本發明涉及一種鋼鐵材料的處理方法。

背景技術：

中碳鋼的傳統熱處理是調質處理，即淬火后高溫回火，獲得回火索氏體組織，該組織由鐵素體基體和均勻分布的球狀滲碳體顆粒組成，從而保證獲得良好的強度、塑性和韌性的配合，即獲得良好的綜合力學性能。這一傳統工藝主要應用于制造軸、銷、齒輪及連桿等機械零部件。調質處理工藝涉及淬火和高溫回火，存在如下不足：(1)淬火和高溫回火需要長時間加熱和保溫，消耗大量的能源，生產效率低，且淬火和回火所用冷卻介質對環境有一定的污染。(2)為了保證較大截面尺寸工件獲得均勻的回火索氏體組織，必須使用具有高淬透性的添加價格較高合金元素的合金鋼，來滿足大截面工件的淬透層深度要求，材料成本高；對于一些合金鋼，還存在高溫回火脆性敏感性，不得不加入較昂貴的合金元素Mo。(3)淬火過程伴有快速馬氏體轉變產生的體積膨脹效應，引起較大的淬火應力，存在工件變形、內部微裂紋萌生和開裂傾向。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種既能保證中碳鋼內部金相又節能、效率高的可替代調質處理的中碳鋼熱機械處理方法。本發明所述方法的技術路線是：將中碳調質鋼加熱到α+γ兩相區，保溫后進行多道次軋制變形，然后空冷至室溫，獲得具有纖維狀特征的鐵素體+球狀滲碳體組織。

本發明采用的技術方案具體如下：

(1)將中碳鋼棒料在加熱爐中加熱至α+γ兩相區溫度，溫度范圍720～820℃，保溫40min，使其獲得鐵素體+奧氏體雙相組織；

(2)取出鋼棒立即進行9道次孔型軋制，總的累計變形量控制在不低于70％，且軋制過程中每3道次后放回加熱爐重新加熱5min，再進行下一個3道次軋制，第9道次軋制后空冷到室溫。因為軋制初期鐵素體發生動態再結晶，奧氏體被拉長變成纖維狀，并使晶界和位錯增多。軋制過程伴隨棒料的冷卻，當溫度降低到A_r1時，奧氏體發生動態珠光體轉變，同時在軋制應力和應變作用下片層狀的碳化物會破碎。為了防止軋制過程溫度降過多引起軋制抗力快速增大，采取每3道次后將軋棒放回開軋加熱爐中保溫5min，此時由于晶界和位錯對碳原子擴散的促進作用，使滲碳體發生快速球化，同時也會發生部分奧氏體轉變過程，如此保證在軋制抗力不顯著增大的條件下完成后續的軋制過程。第9道次軋制后空冷到室溫，得到鐵素體和顆粒狀碳化物組成的纖維狀組織，并且有較強的<101>絲織構，使大量的鐵素體的{001}解理面平行于軋制方向，這既有利于垂直于軋制方向沖擊斷口出現裂紋偏折而提高沖擊韌性，也有利于提高強度和塑性。

本發明所述方法的物理冶金學原理是：中碳鋼在兩相區初始道次軋制變形，使鐵素體發生動態再結晶細化，奧氏體變形使晶粒沿軋制方向拉長發生纖維化，致使奧氏體晶界數量及位錯密度增加。軋制過程中，伴隨坯料溫度降低，奧氏體會轉變成珠光體類型的組織，由于變形奧氏體中晶界數量和位錯密度較高，使珠光體中的滲碳體片細化，且間距減小。經短時回爐加熱，再進行軋制變形時，導致滲碳體片碎化，促進滲碳體球化，同時這些滲碳體也抑制鐵素體的晶粒長大。那么，冷卻到室溫時，可獲得纖維化的細化鐵素體和球狀滲碳體組織。

本發明與傳統調質處理相比具有如下優點：

1、采用本方法可在中碳鋼中獲得與其調質處理相同的組織，即鐵素體和球狀滲碳體組織，且其抗拉強度、屈服強度、延伸率和沖擊韌性均高于GB/T 699-1999中碳鋼調質處理規定的指標。

2、制備工藝簡單，生產效率高。

3、不涉及淬火和回火熱處理工序，避免了冷卻介質對環境產生的污染，不涉及淬火應力引起的工件變形、內部微裂紋萌生和開裂，產品工藝性能和力學性能不受淬透性和回火脆性等影響。

4、對于大截面工件，無需選用合金鋼，采用本發明處理的中碳鋼完全能滿足要求，使材料成本大大降低。

表1列出了用本發明所述方法與GB/T 699-1999調質處理的中碳鋼力學性能對比：

表1

附圖說明

圖1為本發明實施例1所制備的棒材顯微組織的掃描電鏡照片圖。

圖2為本發明實施例2所制備的棒材顯微組織的掃描電鏡照片圖。

圖3為本發明實施例3所制備的棒材顯微組織的掃描電鏡照片圖。

圖4為本發明實施例4所制備的棒材顯微組織的掃描電鏡照片圖。

圖5為本發明實施例5所制備的棒材顯微組織的掃描電鏡照片圖。

圖6為本發明實施例6所制備的棒材顯微組織的掃描電鏡照片圖。

圖7為本發明實施例7所制備的棒材顯微組織的掃描電鏡照片圖。

具體實施方式

下面將根據具體的實施例和說明書附圖對本發明所述工藝進一步說明。

實施例1

將直徑為30mm的商用45鋼圓棒加熱至720℃，保溫40min，出爐進行累計變形量為70％的9道次孔型軋制(方-菱-方)，得到方形截面的棒材。其中第9道次為整形工序，第8道次軋制后將鋼棒轉90°再進第8個孔軋制。第3、第6道次軋制后，鋼棒分別放回720℃的爐中保溫5分鐘。第9道次軋制結束后直接空冷。

實施例2～6

按照實施例1的方案進行，與實施例1的區別在于將加熱溫度由720℃變為740、760℃、780℃、800℃和820℃，且第3、第6道次軋制結束后鋼棒回爐加熱的溫度相應地也由720℃變為740℃、760℃、780℃、800℃和820℃。

實施例7

按照實施例3的方案進行，與實施例3的區別在于將所用鋼材改為35鋼。

表2列出了實施例1～7所制備的棒材的力學性能。

表2