专利名称：一种超细精钢的生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及冶金技术，是一种超细精钢的生产工艺。
背景技术：
超细精钢的开发是各国均非常重视的研究的课题。有的国家最近报道用95％的变形量生产晶粒尺寸为3μm以上、抗拉强度为450mpa的超细精钢，这种精钢的不足是晶粒尺寸较大、抗拉强度较低。另有报道采用直接压轧低碳马氏体后退火，用50％的变形量，获得铁素体晶粒尺寸1μm左右与部分残余马氏体混合组织钢；这种加工方法的不足在于因马氏体硬度高，直接实施塑性变形工艺，易发生开裂，导致产品成品率低，超细精钢的制造成本高，不宜大批量生产。
发明内容
本发明的目的是，提供一种超细精钢的生产工艺，能够生产强度高、韧度高的超细精钢，并具有生产成本低、可节省50％左右钢材的优点。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现一种超细精钢的生产工艺，对马氏体或以马氏体为机体的钢铁进行回火处理，然后对其塑性变形加工，再经退火处理来细化铁素体晶粒，得到超细精钢。所述的一种超细精钢的生产工艺，对马氏体或马氏体为机体的钢铁进行回火处理，使其硬度达到250HV-700HV，然后对其塑性变形加工，变形量为30％-90％，再经300℃-700℃退火处理来细化铁素体晶粒，得到铁素体晶粒尺寸为0.5μm-2.5μm超细精钢，超细精钢的硬度为200HV-300HV，抗拉强度为700-1100Mpa。所述的一种超细精钢的生产工艺，得到的铁素体晶粒尺寸为0.5μm-1.5μm。所述的一种超细精钢的生产工艺，得到的铁素体晶粒尺寸为0.5μm-1.2μm。所述的一种超细精钢的生产工艺，塑性变形加工的变形量为40-80％。所述的一种超细精钢的生产工艺，回火处理的温度为150℃-700℃。所述的一种超细精钢的生产工艺，对马氏体的塑性变形加工，可采用拉拔、压轧或扭转方式。所述的一种超细精钢的生产工艺，对马氏体的塑性变形加工，可在室温、室温以下温度或高于室温下进行，一般不高于AC1温度采用拉拔、压轧或扭转方式，采取至少一次塑性变形加工。所述的一种超细精钢的生产工艺，塑性变形加工可采用多道工序的小变形量方法达到所需的变形量。
本发明就是对机体组织是马氏体组织或以马氏体组织的钢铁首先进行回火处理，然后再进行塑变形加工，最后再对其实施退火处理，可实现对晶粒的细化，由于马氏体经回火处理后的组织的特殊性，在相同的塑性变形量的前提下，比铁素体组织、奥氏体组织、珠光体或其它组织等对晶粒的细化效果显著的多，用30％-90％或40％-80％不等的塑性变形量对马氏体经回火处理后的组织进行加工处理，然后再退火处理就能获得铁素体晶粒在1微米数量级的等轴超细精钢。利用机体组织是马氏体组织或以马氏体组织的钢铁先后依次经过回火处理，塑变形加工处理，退火处理，可实现对晶粒的细化。
本发明所述的马氏体组织或以马氏体组织为机体的组织一般可先后依次经过奥氏体化处理，淬火处理获得，当然，也不排除其它途径的可能，为获得本发明工艺所需的理想的马氏体组织，需根据钢铁的化学成份，选择合理的工艺。如为减少残余奥氏体的含量可以采取形变热加工，或二次淬火等辅助工艺。本发明工艺要求的理想组织是回火马氏体，淬火处理的目的要获得马氏体组织，同时尽量降低马氏体中的残余奥氏体的含量，降低马氏体中的残余奥氏体的含量的办法可采用一是二次淬火工艺；二是形变热处理工艺；三是冷处理淬火工艺或其它有利于降低残余奥氏体的含量的办法。分级淬火工艺对降低淬火过程中开裂的发生有利。
