一种提高20CRNIMO合金钢冲击功的热处理工艺.pdf

本发明提供了一种提高20CrNiMo合金钢冲击功的热处理工艺，包括以下步骤：一、将20CrNiMo合金钢进行渗碳处理，直至渗碳层的深度为1.4mm～1.7mm为止；二、一次淬火；三、一次回火；四、二次淬火；五、二次回火。本发明通过改善20CrNiMo合金钢的热处理工艺，能够解决因冲击功较低而导致20CrNiMo合金钢的其他良好性能无法充分发挥作用的问题，使该材料的适用性能更好，使用范围更广。

权利要求书
1.  一种提高20CrNiMo合金钢冲击功的热处理工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
步骤一、渗碳：将20CrNiMo合金钢在温度为930℃的条件下进行渗碳处理，直至渗碳层的深度为1.4mm～1.7mm为止；
步骤二、一次淬火：将步骤一中渗碳后的20CrNiMo合金钢降温至870℃～890℃，在碳势为0.8％～0.9％的条件下保温2.5h后油淬；
步骤三、一次回火：将步骤二中一次淬火后的20CrNiMo合金钢升温至590℃～610℃，保温3h后空冷；
步骤四、二次淬火：将步骤三中一次回火后的20CrNiMo合金钢升温至830℃～850℃，在碳势为0.8％～0.9％的条件下保温3h后油淬；
步骤五、二次回火：将步骤四中二次淬火后的20CrNiMo合金钢升温至190℃～210℃，保温4h后空冷。

2.  根据权利要求1所述的一种提高20CrNiMo合金钢冲击功的热处理工艺，其特征在于，步骤一中所述20CrNiMo合金钢为经电渣重熔处理后的合金钢。

说明书一种提高20CrNiMo合金钢冲击功的热处理工艺
技术领域
本发明属于机械材料热处理技术领域，具体涉及一种提高20CrNiMo合金钢冲击功的热处理工艺。
背景技术
20CrNiMo合金钢，是中国国家标准《GB/T 3077-1999》规定的一种合金结构钢的牌号，统一数字代号：A50202。
国标中指出，20CrNiMo合金钢的热处理工艺具体如下：锻造温度1177℃～1232℃；正火温度：899℃～954℃；硬度：187HBW；渗碳温度：899℃～927℃；淬火温度：850℃，冷却剂：油；回火温度：200℃，冷却剂：空气。获得的机械性能如下：冲击功Akv：≥47J；冲击韧性值αkv：≥59J/cm2。
由于20CrNiMo合金钢的淬透性较高，无回火脆性，焊接性相当好，形成冷裂的倾向很小，可切削性及冷应变塑性良好。一般在调质或渗碳淬火状态下使用，常用于制造中小型汽车、拖拉机的发动机和传动系统中的齿轮，如汽轮机的齿轮整转子内燃机连杆汽门截面锻件。亦可代替12CrNi3钢制造要求心部性能较高的渗碳件、氰化件，如石油钻探和冶金露天矿用的牙轮钻头的牙爪和牙轮体。
经过长期对国内机械行业进行深入调研、跟踪，以及对各类国家标准、规范手册的研究学习，发现目前普遍采用的热处理工艺为：930℃渗碳，渗碳层深度1.8mm～2.2mm，860℃油淬，200℃回火。但是在实际的生产使用过程中发现，经渗碳淬火处理后的20CrNiMo合金钢作为重要零部件使用时，却因其心部韧性较差而经常出现断裂现象，冲击功Aku较低，通常只有60J左右，严重影响产品使用，并且对市场造成很恶劣的影响。
由于20CrNiMo合金钢材料中含有少量Mo元素，提高了材料的抗回火性能；又因Mn含量较高，使奥氏体等温转变曲线的上部往右移，使过冷奥氏体更加稳定，从而使其淬透性很好；尤其是在同等抗拉强度和屈服强度的条件下，该材料的碳当量Cev只有0.6，具有良好的焊接性能，是其他钢都无法比及的，并且在获得同等机械性能及焊接性能的前提下，该材料的经济性能也是很优异的。整体评价，20CrNiMo合金钢综合性能较好，唯独冲击功较低。
