒金相图。
图5a～5f是本发明的实施例2至实施例6、以及对比例热处理后的奥氏体晶粒金相图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
发明概述
一般而言，钢制工件的加热均伴随着奥氏体的相变过程，在到达该温度以及保温的过程中，奥氏体晶粒会不可避免发生长大，从而导致工件机械性能恶化。如过后续热处理为淬火过程，则淬火所得之马氏体组织会因粗大化而变脆，更为严重的是，如果晶粒粗大到一定程度，马氏体针状结晶会发生裂纹而引起加热裂痕。
对于奥氏体晶粒的长大过程可以认为是奥氏体晶界的扩散转移过程，钢件不同部位的温差愈大，界面能差愈大，晶界的扩散转移愈易于发生。钢件在淬火加热时，热量会由表及里传递，如果加热速度过快，受热量较多的阳角部位或表层由于升温较快，会先到达A1相变点而转变为奥氏体。在其随后的继续加热或保温过程中，由于钢件先发生奥氏体相变的部位由于有充分的时间进行晶粒间的融合长大，与后发生奥氏体相变的部位形成一定程度的界面能梯度，会促进晶界的扩散转移，使奥氏体晶粒显著长大。因此，抑制钢件淬火加热时晶粒长大趋势的关键在于，降低钢件不同部位在升温过程中的温度差。
对于晶粒已经显著粗化的钢件，让其加热后再冷却，通过相变的重整作用，也可实现晶粒的重新细化。但常规的单相区热处理相变，加热和冷却幅度较大，热处理效率低，并且会加剧钢件的热处理畸变，增加后续的机加工难度。
基于以上理论和实践分析的基础上，申请人提出了本发明的抑制钢制工件淬火加热过程中的晶粒尺度方法，工艺路线参阅附图1、附图2，所述方法具体说明包括：
步骤一、预热阶段：即将待处理钢件加热至A1温度，到达A1温度后，继续保温时间t1；
步骤一、加热阶段：继续加热至A1+50℃，加热时间为t2；
步骤二、预冷阶段：将已经处于完全奥氏体区的工件，空冷至待处理钢件的弹塑性转变点；
步骤三、第二预处理阶段：重复所述预热阶段、加热阶段、预冷阶段2～3次；
步骤四、热处理阶段：直接将钢件加热至目标热处理温度A3+（20～50）℃，加热时间设置为时间30min；到达目标热处理温度后，直接进行淬火和低温回火处理。
采用本发明的加热方法，可以抑制加热过程中奥氏体晶粒长大趋势，相比于钢件初始晶粒度，其晶粒不会显著长大，对于初始晶粒尺度过大的钢件，甚至会有一定程度的降低。
在进一步实施例中，所述A1温度为待处理钢件能够转变为奥氏体的相变温度。当待处理钢件在A1温度保温时，虽然已经到达材料的奥氏体转变温度，但由于材料内部成分波动以及能量波动的存在，其组织并不会完全转变为奥氏体，仍然会存在一定量的相变前组织，对于钢材而言，为铁素体及少量珠光体组织。在待处理钢件加热时，外层首先被加热，一次预热处理是为了使待处理钢件内外相对较为同时地通过相变温度。由于奥氏体的长大需要一定的驱动力，也即温度过热度。当温度到达A1时，虽然外层部分组织先于转变为奥氏体组织，但由于保温温度较低，奥氏体长大的驱动力较小，因此并不会发生明显的长大。并且，因为有未转变相的扎钉作用，也会限制奥氏体的长大。
在进一步实施例中，所述保温时间t1
其中，D为待处理钢件的有效厚度，单位为mm；K为反应装炉情况的修正系数，其取值范围为1.0-1.3，装炉量越大，则数值越大；α为加热系数，对碳素钢而言，取0.7-0.8min/mm，对于合金钢，则为1.0-1.2min/mm。基于上述公式，可以计算出保温时间t1，保证待处理钢件内外层温度达到一致，晶粒尺度会基本保持一致，这为其后的一次加热工序提供了比较理想的预备组织。
在进一步实施例中，所述加热时间为t2与所述保温时间t1相等。当待处理钢件温度超过A1点50℃时，待处理钢件组织完全转变为奥氏体。如前所述，在加热时，奥氏体的长大不可避免，设置加热时间与传热时间相同，使温度与相变同时由外向内传递，能够尽量降低外层组织发生奥氏体融合长大的时间，至加热结束时，内外晶粒度具有较高的一致性。