本发明工艺所述的回火处理的目的是一、适当降低亚结构中的位错密度、孪晶密度和过饱和铁素体中碳浓度，以提高塑性变性能力，降低硬度。二、让过饱和的碳或其它合金元素以弥散和细小的碳化物析出。三、要尽最大可能的保留马氏体的组织中原有的晶体缺陷晶界、亚晶界(低碳马氏体组织中板条状与板条状的界面、高碳马氏体组织中状的透镜片与透镜片界面)等，特别是大量亚晶界。
一般而言，对含碳量高的马氏体，其回火的程度要大(这里所指的回火程度高与低主要指固溶碳析出程度和析出碳化物的聚集程度)，尽量降低马氏体机体中碳浓度，其目的是增大其塑性变性能力和弥散析出碳化物对晶粒长大的阻碍作用；而对含碳量低的马氏体回火的程度要相对低；对合金钢及微合金钢不仅要考虑碳元素的作用，而且也要考虑合金元素及微合金元素及它们碳化物的作用，不管哪一种情况，其机体组织中必须保留原马氏体机体中所具有的大量的亚结构的特征，同时还有碳或其它合金元素以弥散和细小的碳化物析出，马氏体经回火后的组织的硬度可在250-700HV范围，当然，可根据钢铁的化学成分具体确定。
本发明工艺对晶粒的细化效果与马氏体经回火后的组织的特殊性有关马氏体经回火后的组织中晶界、亚晶界、固溶碳及弥散E碳化物能对位错的运动起到阻碍或钉扎，形成一些亚细结构，从而为铁素体的再结晶提供更多的形核点。在一定的塑性变形条件下，马氏体经回火后的组织中亚结构的数目越多，弥散碳化物越细，分布越稠密，与位错作用形成的晶体缺陷数目越多，晶粒的细化效果一定越显著。
本发明对低碳马氏体淬火过程中发生的自回火过程对马氏体的组织同样能起到本发明工艺的作用，随含碳量或合金元素的降低，自回火的程度就越高。此外，时效处理包括自然时效、人工时效及应变时效，从本质上讲，和马氏体低温回火没有本质区别，所以，马氏体的组织的时效处理就可以认为等同于马氏体低温回火处理。
本发明工艺的贡献之一在于所选择的机体组织是马氏体经回火后的组织，通常情况下，对马氏体在100-700℃温度范围内进行回火处理就可获得本发明所要求的组织。回火处理的温度高低及时间长短，取决于钢铁的成分，含碳量越高，合金元素含量越高，回火的温度应该适当提高。
本发明工艺对马氏体经回火处理后的组织进行塑性变形加工，可以采用拉拔、压扎或扭转等方式进行。但不同的塑性变形加工方式，其最大变形量不同，马氏体经回火处理后的组织以压轧(压缩)方式所能达到的塑性变形量比以拉拔方式的一般要大。塑性变形加工可在室温亦可在低温下进行，温度越高，其变形抗力越小，塑性变形加工的温度高低的选择以不改变马氏体经回火处理后的组织为原则，特别在多道次塑性变形加工过程中温度的升高可能对马氏体经回火处理后的组织的影响，马氏体经回火处理后的组织在一定的温度范围具有很好的稳定性，不易发生动态或静态再结晶，塑性变形加工可以多道次小变形量方式达到所需的变形量。马氏体经回火处理后的组织塑性变形能力比铁素体或奥氏体低。马氏体经回火处理后的组织塑性变形能力与它的化学成份及自身的组织状态有关，特别是它的回火程度。除此以外，与塑性变形时的温度有关。
本发明所述的退火处理可获得含有等轴铁素体晶粒为机体的钢或含有等轴铁素体晶粒为机体与少量回火马氏体的混合组织的钢。退火处理的温度和时间的选择与化学成分和变形量有关，一般情况下，退火处理的温度在300-700℃的范围内，需根据钢铁的化学成分及变形量等因素而定。用30％-90％或40％-80％范围的不等塑性变形就能在碳钢(低碳钢、中碳钢、高碳钢)、合金钢和微合金钢中获得铁素体晶粒尺寸在1微米数量级的超细精钢。最终的机体组织结构可以全部是铁素体，也可以是铁素体与少量回火马氏体的混合组织，在铁素体机体中少量回火马氏体的存在能提高强度，对韧性亦有利。
