一种提高中碳钢力学性能的热加工方法论文和设计

全文摘要

本发明提供了一种提高中碳钢力学性能的热加工方法，涉及金属材料科学技术领域。包括：将中碳钢依次进行高温高压热处理和低温高压热处理。中碳钢经高温高压热处理，获得含位错密度较高的细小马氏体组织，这些位错在后续低温高压热处理过程中为碳化物的析出提供更多位置，增加析出碳化物的颗粒数量；低温高压热处理使原子的扩散系数在较高压力作用下减小，使得析出的碳化物颗粒数量多且不易长大，从而造成析出的碳化物颗粒更加细小弥散，从而导致弥散强化效果增强，提高中碳钢的硬度和强度。与相同工艺常压热处理相比，经本发明热加工方法处理的中碳钢的硬度值和压缩屈服强度分别提高了10.00～12.12％和10.77～14.33％。

主设计要求

1.一种提高中碳钢力学性能的热加工方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将中碳钢在六面加压的条件下，进行高温高压热处理，得到预处理中碳钢；(2)将所述预处理中碳钢在六面加压的条件下，进行低温高压热处理；所述中碳钢包括以下质量百分含量的元素：C0.30～0.50％、Mn0.40～0.80％、Si0.020～0.40％、P≤0.030％、S≤0.035％，余量的Fe；所述高温高压热处理的温度为860～900℃；所述低温高压热处理的温度为500～600℃；所述高温高压热处理和所述低温高压热处理的压力为2～6GPa。

设计方案

1.一种提高中碳钢力学性能的热加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将中碳钢在六面加压的条件下，进行高温高压热处理，得到预处理中碳钢；

(2)将所述预处理中碳钢在六面加压的条件下，进行低温高压热处理；

所述中碳钢包括以下质量百分含量的元素：C 0.30～0.50％、Mn 0.40～0.80％、Si0.020～0.40％、P≤0.030％、S≤0.035％，余量的Fe；

所述高温高压热处理的温度为860～900℃；所述低温高压热处理的温度为500～600℃；

所述高温高压热处理和所述低温高压热处理的压力为2～6GPa。

2.根据权利要求1所述的热加工方法，其特征在于，所述高温高压热处理的时间为10～15min。

3.根据权利要求1所述的热加工方法，其特征在于，所述低温高压热处理的时间为30～60min。

4.根据权利要求1所述的热加工方法，其特征在于，所述高温高压热处理结束后，将所得高温高热热处理产物在保压的条件下，随炉冷却至室温。

5.根据权利要求1所述的热加工方法，其特征在于，所述低温高压热处理结束后，将所得低温高温热处理产物在保压的条件下，随炉冷却至室温。

6.根据权利要求1所述的热加工方法，其特征在于，升温至所述高温高压热处理温度和低温高压热处理温度的速率独立地为40～50℃\/min。

设计说明书

技术领域

本发明涉及金属材料科学技术领域，尤其涉及一种提高中碳钢力学性能的热加工方法。

背景技术

中碳钢成本低，热加工工艺好，经调质处理(淬火+高温回火)后具有良好的强度、韧性和塑性等优点，可用来制作轴类和齿轮类零件已在机械制造业等方面得到广泛的应用。然而中碳钢不足之处是淬透性差，且经调质处理后在铁素体基体上分布的粒状碳化物的弥散强化效果不足，因而导致中碳钢的强度偏低，满足不了一些高强度作业下的工况要求，为使中碳钢发挥最大的使用性能，探索提高中碳钢力学性能的新工艺方法具有一定的实际意义。

目前，通常采用的方法主要是在钢中加入合金元素和热加工(包括：变形、热处理等)，采用添加合金元素法虽效果良好，但存在工艺制度控制严格，成本高，易出现组织不均现象。而采用热加工法提高中碳钢的力学性能有限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种提高中碳钢力学性能的热加工方法，本发明提供的热加工方法能够大幅度提高中碳钢的力学性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种提高中碳钢力学性能的热加工方法，包括以下步骤：

(1)将中碳钢在六面加压的条件下，进行高温高压热处理，得到预处理中碳钢；

(2)将所述预处理中碳钢在六面加压的条件下，进行低温高压热处理；

所述高温高压热处理的温度为860～900℃；所述低温高压热处理的温度为500～600℃。

优选地，所述高温高压热处理和所述低温高压热处理的压力为2～6GPa。

优选地，所述高温高压热处理的时间为10～15min。

优选地，所述低温高压热处理的时间为30～60min。

优选地，所述高温高压热处理结束后，将所得高温高热热处理产物在保压的条件下，随炉冷却至室温。

优选地，所述低温高压热处理结束后，将所得低温高温热处理产物在保压的条件下，随炉冷却至室温。

优选地，升温至所述高温高压热处理温度和低温高压热处理温度的速率独立地为40～50℃\/min。

优选地，所述中碳钢包括以下质量百分含量的元素：C 0.30～0.50％、Mn 0.40～0.80％、Si 0.020～0.40％、P≤0.030％、S≤0.035％，余量的Fe。

