阅读说明：本技术 一种消除碳钢/合金钢中沿晶界析出α相的热处理方法 (Heat treatment method for eliminating alpha phase precipitated along grain boundary in carbon steel/alloy steel ) 是由 万训智 刘澄 吕犇 李嘉诚 李擎天 郑艺 周文韬 王璇 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种消除碳钢/合金钢中沿晶界析出α相的热处理方法,通过分步高温奥氏体化,两级控温冷却,多次短程往复递减循环淬火,最后进行高温回火以及空冷至室温工艺,使易在晶界析出的α相数量减少甚至消失,进而使工件显微组织均匀,力学性能增强,减少工件早期失效的风险,延长服役寿命,可广泛应用于含碳量为0.5-0.7wt％的碳钢/合金钢中沿晶界析出α相的数量降低和消除。经过本发明处理的工件具有高性能、高寿命的优点,降低了生产产品的成本,具有较高的经济价值和社会价值,同时符合节能减排的要求,实用性强,适宜推广。(The invention provides a heat treatment method for eliminating alpha phase precipitated along a grain boundary in carbon steel/alloy steel, which reduces or even eliminates the quantity of the alpha phase easily precipitated at the grain boundary by the processes of step-by-step high-temperature austenitization, two-stage temperature control cooling, multiple short-range reciprocating descending circular quenching, and finally high-temperature tempering and air cooling to room temperature, thereby ensuring that the microstructure of a workpiece is uniform, the mechanical property is enhanced, the risk of early failure of the workpiece is reduced, the service life is prolonged, and the heat treatment method can be widely applied to the reduction and elimination of the quantity of the alpha phase precipitated along the grain boundary in the carbon steel/alloy steel with the carbon content of 0.5-0.7 wt%. The workpiece treated by the method has the advantages of high performance and long service life, the cost of producing products is reduced, the economic value and the social value are higher, the requirements of energy conservation and emission reduction are met, the practicability is high, and the method is suitable for popularization.)

一种消除碳钢/合金钢中沿晶界析出α相的热处理方法

技术领域

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本发明属于热处理工艺

技术领域

，具体涉及一种消除碳钢/合金钢中沿晶界析出α相的热处理方法。

背景技术

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近年来，随着经济和社会的发展，在满足生态环境可持续发展的前提下，人们对零部件的机械性能提出了更高的要求。现阶段，如何对现有的工业生产方式进行改进，实现产业链节能环保，提高生产效率以及产品质量，已经成为各公司和企业的重要目标。以制造行业为例，利用锻造余热对钢材进行后续热处理，每吨钢材可以节约电能400kW·h，在节约生产成本的同时，还有利于实现“碳达峰，碳中和”的目标，但这个工艺在实际实施过程中，钢材的显微组织内易有α相沿晶界析出，成网状分布，也称为网状α相，会使钢的强度比正常值低，塑性也会降低，极易产生形变断裂，大大影响使用寿命，同时还会降低产品质量。对此虽然许多研究人员进行了理论研究和工艺改进，但效果不甚理想。众所周知，0.5-0.7wt％碳钢/合金钢在石油工业、电力工业、冶金工业以及机械工业等多领域得到广泛的应用，同时也应用于船舶、汽车、基建、航天等方面的精密仪器上，而且呈现出逐年增长的趋势。这类中碳钢极易在热处理过程中出现网状α相，无法实现高强度、高硬度及高疲劳寿命的要求。网状α相的存在已严重阻碍了该类钢及其高品质制品生产和应用。

以60Si2Mn弹簧钢为例，它是应用广泛的中碳硅锰弹簧钢，具有较好的弹性、塑性、硬度及强度。60Si2Mn是我国制造碟簧钢的主要原材料之一，它不仅适用于板簧，还适用于铁道车辆、汽车拖拉机工业上螺旋弹簧、耐热弹簧以及卷制弹簧。在锻造过程中，停锻温度冷却到Ar3线时，会在奥氏体中先析出共析铁素体。但由于锻造的停锻温度高，过冷度过小，在Ac3点以下温度缓慢冷却时，共析铁素会优先在奥氏体晶界上析出，铁素体沿奥氏体晶界长大的速度大于在奥氏体晶内长大的速度，从而形成网状铁素体。网状铁素体会严重分割了珠光体之间的协同作用，使钢的强度远低于正常值，特别是屈服强度。同时，钢的塑性会明显降低，致使60Si2Mn弹簧钢综合性能下降，产生早期失效。网状铁素体会显著增大钢的脆性，冷加工极限也会大大降低，因此消除锻造后极易存在的网状铁素体是至关重要的。

本发明是一种新型热处理工艺，通过独特的冷却方式以及结合特殊的淬火工艺，在满足组织和性能的基础上，可以大部分或完全消除0.5-0.7wt％碳钢/合金钢在生产中沿晶界析出的α相组织，减少工件早期失效的风险，延长服役寿命，具有很高的经济价值和社会价值。

发明内容

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本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种消除碳钢/合金钢中沿晶界析出α相的热处理方法。

本发明采用以下技术方案：

一种消除碳钢/合金钢中沿晶界析出α相的热处理方法，包括以下步骤：

S1、分步高温奥氏体化：将碳钢/合金钢工件置入加热炉中，将加热炉升温到600～680℃，保温10～15min；随后将加热炉缓慢升温到950～1050℃，保温30～45min；

