一種屈服強度690MPa級低合金高強鋼的熱處理工藝的製作方法

2023-06-13 18:21:26 1

專利名稱：一種屈服強度690MPa級低合金高強鋼的熱處理工藝的製作方法
技術領域：
本發明提供了一種屈服強度為690MPa級低合金高強鋼的快速高效熱處理工藝， 屬於金屬材料熱處理技術領域。
背景技術：
通過熱處理提高合金鋼力學性能是冶金領域常用的方法，熱處理可以對鋼的組織和力學性能產生影響。鋼的淬火就是將鋼加熱到臨界溫度仏(33或4(1)以上，保溫一定時間使之奧氏體化後，以大於臨界冷卻速度的冷速進行冷卻的一種工藝過程。淬火的主要目的是使奧氏體化後的工件獲得儘量多的馬氏體並配以不同溫度的回火獲得各種需要的性能。對淬火工藝而言，為實現淬火首先必須將鋼加熱到臨界點仏(33或4(0以上獲得奧氏體組織，其後的冷卻速度必須大於臨界淬火速度以得到全部馬氏體(含殘餘奧氏體)組織。因此在制定鋼的淬火工藝時應合理的選擇加熱速度，加熱溫度，保溫時間，冷卻速度等工藝參數。對調質低合金高強鋼，熱處理是生產過程中的關鍵環節之一。但熱處理過程同時也是耗能較高的過程之一，據測算，熱處理能耗佔熱處理成本近50%。如果將熱處理成本分為不變成本(工資、設備折舊等固定成本)和可變成本計算，那麼能耗幾乎佔可變成本的 85%以上。因此，熱處理節能與熱處理經濟效益的關係十分密切。現階段，鋼鐵企業對屈服強度690MPa級低合金高強鋼進行調質熱處理時，一般採用的工藝為以10°C /min的加熱速度加熱至900°C，保溫30min後水淬，然後在550 600°C回火25 30min。由於加熱速度較慢，保溫時間較長，因此進行調質熱處理時鋼的在爐時間約為150min，能耗高，生產周期長。在湖北省枝江市白洋鎮國營第四0四廠的「6CrNiSiMnMoV鋼硬度梯度熱處理回火工藝方法」的專利申請(CN1974802)中，主要涉及6CrNiSiMnMoV鋼的熱處理過程，包括正火處理、等溫退火、淬火處理、回火處理、二次回火，雖然改善了鋼的組織和性能，但熱處理過程複雜，保溫時間長。萬向錢潮股份有限公司的專利CN1721558是一種冷擠鋼材的滲碳淬火工藝，將冷擠鋼材以30°C /分 50°C /分的加熱速度加熱至920 980°C，強滲保溫3 11小時，然後以30°C /時 60°C /時的降溫速度冷至820°C 880°C淬火，處理後的鋼材韌性、塑性和
強度較高。哈爾濱工程大學的專利(101831530A)「一種提高低合金高強鋼綜合力學性能的熱處理工藝」中，採用循環淬火加回火的方式對合金鋼進行熱處理。循環淬火工藝900°C IlOO0C X 1 10min，3 6次循環淬火，水冷或重量比濃度7. 5%的NaCl水溶液冷卻；回火工藝450°C 650°C Xl 5h，水冷。廣州有色金屬研究院的專利(101555573) 「一種合金鋼及其熱處理方法」中，對其發明的合金鋼採用的熱處理工藝為按100°c /h的速度，升溫到930 950°C，保溫4小時後爐冷到250V ；再按100°C /h的速度，升溫到900 920°C，保溫4小時後，水溫為20 45°C水冷或空冷；再加熱至溫度250 300°C後，爐冷。上述專利(申請)普遍存在下列不足①工藝過程複雜。如101831530A需要多次循環淬火，需要用NaCl水溶液冷卻，CN1974802的熱處理過程涉及淬火處理、回火處理、二次回火等多個步驟。②熱處理過程中加熱保溫時間長，能耗高，生產效率低。如CN1721558 強滲保溫需要3 11小時，101555573需要保溫8小時。所以，雖然通過熱處理提高合金鋼力學性能是冶金領域常用的方法，但如何選擇合適的熱處理條件、獲得良好的熱處理效果， 仍是一大難題。

發明內容