本发明工艺贡献之二是对马氏体经回火处理后的组织进行塑性变形加工，由于马氏体经回火处理后的组织的特殊性，用相对较小的变形量就能获得较好的晶粒细化效果。本发明工艺中马氏体经回火处理后的组织是决定最终晶粒细化效果的关键因素。所以，对马氏体的回火程度不同，必然产生不同的晶粒细化效果，马氏体经回火处理后的组织决定了它本身的最大塑性变形和所能为铁素体晶粒的形成提供的形核数目，缺陷越多，变形量越大，结晶核数目就越多，铁素体晶粒必然越细，而形核数目的高低取决下列两方面一是马氏体经回火处理后的组织中的晶体缺陷的数目。二是塑性变形加工所能新增加的形核的数目。由于奥氏体化处理，淬火处理、回火处理这几步将共同决定马氏体经回火处理的组织，也必然决定最终晶粒细化的效果，所以必须根据钢铁的化学成分选择它们的最佳工艺参数。
本发明优点是对晶粒细化效果的显著性，用相对较小的变形量就能获得超细晶粒钢，使强度、韧度提高，甚至翻番。本发明对马氏体经回火处理后的组织进行塑性加工，由于马氏体经回火处理后的组织结构的特殊性，在相同塑性变形量的情况下，比铁素体、奥氏体组织或其它组织对晶粒的细化效果要显著得多。本发明工艺可以用30％-90％或40-80％的变形量就可在碳钢、合金钢和微合金钢，甚至铸铁中让铁素体晶粒尺寸细化到1微米数量级，即使一般的碳钢的抗拉强度也能提高1倍，可节省一半左右的钢材，本发明的工艺易于实现，并能保证质量，由于本发明马氏体经回火处理后的组织在一定的温度范围不易发生动态或静态再结晶，多道次小变形量塑性变形加工方式对晶粒的细化效果影响不大。此外，由于钢铁经过回火处理降低了机体的硬度，提高了塑性，消除或降低了马氏体的内应力，降低了回火马氏体过程中发生开裂的几率，所以能应用于大规模生产超细精钢。
本发明可应用于所有不同化学成分的钢铁晶粒的细化，由于本发明工艺对钢铁的化学成分没有太高要求，从而降低了对钢铁冶炼的要求，进一步降低了超细精钢生产成本的投入。本发明工艺能充分发挥碳作为合金元素对机械性能的提高，进一步降低超细精钢生产的成本。对碳钢而言，当铁素体的晶粒尺寸在0.5微米，对含碳量为0.4％(WT.％)碳钢，其抗拉强度高达1080MPA，但对含碳量为浓度0.05％(WT.％)碳钢，其抗拉强度仅为700MPA。由于进一步开拓了碳这种廉价元素对超细精钢的机械性能，特别是抗拉强度的贡献，从而降低了钢铁的机械性能对合金元素和微合金元素的依赖，降低了超细精钢生产的成本。
本发明超细精钢的产品可最终实现尺寸加大，大大扩大了超细精钢的应用空间，对板材，最终厚度尺寸大；对棒材，最终直径尺寸大。本发明生产的超细精钢热稳定性好，由于本发明工艺能够保证碳化物，合金碳化物以弥散的形式均布在机体中，从而能有效地阻碍晶粒的长大。同时也有利于改善焊接性能；二是硫、磷等有害元素聚集程度低；二是弥散存在的碳化物等对晶粒生产的阻碍作用。本发明工艺获得的超细精钢粒具有很好的等轴性，因而其超细精钢的机械性能在各个方向上差异性小，此外，超塑性和耐蚀性等也很好。
具体实施例方式
实施例1低碳钢的成分为C含量0.1％，Si含量0.315％，Mn含量1.01％。将一块低碳钢板加热至奥氏体范围，保温一定时间水淬；接着在150℃保温一定时间作回火处理，回火后钢铁的硬度为250-500HV，随后用40-80％左右的变形量进行压轧，然后在300-600℃范围内退火5-60分钟，即可成功获得晶粒尺寸为1.2μm左右，硬度为210HV左右，抗拉强度为700MPa的铁素体晶粒的超细精钢。
实施例2中碳钢的成分为C含量0.39％，Si含量0.39％，Mn含量1.21％。B含量0.0039％。将该中碳钢加热至奥氏体温度范围，保温30分钟左右后水淬，接着在300-600℃温度范围内作回火处理，回火后钢铁的硬度为300-600HV左右，随后进行多道次压轧，变形量为70％左右，然后在300-700℃温度范围内退火10-60分钟左右，即可获得铁素体晶粒尺寸为0.5μm左右的超细精钢，硬度为300HV左右，抗拉强度为1100Mpa。
