[发明专利]一种中碳合金钢的Q-P热处理工艺

说明书

本发明公开了一种中碳合金钢的Q‑P热处理工艺，包括如下步骤：中碳合金钢在870‑950℃下奥氏体化，随后在水基悬浮液中急冷1‑3s；然后在100‑190℃下保温5‑15min，之后在250‑280℃下保温30‑240min，最后空冷至室温。按本发明所述工艺得到的中碳合金钢，满足普通Q‑P法获得的组织要求，即获得贫碳马氏和高碳残余奥氏体的组合，除此之外，利用本发明对52Mn2SiCr钢处理后硬度达到56HRC以上，是原始试样的1.4倍以上；弯曲强度达到4009.9MPa，挠度达到9.2mm。

技术领域

本发明属于热处理技术领域，是一种使中碳合金钢获得高弯曲性能的Q-P热处理方法。

背景技术

淬火分配工艺(Quenching and partitioning process, Q-P process)是Speer于2003年提出的一种钢的热处理的新工艺，该工艺是将含Si或Al的钢奥氏体化后，在Ms和Mf点之间某一温度(Quenching temperature, QT)淬火，然后在同一温度或更高温度(Partitioning temperature, PT)下保温一定时间，最后空冷至室温的工艺。最终会得到贫碳马氏体和富碳残余奥氏体的组合。Q-P钢是第三代先进高强钢(Advanced highstrength steel, AHSS)的典型代表，具有良好的强韧性组合。它以C-Mn-Si钢为基础，性能高且价格低。作为汽车的车身用钢和结构用钢，可使车身质量大大减轻，提高燃油经济性，还增强了车身的抗撞击能力，因而在汽车工业上得到了广泛的应用。

Q-P处理工艺过程如图1所示。首先将钢材加热奥氏体化，然后立即放入盐浴炉1中淬火，温度为QT，在Ms和Mf之间，随后转移到盐浴炉2中保温一定时间，温度为PT，一般高于QT，最后空冷至室温。

在Q-P处理工艺中，盐浴炉的使用贯穿整个淬火和分配阶段。盐浴主要起保温的作用，成分由硝酸盐或亚硝酸盐混合组成（比如45％NaNO₃和55％Na₂NO₃）。虽然盐浴的保温效果很好，但使用盐浴对中碳合金钢进行Q-P处理存在以下问题：

1、盐浴的冷却速度较慢。如图2所示，在500~800℃时，盐浴的冷却速度高于快速淬火油和普通矿物油。然而在低于400℃时，冷却速度反而比快速淬火油和普通矿物油低。虽然这样有利于减少工件内应力的产生并减缓开裂倾向，但研究表明中碳合金钢在淬火过程中，由于盐浴较弱的冷却能力，会导致除马氏体和残余奥氏体之外的其他相组织出现，如珠光体和铁素体等，从而降低工件的整体力学性能。

2、硝盐的耗能较大。一般来说，淬火工件与盐浴的重量比大约为1: 10。硝盐的用量巨大，根据硝盐的比热和密度，熔化1m³ 硝盐至少需要129 kW·h的电能。将1m³硝盐温度每升高或降低1℃，需要吸收或释放的能量为0.86 kW·h。因此，对于大尺寸零件，难以实现盐浴保温。

3、硝盐污染环境、伤害人体。硝酸盐蒸发或排放到空气中，对环境产生巨大污染。亚硝酸盐是一种致癌物质，长期使用，会威胁工作者的人身健康。后续的无污染处理将是一笔巨大的投入。

4、其他问题。比如淬火后，盐易粘结在工件上,残留的盐可引起腐蚀，而小孔、螺纹孔等死角处的清洗较为麻烦。除此之外，盐浴炉内易沉淀渣滓，渣滓较硬时难以清除。

综上所述，在中碳合金钢的Q-P处理过程中，盐浴炉的使用会引起一系列的环境问题和后续处理的困难，而最终获得的组织也难以达到要求获得的力学性能。此外，工业化大规模生产仍存在很大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中碳合金钢的Q-P热处理工艺，避免了Q-P处理过程中盐浴炉的使用，同样能获得符合性能要求的产品；利用本发明对52Mn2SiCr钢进行Q-P热处理后工件硬度≥56HRC，弯曲强度≥4009.9MPa，挠度≥9.2mm，获得了符合要求的高弯曲性能产品。