S2、控制冷却：将S1处理后的工件快速从高温炉中取出，首先进行初级控冷，随后进行二级控冷；

S3、短程往复递减循环淬火：

第一阶段：将S2控冷处理后的工件在淬火液中进行冷却8～10s，接着将工件提出淬火液液面，放置空气中，停留时间与冷却时间一致；重复上述操作a次；

第二阶段：将第一阶段处理后的工件放入淬火液中进行冷却，冷却时间相对于第一阶段递减1s，再次将工件提出淬火液液面，停留时间与冷却时间一致；重复上述操作b次；

第三阶段：将第二阶段处理后的工件放入淬火液中进行冷却，冷却时间相对于第二阶段递减1s，再次将工件提出淬火液液面，停留时间与冷却时间一致；重复上述操作c次；

其中，a+b+c＝9～12；

S4、高温回火：将S3处理后的工件放入电阻炉中保温，随后空冷至室温，操作完成。

进一步的，S2中，初级控冷时，控制冷却速度在200～300℃/min，冷却时间为1-3s；二级控冷时，冷却速度为400℃/min，冷却时间为3-5s。

进一步的，S3的操作为：

第一阶段：将S2控冷处理后的工件在淬火液中进行冷却8s，接着将工件提出淬火液液面，放置空气中，停留8s；重复上述操作4次；

第二阶段：将第一阶段处理后的工件放入淬火液中进行冷却7s，再次将工件提出淬火液液面，停留7s；重复上述操作3次；

第三阶段：将第二阶段处理后的工件放入淬火液中进行冷却6s，再次将工件提出淬火液液面，停留6s；重复上述操作2次。

进一步的，S3中，工件在淬火液中冷却时，通过搅动保持淬火液的流速为0.3～0.6m/s。

进一步的，S3中，每次冷却后，将工件提出淬火液液面高度为10cm。

进一步的，S3中，所述淬火液的配比为SiO₂:Al₂O₃:Fe₂O₃:CaO:H₂O＝4:3:2:1:50。

进一步的，S4中，电阻炉温度为560～620℃，保温时间为1～2h。

本发明还提供以上所述的消除碳钢/合金钢中沿晶界析出α相的热处理方法在消除含碳量为0.5-0.7wt％的碳钢/合金钢中沿晶界析出α相的应用。

本发明的有益效果：

本发明是一种新型热处理工艺，通过独特的冷却方式以及结合特殊的淬火工艺，可以大部分或完全消除0.5-0.7wt％碳钢/合金钢在生产中沿晶界析出的α相组织，使其显微组织均匀，力学性能增强，减少工件早期失效的风险，延长服役寿命；通过本发明方法处理的0.5-0.7wt％碳钢/合金钢工件，具有高性能、高寿命的优点，降低了生产产品的费用，具有较高的经济价值和社会价值，同时符合节能减排的要求，有利于实现“碳达峰，碳中和”的目标。

附图说明

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图1为本发明热处理工艺示意图；

图2为本发明实施例1处理后的55钢的光学显微组织图；

图3为经传统锻造后直接等温正火热处理后55钢的光学显微组织图；

图4为本发明实施例1处理与锻造后直接等温正火处理的55钢的布氏硬度对比图。

具体实施方式

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为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

实施例1

本发明实施例提供一种消除碳钢/合金钢中沿晶界析出α相的热处理方法，可作为实验操作人员使用，包括以下步骤：

S1、分步高温奥氏体化：将加热炉升温到600-680℃，将已有沿晶界析出α相的0.5-0.7wt％碳钢/合金钢试样置入加热炉中，保温15min；随后将加热炉缓慢升温到950-1050℃，保温时间30min；

S2、控制冷却：将S1处理后的工件快速从高温炉中取出，首先进行初级控冷，控制冷却速度在300℃/min，冷却时间为2s；随后进行二级控冷，冷却速度为400℃/min，冷却时间为4s；

S3、短程往复递减循环淬火：

第一阶段：将S2控冷处理后的工件在淬火液(淬火液的各组分重量比为SiO₂:Al₂O₃:Fe₂O₃:CaO:H₂O＝4:3:2:1:50)中进行冷却8s，接着将工件提出淬火液液面10cm，放置空气中，停留8s；重复上述操作4次；

第二阶段：将第一阶段处理后的工件放入淬火液中进行冷却7s，再次将工件提出淬火液液面10cm，停留7s；重复上述操作3次；

第三阶段：将第二阶段处理后的工件放入淬火液中进行冷却6s，再次将工件提出淬火液液面10cm，停留6s；重复上述操作2次；

本步骤共进行短程往复递减循环淬火9次；

工件在淬火液中冷却时，通过搅动保持淬火液的流速为0.5m/s。

S4、高温回火：将S3处理后的工件放入560～620℃的电阻炉中保温1～2h，随后取出工件，空冷至室温，操作完成，观察其显微组织，并测量硬度。

试验例1

将本发明实施例1处理后和经传统锻造后直接等温正火热处理的55钢分别进行显微组织观察，光学显微组织示意图参照图2和图3。

图2：本发明热处理后获得的55钢光学显微组织图。

图3：经传统锻造后直接等温正火热处理的55钢光学显微组织。

由图2可以看出，本发明实施例1处理后的55钢，可以看见细小的不连贯的网格状铁素体组织，局部网格状铁素体组织已被完全消除；由图3可以看出，网状铁素体连贯并且较为粗大，严重的分割了珠光体之间的联系，使其硬度降低，影响使用寿命。与现有的锻造后直接等温正火处理的55钢相比，本发明实施例1处理后的55钢，网状铁素体明显已经被打碎并消除。与常见热处理工艺相比，本发明可有效消除沿晶界析出α相(如网状铁素体)。

试验例2

将本发明实施例1处理后的55钢和经传统锻造后直接等温正火热处理的55钢分别进行硬度测试，布氏硬度对比图参照图4。

由图4可以看出，本发明实施例1热处理后的55钢硬度比锻造后直接等温正火处理后55钢的硬度要高，这是由于网状铁素体被打破后，珠光体之间的联系加强，硬度会显著升高，升高了大约16.3％。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。