实施例3将高碳钢加热至奥氏体温度，保温30分钟左右后水淬，接着在300-700℃温度范围内作回火处理，回火后钢铁的硬度在300-650HV范围，随后进行多道次小变形量压轧，当变形量达到40-70％左右，然后在300-600℃退火10-80分钟后，即可获得铁素体晶粒尺寸为0.5μm左右，硬度为300HV左右，抗拉强度为1100Mpa的超细精钢。
实施例4合金钢的成分为C含量0.15％，Si含量0.3％，Mn含量1.0％，Nb含量0.033％。将该合金钢加热至奥氏体温度，保温一定时间后水淬，接着在200-600℃下作回火处理，回火后合金钢的硬度为300-500HV，随后进行压轧，当变形量为70％左右，在300-700℃退火后，可获得铁素体晶粒尺寸为1μm左右，硬度为200HV左右，抗拉强度为900Mpa的超细精钢。
实施例5铸铁成分为碳含量4.3％，硅含量0.18％，锰含量0.03％，镍含量0.03％，磷含量0.028％，硫含量为0.016％。将铸铁加热至奥氏体温度900℃，保温一定时间后空冷得珠光体，接着再加热到950℃，保温较短时间后淬火，得马氏体和部分碳化物，然后在200-600℃下作回火处理，回火后铸铁的硬度为300-700HV，随后进行压轧，当变形量为30-60％左右，在300-600℃退火后，可获得铁素体晶粒尺寸为1.8μm左右，硬度为200HV左右，抗拉强度为750Mpa的铸铁。
权利要求
1.一种超细精钢的生产工艺，其特征在于对马氏体或以马氏体为机体的钢铁进行回火处理，然后对其塑性变形加工，再经退火处理来细化铁素体晶粒，得到超细精钢。
2.根据权利要求1所述的一种超细精钢的生产工艺，其特征在于对马氏体或马氏体为机体的钢铁进行回火处理，使其硬度达到250HV-700HV，然后对其塑性变形加工，变形量为30％-90％，再经300℃-700℃退火处理来细化铁素体晶粒，得到铁素体晶粒尺寸为0.5μm-2.5μm超细精钢，超细精钢的硬度为200HV-300HV，抗拉强度为700-1100Mpa。
3.根据权利要求1或2所述的一种超细精钢的生产工艺，其特征在于得到的铁素体晶粒尺寸为0.5μm-1.5μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种超细精钢的生产工艺，其特征在于得到的铁素体晶粒尺寸为0.5μm-1.2μm。
5.根据权利要求1或2所述的一种超细精钢的生产工艺，其特征在于塑性变形加工的变形量为40-80％。
6.根据权利要求1或2所述的一种超细精钢的生产工艺，其特征在于回火处理的温度为150℃-700℃。
7.根据权利要求1或2所述的一种超细精钢的生产工艺，其特征在于对马氏体的塑性变形加工，可采用拉拔、压轧或扭转方式。
8.根据权利要求1或2所述的一种超细精钢的生产工艺，其特征在于对马氏体的塑性变形加工，可在室温、室温以下温度或高于室温下进行，一般不高于AC1温度，采用拉拔、压轧或扭转方式，采取至少一次塑性变形加工。
9.根据权利要求1或2所述的一种超细精钢的生产工艺，其特征在于塑性变形加工可采用多道工序的小变形量方法达到所需的变形量。
全文摘要
本发明公开了一种超细精钢的生产工艺，对马氏体或以马氏体为机体的钢铁进行回火处理，然后对其塑性变形加工，再经退火处理来细化铁素体晶粒，得到超细精钢。本发明能够生产强度高、韧度高的超细精钢，并具有生产成本低、可节省50％左右钢材的优点。
文档编号C21D8/00GK1490417SQ0312174
公开日2004年4月21日 申请日期2003年3月14日 优先权日2002年10月14日
发明者潘龙修 申请人:潘龙修