在进一步实施例中，所述待处理钢件的弹塑性转变点为500℃。在预冷阶段，奥氏体重新转变为铁素体和珠光体，利用相变对原奥氏体晶粒进行重整，提高下一次奥氏体相变的形核率，以达到降低最终晶粒尺度的目的。将待处理钢件冷却至此温度，奥氏体会完全分解成铁素体与珠光体，不会发生更剧烈的马氏体相变，并且一方面可以使待处理钢件始终处于较为均匀的塑性转变区，防止表层过冷产生裂纹，另一方面，也可增加待处理钢件下次加热的热容量，提高加热效率并降低能耗。
在进一步实施例中，所述第二预处理阶段为重复所述预热阶段、加热阶段、预冷阶段2次。对于晶粒已经显著粗化的待处理钢件，因此需要对原始组织进行进一步的细化处理。进行二次预热、二次加热与二次预冷工序，让待处理钢件再次经历一次相变对晶粒的重整作用，进一步细化组织，以达到提高最终热处理后待处理钢件性能的目的。理论上，让待处理钢件多次相变重整，其晶粒会持续细化，但重复三次以后，晶粒细化的程度非常有限，并且反而会增加待处理钢件热处理形变，增加后续机加工的难度。经过实验证明，当所述预热阶段、加热阶段、预冷阶段2次后，经检验其组织及性能及已达到设计需求。
在进一步实施例中，所述A3温度为待处理钢件转变为奥氏体的终了温度。在热处理阶段，让待处理钢件内外缓慢、均匀地通过奥氏体转变点的终了温度，以达到抑制晶粒长大的目的。
下面结合实施例，对本发明作进一步说明，所述的实施例的示例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术和反应条件者，可按照本领域内的文献所描述的技术或条件或产品说明书进行。凡未注明厂商的试剂、仪器或设备，均可通过市售获得。
实施例1
将18CrNiMo7-6钢制成的钢件加热至738℃（18CrNiMo7-6钢的A1温度为738℃），由于本实施例采用挂装方式，较为松散，装炉系数取1.0，加热系数取1.0，因此到温后选择保温时间t1为30min；然后继续加热至788℃，加热时间设定为30min；然后将已经处于完全奥氏体区的工件，空冷至500℃。
重复以上步骤，也即进行二次预热、二次加热与二次预冷工序。
进行二次预冷后，直接将钢件加热至目标热处理温度830℃，加热时间设置为时间30min，到达目标热处理温度后，直接进行淬火和低温回火处理，热处理后的力学性能如表2所示。
实施例2
将18CrNiMo7-6钢制成的钢件加热至738℃（18CrNiMo7-6钢的A1温度为738℃），由于本实施例采用挂装方式，较为松散，装炉系数取1.0，加热系数取1.0，因此到温后选择保温时间t1为30min；然后继续加热至788℃，加热时间设定为30min；然后将已经处于完全奥氏体区的工件，空冷至500℃。
进行一次预冷后，直接将钢件加热至目标热处理温度830℃，加热时间设置为时间30min，到达目标热处理温度后，直接进行淬火和低温回火处理，热处理后的力学性能如表2所示。
实施例3
将18CrNiMo7-6钢制成的钢件加热至738℃（18CrNiMo7-6钢的A1温度为738℃），由于本实施例采用挂装方式，较为松散，装炉系数取1.0，加热系数取1.0，因此到温后选择保温时间t1为30min；然后继续加热至788℃，加热时间设定为30min；然后将已经处于完全奥氏体区的工件，空冷至500℃。
重复以上步骤2次，也即进行二次预热、二次加热与二次预冷工序，三次预热、三次加热与三次预冷工序。
进行三次预冷后，直接将钢件加热至目标热处理温度830℃，加热时间设置为时间30min，到达目标热处理温度后，直接进行淬火和低温回火处理，热处理后的力学性能如表2所示。
实施例4
将18CrNiMo7-6钢制成的钢件继续加热至788℃（18CrNiMo7-6钢的A1温度为738℃），由于本实施例采用挂装方式，较为松散，装炉系数取1.0，加热系数取1.0，因此加热时间设定为30min；然后将已经处于完全奥氏体区的工件，空冷至500℃。