本發明的目的是提供一種屈服強度為690MPa級低合金高強鋼的調質熱處理工藝，該工藝能在提高鋼的力學性能的同時，縮短熱處理時鋼的在爐時間，可大幅度降低能耗，縮短生產周期。本發明提供一種屈服強度690MPa級低合金高強鋼的熱處理工藝，將屈服強度 690MPa級低合金高強鋼以30 50°C /min的加熱速度加熱至930 960°C，奧氏體化保溫時間為3 5分鐘，然後以30 300°C /s的冷速淬水至室溫。淬火後進行回火處理，回火溫度為500 550°C，保溫時間為15 25min。優選的，加熱速度為40 50°C /min，加熱至940 960°C。優選的，奧氏體化保溫時間為5min。優選的，所述屈服強度690MPa級低合金高強鋼，合金元素含量為(重量百分比) Mn+Cr+Ni+Cu+Mo 2. 05 2. 6，Nb+Ti 0. 045 0. 085。鋼在淬火前獲得成分均勻，晶粒細小的奧氏體組織有利於提高淬後鋼的力學性能。一般認為，在加熱過程中，加熱速度越快，奧氏體轉變的孕育期越短，奧氏體開始轉變的溫度越高，形成的起始奧氏體晶粒也越細小，而且提高加熱速度可以明顯的減少加熱時間， 也有利於降低能耗和提高效率。但是，加熱時間和溫度的選擇是一個非常複雜的問題，奧氏體開始轉變的溫度與加熱速度並不是簡單的正比關係，而是存在非常複雜的協同效應。由於目前在我國鋼鐵企業的大生產中，淬火加熱設備的實際加熱能力最高一般約為50°C /min，我們把加熱速度由傳統的10°C /min提高至50°C /min。對屈服強度 690MPa級低合金高強鋼，鋼中含有一定量的合金元素，合金元素含量為(重量百分比) Mn+Cr+Ni+Cu+Mo 2. 05 2. 6,Nb+Ti 0. 045 0. 085。合金元素會影響碳在奧氏體中的擴散速度和溶解度，因此會對奧氏體的形成過程產生一定影響。此外，鋼中合金元素在鐵素體和碳化物中的分布是不均勻的，在平衡組織中，碳化物形成元素集中在碳化物中，而非碳化物形成元素集中在鐵素體中。奧氏體形成後碳和合金元素在奧氏體中的分布是極不均勻的，因此在合金鋼中除了碳的均勻化外，還有一個合金元素的均勻化過程。在相同條件下，合金元素在奧氏體中的擴散速度遠比碳小，僅為碳的萬分之一到千分之一。在傳統工藝中，屈服強度690MPa級低合金高強鋼的淬火加熱溫度為 900 920°C，保溫時間為30min，由於溫度升高時合金元素的擴散速度會大大加快，在較高溫度下達到奧氏體的均勻化需要的時間會大大縮短，因此對屈服強度690MPa級低合金高強鋼，本專利中的熱處理工藝選擇了在940 960°C，保溫3 5min，相比傳統工藝在保證合金元素均勻化的同時大大縮短了保溫時間。
在鋼中，合金元素的擴散速度、碳化物的形成和擴散速度與加熱時間和溫度是存在協同作用和相互影響的，雖然從理論上說在較高溫度下達到奧氏體的均勻化需要的時間會大大縮短，若合理地提高加熱速度，則加熱和保溫時間會縮短，但由於鋼中元素的相互影響、以及奧氏體轉變、晶粒長大熱動力學的複雜性，加熱時間和溫度的選擇需要經過大量的實驗才能確定。為了得到最佳的熱處理條件，我們經過大量的實驗，通過對大量實驗數據的深入分析與總結髮現，以40 50°C /min的加熱速度加熱至940 960°C，奧氏體化保溫時間為 3 5分鐘即可完成奧氏體的轉變，而且由於加熱速度快，奧氏體的過熱度大，保溫時間短， 奧氏體晶粒粗化不明顯，形成的奧氏體晶粒細小均勻，而更高的加熱速度和更高的淬火溫度、更短或更長的保溫時間，會導致奧氏體化不完全或奧氏體晶粒過度長大等問題，並不能取得良好的熱處理效果。以30 300°C/s的冷速淬水至室溫。淬火後進行回火處理，回火溫度為500 550°C，保溫時間為15 25min，也是保證本發明的效果實現的必不可少的條件。本發明的熱處理條件，可以有效的縮短在爐時間，在爐時間由原來的150min縮短為20 30min。熱處理能耗降低60-70%，熱處理成本降低40-50%。本發明的優點在於縮短了調質熱處理時鋼的加熱保溫時間，節省能耗，提高生產效率。本發明通過調整熱處理工藝參數，在提高鋼的力學性能的同時，能顯著地縮短熱處理時鋼的在爐時間，可以節省能耗、縮短生產周期，降低生產成本，提高生產效率，具有巨大的經濟效益和社會效益。
具體實施例方式以下實施例是對本發明的進一步說明，但本發明並不局限於此。對比例1鋼鐵企業對屈服強度690MPa級低合金高強鋼進行調質熱處理時，一般以10°C / min的加熱速度加熱至900 930°C，保溫30min後水淬，然後在550 600°C回火25 30min,這樣所需的加熱保溫時間約為150min。實施例1將屈服強度690MPa級低合金高強鋼以10°C /min的加熱速度加熱至900°C，保溫 5分鐘，然後以30°C /s的冷速淬水至室溫。淬火後進行回火處理，回火溫度為500°C，保溫時間為20min。Rm(Rm為金屬材料的抗拉強度，其單位為MPa)為818MPa，在爐時間95分鐘。實施例2將屈服強度690MPa級低合金高強鋼以30°C /min的加熱速度加熱至900°C，保溫 30分鐘，然後以35°C /s的冷速淬水至室溫。淬火後進行回火處理，回火溫度為500°C，保溫時間為25min。Rm為826MPa，在爐時間60分鐘。實施例3將屈服強度690MPa級低合金高強鋼以30°C /min的加熱速度加熱至940°C，保溫 5分鐘，然後以30°C /s的冷速淬水至室溫。淬火後進行回火處理，回火溫度為500°C，保溫時間為20min。Rm為860MPa，在爐時間36分鐘。實施例4
