專利名稱：低碳合金鋼快速獲得細小鐵素體晶粒的熱處理方法
技術領域：
本發(fā)明屬于冶金技術領域，具體涉及一種利用形變誘導鐵素體相變機理使低碳合金鋼快速獲得細小鐵素體晶粒的熱處理方法。
背景技術：
鋼鐵材料對社會現(xiàn)代化建設起著重要作用，新一代鋼鐵材料的基本特征是晶粒超細、高潔凈、高均勻。晶粒的大小直接影響金屬的機械性能，而細化晶粒是提高金屬強度與塑性的唯一方法，細化晶粒的方法很多，其中的方法之一就是形變誘導鐵素體相變(Deformation Induced ferrite transformation,簡稱 DIFT)。引起鐵素體相變的本質是 變形導致的自由能升高和奧氏體形核地點的增多，因此該理論是奧氏體向鐵素體的組織變化和鐵素體晶粒的細化的結合。影響形變的因素除了應變之外，還包括應變速率、溫度、變形方式等。傳統(tǒng)對低碳鋼或低碳合金鋼進行細化晶粒的途徑是利用TMCP(ThermoMechanicalControlProcess即熱機械控制工藝)技術，也就是在熱軋過程中，在控制加熱溫度、軋制溫度和壓下量的控制軋制的基礎上，再實施空冷或控制冷卻及加速冷卻。TMCP工藝周期長，成本高，需要嚴格控制許多工藝參數(shù)才能實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種操作簡單、成本低廉的使低碳合金鋼快速獲得細小鐵素體晶粒的熱處理方法。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是低碳合金鋼快速獲得細小鐵素體晶粒的熱處理方法，包括如下步驟a、將退火態(tài)(即軟態(tài)，是在適當?shù)臏囟认?，讓金屬材料保溫一定的時間，消除金屬內(nèi)應力，使金屬材料從硬態(tài)轉化為軟態(tài))的低碳合金鋼加熱到950 1000°C，保溫20 40分鐘；b、利用鍛打的方式對步驟a處理后的低碳合金鋼進行熱形變處理，控制壓縮比(試樣的原始高度H。除以試樣形變后的最終高度Hf:即HtZHf)不小于3 ；C、將熱形變處理后的低碳合金鋼放置在空氣中靜置30 50秒，然后放到冷卻水中充分冷卻。其中，上述方法步驟a中低碳合金鋼加熱到950 1000°C后的保溫時間為25 35分鐘。其中，上述方法步驟b中控制壓縮比在3 4之間。其中，上述方法步驟c中低碳合金鋼在空氣中進行靜置的時間為35 45秒。其中，上述方法步驟c中所述冷卻水為流動狀態(tài)的冷卻水。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明利用形變誘導鐵素體相變的機理，即熱形變+弛豫(在空氣中靜置)+快速冷卻的工藝可將低碳合金鋼晶粒進行有效的細化，可將退火態(tài)粗大的鐵素體+珠光體(F+P)轉化成以鐵素體為主的等軸細小均勻的組織，晶粒小于5 μ m,既保證低碳合金鋼具有較高的強度，還具有良好的韌性，從而提高其綜合機械性能。本發(fā)明利用形變誘導鐵素體相變機理使低碳合金鋼快速獲得細小鐵素體晶粒的熱處理方法操作簡單，設備投資低，生產(chǎn)成本低，具有良好的應用前景，為獲得形變誘導鐵素體相變組織開辟了一條新的途徑。