因此，亟需研发一种提高20CrNiMo合金钢冲击功的热处理工艺，使20CrNiMo合金钢获得良好的冲击功，最终使得合金钢材料的整体机械性能大大提高，发挥更好的适用性能，拥有更广泛的使用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种提高20CrNiMo合金钢冲击功的热处理工艺。本发明通过改善20CrNiMo合金钢的热处理工艺，解决因冲击功较低而导致20CrNiMo合金钢的其他良好性能无法充分发挥作用的问题，使该材料的适用性能更好，使用范围更广。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种提高20CrNiMo合金钢冲击功的热处理工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
步骤一、渗碳：将20CrNiMo合金钢在温度为930℃的条件下进行渗碳处理，直至渗碳层的深度为1.4mm～1.7mm为止；
步骤二、一次淬火：将步骤一中渗碳后的20CrNiMo合金钢降温至870℃～890℃，在碳势为0.8％～0.9％的条件下保温2.5h后油淬；
步骤三、一次回火：将步骤二中一次淬火后的20CrNiMo合金钢升温至590℃～610℃，保温3h后空冷；
步骤四、二次淬火：将步骤三中一次回火后的20CrNiMo合金钢升温至830℃～850℃，在碳势为0.8％～0.9％的条件下保温3h后油淬；
步骤五、二次回火：将步骤四中二次淬火后的20CrNiMo合金钢升温至190℃～210℃，保温4h后空冷。
上述的一种提高20CrNiMo合金钢冲击功的热处理工艺，其特征在于，步骤一中所述20CrNiMo合金钢为经电渣重熔处理后的合金钢。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明在完全不影响20CrNiMo合金钢其他力学性能的原则下，现经过对传统热处理的各个环节进行缜密分析，反复论证、试验，通过在不同温度、时间、介质环境下对金相组织进行改变，然后对得到的不同状态的试样进行测试、对比、优化，使其在热处理的每一个环节都能获得较好的组织性能，从而获得最终良好的性能。
2、本发明通过改善20CrNiMo的热处理工艺，从而获得良好的冲击功，最终使20CrNiMo的整体机械性能大大提高，使该材料的适用性能更好，使用范围更广，这是低碳合金钢热处理工艺技术方面突破性的改革，也是我国材料科学技术方面的一个重要里程碑，弥补了长久以来和发达国家在材料热处理方面的差距。本发明在满足淬透性、抗拉强度、屈服强度、抗冲击性及良好的焊接性能的前提下，该材料在经济效益方面优势很大，带来的社会经济效益是巨大的。本发明经过对各个热处理环节的分析发现：
(1)电渣重熔低碳微合金钢强韧化原理：通过电渣重熔降低钢材的硫、磷等有害元素含量，提高纯净度，同时在原性能基础上加入微合金元素，形成细小的难熔化合物，对晶界起到钉扎作用，从而细化晶粒，达到强韧化处理的目的。
(2)本发明经过两次淬火，组织变细，这是由于原奥氏体晶粒被细化，因为材料在加热淬火时，晶粒的形核部位主要在晶界，晶粒越细小，晶界越多，即形核位置越多，又由于二次淬火温度较低，晶粒长大较慢，经淬火后，材料的实际晶粒更细小，有利于提高材料的强度及冲击韧性。
(3)本发明二次淬火的温度较低，在相同的保温时间下，使材料的 组织为马氏体及铁素体，软硬两相同时存在，有利于材料冲击韧性的提高。
(4)本发明对20CrNiMo进行两次淬火，可以降低材料的碳化物级别，因为碳化物是脆性相，二次淬火时可以使碳化物部分溶解，并向晶内、表层深处和表面外进行扩散，使碳的分布趋于均匀，这种方法避免了材料为降低碳化物级别而重新正火而产生的氧化脱碳及变形，从而提高材料的韧性。细化晶粒，比原来高出3～4级，达到12级。
(5)本发明通过研究发现，渗碳层越深，冲击韧性越低，因为渗碳层本身属于脆性相，因此，本发明将渗碳层的深度革新为1.4mm～1.7mm(传统深度为1.8mm～2.2mm)，从而使20CrNiMo合金钢材料的韧性得到显著提高。
综上所述，本发明通过对现有国标中的20CrNiMo低碳合金钢进行电渣重熔重新冶金处理，再经过两次淬火，最终使20CrNiMo合金钢的晶粒更加细化，组织更加均匀，性能更加稳定，整体机械性能大大提高，使该材料的适用性能更好，使用范围更广，经济性能也十分卓越，这是低碳合金钢热处理工艺技术方面突破性的改革，在我们国家的机械行业内，对20CrNiMo采用电渣重熔和二次淬火技术也是史无前例的，这将是我国材料科学技术方面的一个重要里程碑，弥补了长久以来和发达国家在材料热处理方面的差距。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为经本发明实施例1热处理后的20CrNiMo合金钢的渗碳层组织图。
