[发明专利]一种中高碳钢的热处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及中高碳钢材料，特别是一种含Nb中高碳钢成分设计及其生产方法。 

背景技术

传统的热处理中高碳钢在生产中存在一些问题，主要包括：踏面及轮缘晶粒粗大且不均匀，易产生贝氏体和马氏体硬相组织，铁素体含量过少，珠光体晶粒尺寸分布不均等。最终导致工业生产中其性能难于达到标准要求。

在钢中单一添加Nb或V或Ti元素能与[C]、[N]结合生成碳化物、氮化物和碳氮化物，这些化合物在高温下溶解，在低温下析出起到抑制晶粒长大以及沉淀强化作用。其组织是铁素体——珠光体，在冷却状态下的屈服强度远远超过500MPa。直接的前期处理和高强度的结合，其结果是碳当量降低，而钢的强度和韧性却大大提高，并具有显著的成本优势，使得这类钢成为成本昂贵的淬火/回火钢的替代产品，而变得引人注日，在包括汽车部件在内的许多场合下获得了应用。传统意义上的微合金化技术己经用于轧制板材产品的组织控制, Nb是这些产品中的首优元素，Nb作为微合金元素加入钢中，主要还是起到析出强化和细晶强化作用，在900～1000摄氏度以NbC或者Nb（NC）的形式析出，由于其析出温度较高，因此可以阻止奥氏体晶体的长大，从而细化晶粒。析出强化是升高屈强比最弱的强化方式之一，细晶强化是唯一脆化矢量为负值的强化方式。因此Nb元素是很好的强化元素，但它的弱点也很明显，由于Nb固溶在铁素体中能强烈提高钢的淬透性，因此在大规格的低碳钢材中应用较少，因为容易出现异常组织（B、M），比如在钢筋中，大直径的钢筋一般偏向于用V合金化，Nb合金化的工艺范围很窄，在工业生产中不易实现。而且，尽管调质状态的微合金化钢在强度方面有竞争力，然而，与淬火/回火钢相比，回火到同一硬度时，其韧性偏低。

除上述单一添加微合金化元素的介绍外，向中高碳钢复合添加微合金化元素还未见研究报道。此外，现有对于中高碳钢的热处理方法难以保证高强度的同时显著改善塑性和韧性。

发明内容

本发明通过大量实验，提供了复合添加Nb和V微合金元素的中高碳钢的成分设计，并结合适当的热处理工艺，实现组织尺寸细小且分布均匀，并具有较高强度和韧性的产品。

本发明采用了以下技术方案：一种中高碳钢的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）按照如下铸件成品的组分重量比配置原料：C:0.51-0.54 %， Mn:0.65-0.69%，Si:0.40-0.58%，Nb:0.03-0.07%，V:0.1-0.13%，Cr:0.20-0.3%，P: ≤0.020%，S: ≤0.015%，余量为Fe，

2）用中频无芯感应炉熔炼，以钢为主要原料，根据以上组分配比，进行合金化；

3）采用粘土砂、潮型，浇铸成标准的楔型和梯型试件毛坯，试件进行退火处理；

4）将制得的中高碳钢在840℃左右保温590s完成奥氏体化处理；

5）经过步骤4）后，再在260℃的温度下进行等温淬火或者不完全淬火，保温400s；

6）取粒径小于100nm的纳米氮化铝渗剂；在保持钢材工件的表面与纳米氮化铝渗剂相接触的的条件下把钢材工件加热到790℃～900℃，并且保持2小时～4小时；

7）最后取出钢材工件，冷却到室温。

本发明中各合金元素的作用如下： 

C：保证钢的淬透性，提高钢的强度、硬度以及耐磨性，要求合金钢的组织中主要组成为珠光体，C最佳的含量设计在0.51~0.54%的范围，此时，珠光体软硬相的配比最优，性能最好。

Mn：提高钢的强度和韧性，Mn具有较强的固溶强化效果，可降低钢的相变温度，缓解奥氏体向珠光体的转变速度，提高钢的淬透性，并能够细化晶粒，提高强度和韧性。但提高Mn含量将提高珠光体的体积分数，降低钢的韧性，为保障较好的强韧性配比，设计Mn成分范围为0.65-0.69%。 

Si：在钢中固溶度较大，能够显著强化铁素体，其固溶强化效果高于Mn，Si的增加可提高钢中铁素体的体积分数，并使晶粒变细，有利于提高钢的韧性，设计Si成分范围为0.40-0.58%。