圖I為本發(fā)明形變誘導相變后試樣的橫截面放大500倍的金相顯微組織圖；白色的為均勻等軸的細粒狀鐵素體，深色的為部分珠光體組織。 圖2為退火態(tài)試樣的橫截面放大500倍的金相顯微組織圖；白色的為粗大的鐵素體組織，深色的為層片狀珠光體組織。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。本發(fā)明低碳合金鋼快速獲得細小鐵素體晶粒的熱處理方法，包括如下步驟a、將退火態(tài)的低碳合金鋼加熱到950 1000°C，保溫25 35分鐘。形變誘導鐵素體相變的起始組織是奧氏體態(tài)，奧氏體晶界是一種缺陷，可以提供形核驅動力，因此鐵素體的形核地點優(yōu)先在奧氏體晶界位置，而奧氏體的晶粒尺寸的降低，可使相同應變量下鐵素體的轉變量增加，有利于形變誘導鐵素體的發(fā)生，另一方面，奧氏體晶界數(shù)量就相應增加，對鐵素體相變就越有利，奧氏體晶粒大小控制的直接影響因素是溫度，為了不讓奧氏體晶粒過于粗大，同時為有利于熱形變，將加熱的溫度控制在950 1000°C，同時保溫25 35分鐘，使奧氏體充分均勻化。b、利用鍛打的方式對步驟a處理后的低碳合金鋼進行熱形變處理，控制壓縮比在3 4之間。利用奧氏體化的低碳合金鋼進行形變熱處理時，會引起奧氏體發(fā)生強烈的扭曲變形，從而導致位錯密度的急劇增大，變形儲能升高，同時，形變誘導鐵素體相變的發(fā)生需要一臨界應變量，臨界應變量與變形條件和鋼的化學成分有關，當超過臨界應變量的變形，鐵素體形核位置開始從臨界形核逐步向晶內(nèi)形核過渡，鐵素體晶粒的數(shù)量和鐵素體轉變量相應的增加，因此本發(fā)明采用大的形變量，即控制壓縮比不小于3，優(yōu)選在3 4之間。C、將熱形變處理后的低碳合金鋼放置在空氣中靜置35 45秒，然后放到冷卻水中充分冷卻。相關研究表明，形變誘導鐵素體相變一般包含三個階段，即具有較低形核率的轉變初期，具有較高形核率的轉變中期以及較低形核率的轉變后期。熱形變結束后采取弛豫的手段是為了在形變誘導鐵素體過程中，待奧氏體晶界被消耗完畢后，形核位置開始由晶界向晶界兩側擴展，同時在晶內(nèi)會形成大量變形帶，為鐵素體提供了新的豐富的形核地點，從而加速形變誘導鐵素體相變，采取流動的冷卻水快速冷卻是為了有效地保留獲得的形變誘導鐵素體晶粒，同時有效防止鐵素體晶粒粗化。最后，形變誘導相變獲得的組織以均勻細小的鐵素體為主，還有一定量的珠光體及馬氏體組織，可以利用國標《金屬平均晶粒度測定方法》(GBT6394-2002)測算出鐵素體晶粒度大小。而退火態(tài)原始組織是由珠光體與鐵素體組成的混合組織，通過硬度測試并利用硬度-強度轉化表間接獲得上述兩種組態(tài)的強度值，比較強度的變化，從而提供比較可信的強度性能數(shù)據(jù)。
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下面通過實施例對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的說明，但并不因此將本發(fā)明的保護范圍限制在實施之中。實施例一相變誘導鐵素體相變是主要利用形變奧氏體向鐵素體的轉變完成，該轉變是在溫度過冷與形變的雙重條件下進行，溫控及形變對奧氏體一鐵素體相變的熱力學、動力學過程均具有強烈的影響，它們直接影響相變組織演變及控制、實現(xiàn)鐵素體晶粒細化。一般認為，碳、錳含量的增加均不利于形變誘導鐵素體相變的進行，尤其是碳對降低Ac3(亞共析鋼加熱時鐵素體全部消失的最低溫度)的作用極大，從而直接影響形變誘導鐵素體相變效果，因此一般低碳或超低碳的碳鋼或合金鋼才能實現(xiàn)較好的誘導鐵素體相變。這些材料包括20鋼、A3鋼、15Mn、20CrV、20Cr、20CrMnTi等，本實例以20CrMnTi為例，介紹實現(xiàn)利用形變誘導鐵素體相變實驗鐵素體細化過程。①將若干退火態(tài)試樣放入型號為RT2-65-9的加熱爐內(nèi)進行加熱，溫度為950-10000C，保溫30min，取出，豎直放置，用載荷為O. 