进行一次预冷后，直接将钢件加热至目标热处理温度830℃，加热时间设置为时间30min，到达目标热处理温度后，直接进行淬火和低温回火处理，热处理后的力学性能如表2所示。
实施例5
将18CrNiMo7-6钢制成的钢件加热至738℃（18CrNiMo7-6钢的A1温度为738℃），由于本实施例采用挂装方式，较为松散，装炉系数取1.0，加热系数取1.0，因此到温后选择保温时间t1为30min；然后将已经处于完全奥氏体区的工件，空冷至500℃。
进行一次预冷后，直接将钢件加热至目标热处理温度830℃，加热时间设置为时间30min，到达目标热处理温度后，直接进行淬火和低温回火处理，热处理后的力学性能如表2所示。
实施例6
将18CrNiMo7-6钢制成的钢件加热至738℃（18CrNiMo7-6钢的A1温度为738℃），由于本实施例采用挂装方式，较为松散，装炉系数取1.0，加热系数取1.0，因此到温后选择保温时间t1为30min；然后继续加热至788℃，加热时间设定为30min。
直接将已经处于完全奥氏体区的工件加热至目标热处理温度830℃，加热时间设置为时间30min，到达目标热处理温度后，直接进行淬火和低温回火处理，热处理后的力学性能如表2所示。
对比例1
常规热处理：直接将18CrNiMo7-6钢制成的钢件加热至目标热处理温度830℃，加热时间设置为时间30min，到达目标热处理温度后，直接进行淬火和低温回火处理，热处理后的力学性能如表2所示。
检测例
为了方便读者进一步理解本方案，将实施例1至6、对比例中各项的具体数值力学性能汇总至表1、表2中。
表1、实施例1至6以及对比例热处理的主要工艺参数
| 实施例 | 预热温度/时间 | 加热温度/时间 | 预冷温度 | 重复次数 | 热处理工艺 |
| 实施例1 | 738℃/30min | 788℃/30min | 500℃ | 2 | 830℃/淬火+低回 |
| 实施例2 | 738℃/30min | 788℃/30min | 500℃ | 1 | 830℃/淬火+低回 |
| 实施例3 | 738℃/30min | 788℃/30min | 500℃ | 3 | 830℃/淬火+低回 |
| 实施例4 | 无 | 788℃/30min | 500℃ | 1 | 830℃/淬火+低回 |
| 实施例5 | 738℃/30min | 无 | 500℃ | 1 | 830℃/淬火+低回 |
| 实施例6 | 738℃/30min | 788℃/30min | 无 | 1 | 830℃/淬火+低回 |
| 对比例 | 无 | 无 | 无 | 0 | 830℃/淬火+低回 |
表2、实施例1至6以及对比例热处理的力学性能参数
| 实施例 | 抗拉强度 | 规定塑性延伸强度Rm | 断后延伸率 | 断面收缩率 | 冲击吸收能量 | 奥氏体金相 |
| 实施例1 | 1298MPa | 998MPa | 15.0% | 63% | 73 86 86J | 图4 |
| 实施例2 | 1296MPa | 980MPa | 14.5% | 61% | 74 66 62J | 图5（a） |
| 实施例3 | 1268MPa | 1012MPa | 15.5% | 60% | 86 80 86J | 图5（b） |
| 实施例4 | 1358MPa | 1035MPa | 14.0% | 57% | 56 70 56J | 图5（c） |
| 实施例5 | 1377MPa | 1066MPa | 12.0% | 54% | 46 44 44J | 图5（d） |
| 实施例6 | 1293MPa | 974MPa | 13.0% | 52% | 50 50 50J | 图5（e） |
| 对比例 | 1364MPa | 1136MPa | 11.5% | 54% | 42 44 42J | 图5（f） |