將屈服強度690MPa級低合金高強鋼以30°C /min的加熱速度加熱至960°C，保溫 3分鐘，然後以40°C /s的冷速淬水至室溫。淬火後進行回火處理，回火溫度為500°C，保溫時間為20min。Rm為903MPa，在爐時間37分鐘。實施例5將屈服強度690MPa級低合金高強鋼以50°C /min的加熱速度加熱至930°C，保溫 3分鐘，然後以30°C /s的冷速淬水至室溫。淬火後進行回火處理，回火溫度為500°C，保溫時間為25min。Rm為855MPa，在爐時間14分鐘。實施例6將屈服強度690MPa級低合金高強鋼以50°C /min的加熱速度加熱至960°C，保溫 5分鐘，然後以30°C /s的冷速淬水至室溫。淬火後進行回火處理，回火溫度為540°C，保溫時間為20min。Rm為910MPa，在爐時間25分鐘。實施例7將屈服強度690MPa級低合金高強鋼以50°C /min的加熱速度加熱至960°C，保溫5 分鐘，然後以100°c /s的冷速淬水至室溫。淬火後進行回火處理，回火溫度為540°C，保溫時間為20min。Rm為1027MPa，在爐時間24分鐘。實施例8將屈服強度690MPa級低合金高強鋼以50°C /min的加熱速度加熱至960°C，保溫5 分鐘，然後以300°C /s的冷速淬水至室溫。淬火後進行回火處理，回火溫度為540°C，保溫時間為20min。Rm為1409MPa，在爐時間24分鐘。可見，根據正交實驗分析的不同淬火加熱速度，保溫溫度和保溫時間對屈服強度 690MPa級低合金高強鋼力學性能的影響，採用以50°C /min的加熱速度加熱至960°C，保溫 5分鐘的熱處理工藝時性能最佳，且在爐時間最短。相比傳統工藝，在提高鋼的力學性能的同時，節省能耗，大大縮短生產周期。
權利要求
1.一種屈服強度690MPa級低合金高強鋼的熱處理工藝，將屈服強度690MPa級低合金高強鋼以30 50°C /min的加熱速度加熱至930 960°C，奧氏體化保溫時間為3 5分鐘，然後以30 300°C /s的冷速淬水至室溫。淬火後進行回火處理，回火溫度為500 550°C，保溫時間為15 25min。
2.如權利要求1所述的屈服強度690MPa級低合金高強鋼的熱處理工藝，其特徵在於， 加熱速度為40 50°C /min，加熱至940 960°C。
3.如權利要求1或2所述的屈服強度690MPa級低合金高強鋼的熱處理工藝，其特徵在於，奧氏體化保溫時間為5min。
4.如權利要求1所述的屈服強度690MPa級低合金高強鋼的熱處理工藝，其特徵在於， 所述屈服強度690MPa級低合金高強鋼，合金元素含量為(重量百分比)Mn+Cr+Ni+Cu+Mo 2. 05 2. 6，Nb+Ti 0. 045 0. 085。
全文摘要
本發明提供了一種屈服強度為690MPa級的低合金高強鋼的快速熱處理工藝。該鋼種的合金元素含量為(重量百分比)Mn+Cr+Ni+Cu+Mo2.05～2.6，Nb+Ti0.045～0.085。採用快速加熱淬火進行熱處理，其方法為將該鋼種以不高於50℃/min的加熱速度加熱至960℃，奧氏體化保溫時間為3～5分鐘，然後以30～300℃/s的冷速淬水至室溫。本發明的優點在於通過提高升溫速度和在較高的奧氏體化溫度下進行短時保溫，在保證鋼力學性能的同時，縮短了熱處理加熱和保溫時間，有利於節約能耗和提高生產效率，也可以為其它強度級別的低合金高強的鋼熱處理提供借鑑和參考。
文檔編號C21D1/25GK102230058SQ20111016752
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月21日 優先權日2011年6月21日
發明者於浩, 周平, 李燦明, 楊建勳, 王建景 申請人:萊蕪鋼鐵集團有限公司