5T的鍛錘沿平行試樣軸線方向進行反復鍛打，直至試樣壓縮比為3. I。②熱形變結束后進行空氣中停留，并啟動秒表記錄不同的停留時間，時間間隔為10s，然后將試樣放入流動的冷卻水中進行快速冷卻。③將經(jīng)過處理的不同試樣用線切割進行切割，取其中一半制成合格金相試樣，觀察金相組織，其中空氣中停留40s后快速冷卻的試樣觀察到形變誘導鐵素體相變組織，見圖I。④利用國標《金屬平均晶粒度測定方法》(GBT6394-2002)測定得到鐵素體平均晶粒大小為3. 4 μ m，利用布氏硬度計測得其硬度為HB313，換算成抗拉強度為1070MPa，而退火態(tài)(供貨態(tài))硬度為211，換算成抗拉強度為724Mpa，因此強度提高了 32. 3%，由于形變誘導相變的主要是均勻細小的鐵素體，而鐵素體本身就具有良好的韌性，因此利用該工藝獲得的形變誘導鐵素體組織不但強度高，且韌性好。圖I和圖2分別為形變誘導鐵素體相變及退火態(tài)(供貨態(tài))放大500倍的金相組織，從圖中看到，圖2的主要組織為粗大的層片狀珠光體及形狀不規(guī)則的鐵素體，鐵素體組織非常粗大。圖I為形變誘導鐵素體的相變組織，主要由均勻細小的鐵素體與珠光體及少量的馬氏體組成。晶粒細化是唯一提高強度和韌性的方法，利用該工藝獲得形變誘導組織既保證了較高的強度，還具有良好的韌性。
權利要求
1.低碳合金鋼快速獲得細小鐵素體晶粒的熱處理方法，其特征在于包括如下步驟 a、將退火態(tài)的低碳合金鋼加熱到950 1000°C，保溫20 40分鐘； b、利用鍛打的方式對步驟a處理后的低碳合金鋼進行熱形變處理，控制壓縮比不小于.3； C、將熱形變處理后的低碳合金鋼放置在空氣中靜置30 50秒，然后放到冷卻水中充分冷卻。
2.根據(jù)權利要求I所述的低碳合金鋼快速獲得細小鐵素體晶粒的熱處理方法，其特征在于步驟a中低碳合金鋼加熱到950 1000°C后的保溫時間為25 35分鐘。
3.根據(jù)權利要求I所述的低碳合金鋼快速獲得細小鐵素體晶粒的熱處理方法，其特征在于步驟b中控制壓縮比在3 4之間。
4.根據(jù)權利要求I所述的低碳合金鋼快速獲得細小鐵素體晶粒的熱處理方法，其特征在于步驟c中低碳合金鋼在空氣中進行靜置的時間為35 45秒。
5.根據(jù)權利要求I至4中任一項所述的低碳合金鋼快速獲得細小鐵素體晶粒的熱處理方法，其特征在于步驟c中所述冷卻水為流動狀態(tài)的冷卻水。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用形變誘導鐵素體相變機理使低碳合金鋼快速獲得細小鐵素體晶粒的熱處理方法。該方法包括如下步驟a、將退火態(tài)的低碳合金鋼加熱到950～1000℃，保溫20～40分鐘；b、利用鍛打的方式對步驟a處理后的低碳合金鋼進行熱形變處理，控制壓縮比不小于3；c、將熱形變處理后的低碳合金鋼放置在空氣中靜置30～50秒，然后放到冷卻水中充分冷卻。本發(fā)明可將退火態(tài)粗大的鐵素體+珠光體轉化成以鐵素體為主的等軸細小均勻的組織，晶粒小于5μm，既保證低碳合金鋼具有較高的強度，還具有良好的韌性，從而提高其綜合機械性能。本發(fā)明方法操作簡單，生產(chǎn)成本低，具有良好的應用前景。
文檔編號C21D8/00GK102851471SQ20121037520
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權日2012年9月27日
發(fā)明者王能為, 李洋, 周瑩, 馮建偉, 方海軍, 葉鵬麗 申請人:攀枝花學院