本发明提供了一种提高中碳钢力学性能的热加工方法，包括以下步骤：将中碳钢在六面加压的条件下，进行高温高压热处理，得到预处理中碳钢；将所述预处理中碳钢在六面加压的条件下，进行低温高压热处理；所述高温高压热处理的温度为860～900℃；所述低温高压热处理的温度为500～600℃。本发明的中碳钢经高温高压热处理，获得含位错密度较高的细小马氏体组织，这些位错在随后的低温高压热处理过程中为碳化物的析出提供更多位置，增加析出碳化物的颗粒数量；低温高压热处理使原子的扩散系数在较高的压力作用下减小，使得析出的碳化物颗粒数量多且不易长大，从而造成析出的碳化物颗粒更加细小弥散，从而导致弥散强化效果增强，提高了中碳钢的硬度和强度。另外，本发明的热加工方法工艺简单，操作方便，获得中碳钢性能均匀稳定。实施例的数据表明：在不改变中碳钢原始成分的基础上，本发明的热加工方法可有效提高中碳钢的力学性能；与相同工艺常压热处理相比，经本发明热加工方法处理的中碳钢的硬度值和压缩屈服强度分别提高了10.00～12.12％和10.77～14.33％。

具体实施方式

本发明提供了一种提高中碳钢力学性能的热加工方法，包括以下步骤：

(1)将中碳钢在六面加压的条件下，进行高温高压热处理，得到预处理中碳钢；

(2)将所述预处理中碳钢在六面加压的条件下，进行低温高压热处理；

所述高温高压热处理的温度为860～900℃；所述低温高压热处理的温度为500～600℃。

本发明将中碳钢在六面加压的条件下，进行高温高压热处理，得到预处理中碳钢。在本发明中，所述中碳钢优选包括以下质量百分含量的元素：C 0.30～0.50％、Mn 0.40～0.80％、Si 0.020～0.40％、P≤0.030％、S≤0.035％，余量的Fe。本发明对所述中碳钢的来源不做具体限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品或自制中碳钢即可。本发明对所述中碳钢的制备方法不做具体限定，采用本领域技术人员熟知的中碳钢制备方法即可，具体的如正火态中碳钢。

在本发明中，所述高温高压热处理的温度为860～900℃，优选为870～890℃；所述高温高压热处理的压力优选为2～6GPa，进一步优选为3～5GPa；所述高温高压热处理的时间优选为10～15min。在本发明中，升温至所述高温高压热处理温度的速率优选为40～50℃\/min。在本发明中，所述六面加压的条件通过六面顶压机实现；即所述高温高压热处理在六面顶压机内完成。

高温高压热处理完成后，本发明优选将所得高温高压热处理产物在保压的条件下，随炉冷却至室温。在本发明中，涉及到设备操作时，具体步骤优选为：高温高压热处理结束后，关掉所述六面顶压机的电源，保压随炉冷却至室温。

本发明的中碳钢经高温高压热处理后，获得含位错密度较高的细小马氏体组织，这些位错在随后的低温高压热处理过程中为碳化物的析出提供更多位置，增加析出碳化物的颗粒数量。

得到预处理中碳钢后，本发明将所述预处理中碳钢在六面加压的条件下，进行低温高压热处理。在本发明中，所述低温高压热处理的温度为500～600℃，优选为520～580℃，进一步优选为540～560℃。在本发明中，所述低温高压热处理的压力优选与高温高压热处理的温度一致，优选为2～6GPa，进一步优选为3～5GPa。在本发明中，所述低温高压热处理的时间优选为30～60min。在本发明中，升温至所述低温高压热处理温度的速率优选为40～50℃\/min。在本发明中，所述六面加压的条件通过六面顶压机实现；即所述低温高压热处理在六面顶压机内完成。

低温高压热处理完成后，本发明优选将所得低温高压热处理产物在保压的条件下，随炉冷却至室温。在本发明中，涉及到设备操作时，步骤优选为：低温高压热处理结束后，关掉所述六面顶压机的电源，保压随炉冷却至室温。

低温高压热处理使原子的扩散系数在较高的压力作用下减小，使得析出的碳化物颗粒数量多且不易长大，从而造成析出的碳化物颗粒更加细小弥散，从而导致弥散强化效果增强，提高了中碳钢的硬度和强度。

本发明将中碳钢依次经高温高压热处理和低温高压热处理，在不改变中碳钢原始成分的基础上，可有效提高中碳钢的力学性能。而且，本发明的热加工方法工艺简单、操作方便、处理的中碳钢性能均匀稳定。

下面结合实施例对本发明提供的提高中碳钢力学性能的热加工方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

实验材料为35中碳钢，所述中碳钢包括以下重质量百分含量的元素：C 0.36％，Mn0.56％，Si 0.32％，P 0.027％，S 0.025％，余量的铁。

将尺寸为Φ8×10mm的中碳钢试样在CS-ΙΙB型六面顶压机上进行高温高压热处理，压力为6GPa，温度为900℃，保温时间为10min；然后断电保压随炉冷却至室温，得到预处理中碳钢；

将所述预处理中碳钢在6GPa的压力下，以50℃\/min的速率升温至500℃，保温30min后，断电保压随炉冷却至室温。