讨论
对比实施例2、实施例3和对比例，可以看出通过预热、加热和预冷工艺，可以有效的抑制加热过程的奥氏体晶粒长大过程，提高了钢件的综合力学性能；对比实施例2、实施例3，可以看出重复预热、加热和预冷工艺，可以对于晶粒度已经粗化的组织，有一定细化作用，能够较大程度提高综合钢件的力学性能；对比实施例2、实施例4，可以看出在无预热过程，直接加热到双相区预冷，然后进行正式热处理，奥氏体晶粒长大趋势相对较大，但是通过后续的预冷工序，可以中和晶粒长大的程度，但是最终的奥氏体晶粒仍大于实施例2；对比实施例2、实施例5，可以看出无中间加热过程，预热后直接预冷，然后进行正式热处理，由于高温状态下奥氏体转变量有限，对晶粒度的抑制量有限；对比实施例2、实施例6，可以看出无预冷，之间进行预热和中间加热，然后进行正式热处理，仅降低加热过程的晶粒长大趋势，对性能影响程度有限。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (7)
1.一种抑制钢制工件淬火热处理过程中组织晶粒尺度的方法，其特征在于，所述方法包括：
预热阶段：将待处理钢件加热至A1温度，到达A1温度后，继续保温时间t1；
加热阶段：加热至A1+50℃，加热时间为t2；
预冷阶段：将已经处于完全奥氏体区的工件，空冷至待处理钢件的弹塑性转变点；
热处理阶段：直接将钢件加热至目标热处理温度A3+（20～50）℃，加热时间设置为时间30min；到达目标热处理温度后，直接进行淬火和低温回火处理；
所述保温时间t1
其中，D为待处理钢件的有效厚度，单位为mm；K为反应装炉情况的修正系数，其取值范围为1.0-1.3，装炉量越大，则数值越大；α为加热系数，对碳素钢而言，取0.7-0.8min/mm，对于合金钢，则为1.0-1.2min/mm；
所述加热时间为t2与所述保温时间t1相等；
所述待处理钢件的弹塑性转变点为500℃。
2.根据权利要求1所述的抑制钢制工件淬火热处理过程中组织晶粒尺度的方法，其特征在于，所述A1温度为待处理钢件能够转变为奥氏体的相变温度。
3.根据权利要求1所述的抑制钢制工件淬火热处理过程中组织晶粒尺度的方法，其特征在于，所述A3温度为待处理钢件转变为奥氏体的终了温度。
4.一种抑制钢制工件淬火热处理过程中组织晶粒尺度的方法，其特征在于，所述方法包括：
预热阶段：将待处理钢件加热至A1温度，到达A1温度后，继续保温时间t1；
加热阶段：加热至A1+50℃，加热时间为t2；
预冷阶段：将已经处于完全奥氏体区的工件，空冷至待处理钢件的弹塑性转变点；
第二预处理阶段：重复所述预热阶段、加热阶段、预冷阶段1～3次；
热处理阶段：直接将钢件加热至目标热处理温度A3+（20～50）℃，加热时间设置为时间30min；到达目标热处理温度后，直接进行淬火和低温回火处理；
所述保温时间t1
其中，D为待处理钢件的有效厚度，单位为mm；K为反应装炉情况的修正系数，其取值范围为1.0-1.3，装炉量越大，则数值越大；α为加热系数，对碳素钢而言，取0.7-0.8min/mm，对于合金钢，则为1.0-1.2min/mm；
所述加热时间为t2与所述保温时间t1相等；
所述待处理钢件的弹塑性转变点为500℃。
5.根据权利要求4所述的抑制钢制工件淬火热处理过程中组织晶粒尺度的方法，其特征在于，所述第二预处理阶段为重复所述预热阶段、加热阶段、预冷阶段2次。
6.根据权利要求4所述的抑制钢制工件淬火热处理过程中组织晶粒尺度的方法，其特征在于，所述A1温度为待处理钢件能够转变为奥氏体的相变温度。
7.根据权利要求4所述的抑制钢制工件淬火热处理过程中组织晶粒尺度的方法，其特征在于，所述A3温度为待处理钢件转变为奥氏体的终了温度。
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