图2为经对比例1热处理后的20CrNiMo合金钢的渗碳层组织图。
图3为经本发明实施例1热处理后的20CrNiMo合金钢的芯部组织图。
图4为经对比例1热处理后的20CrNiMo合金钢的芯部组织图。
图5为经本发明实施例1热处理后的20CrNiMo合金钢的金相组织晶 粒度图。
图6为经对比例1热处理后的20CrNiMo合金钢的金相组织晶粒度图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提高20CrNiMo合金钢冲击功的热处理工艺包括以下步骤：
步骤一、渗碳：将经电渣重熔处理后的20CrNiMo合金钢在温度为930℃的条件下进行渗碳处理，直至渗碳层的深度为1.5mm为止；
步骤二、一次淬火：将步骤一中渗碳后的20CrNiMo合金钢降温至880℃，在碳势为0.85％的条件下保温2.5h后油淬；
步骤三、一次回火：将步骤二中一次淬火后的20CrNiMo合金钢升温至600℃，保温3h后空冷；
步骤四、二次淬火：将步骤三中一次回火后的20CrNiMo合金钢升温至840℃，在碳势为0.85％的条件下保温3h后油淬；
步骤五、二次回火：将步骤四中二次淬火后的20CrNiMo合金钢升温至200℃，保温4h后空冷。
实施例2
本实施例提高20CrNiMo合金钢冲击功的热处理工艺包括以下步骤：
步骤一、渗碳：将经电渣重熔处理后的20CrNiMo合金钢在温度为930℃的条件下进行渗碳处理，直至渗碳层的深度为1.7mm为止；
步骤二、一次淬火：将步骤一中渗碳后的20CrNiMo合金钢降温至890℃，在碳势为0.9％的条件下保温2.5h后油淬；
步骤三、一次回火：将步骤二中一次淬火后的20CrNiMo合金钢升温至610℃，保温3h后空冷；
步骤四、二次淬火：将步骤三中一次回火后的20CrNiMo合金钢升温至850℃，在碳势为0.9％的条件下保温3h后油淬；
步骤五、二次回火：将步骤四中二次淬火后的20CrNiMo合金钢升温 至210℃，保温4h后空冷。
实施例3
本实施例提高20CrNiMo合金钢冲击功的热处理工艺包括以下步骤：
步骤一、渗碳：将经电渣重熔处理后的20CrNiMo合金钢在温度为930℃的条件下进行渗碳处理，直至渗碳层的深度为1.4mm为止；
步骤二、一次淬火：将步骤一中渗碳后的20CrNiMo合金钢降温至870℃，在碳势为0.8％的条件下保温2.5h后油淬；
步骤三、一次回火：将步骤二中一次淬火后的20CrNiMo合金钢升温至590℃，保温3h后空冷；
步骤四、二次淬火：将步骤三中一次回火后的20CrNiMo合金钢升温至830，在碳势为0.8％的条件下保温3h后油淬；
步骤五、二次回火：将步骤四中二次淬火后的20CrNiMo合金钢升温至190℃，保温4h后空冷。
对比例1
本对比例对20CrNiMo合金钢采用传统的热处理工艺，具体处理过程为：将20CrNiMo合金钢于930℃渗碳，直至渗碳层的深度为1.8mm～2.2mm为止，然后降温至860℃油淬，之后升温至200℃进行回火。
为验证本发明通过改善热处理工艺能够解决因冲击功较低而导致20CrNiMo的其他良好性能无法充分发挥作用的问题，使该材料的适用性能更好，使用范围更广，因此，严格按照国家标准《GJB150.18-86》“军用设备环境方法-冲击试验”以及《GB/T229-2007》“金属材料夏比摆锤冲击试验方法”对本发明实施例1以及对比例1处理后的20CrNiMo合金钢进行试验。试验结果具体对比分析如下：
经对比例1处理后的20CrNiMo合金钢获得的表面渗碳层的淬火组织为针状马氏体加角块状碳化物及少量残余奥氏体(如图2所示)，心部为板条马氏体，晶粒度为8.5级(如图6所示)，心部的冲击功为60J左右(如图4所示)。
经实施例1处理后的20CrNiMo合金钢获得的表面渗碳层的淬火组织细小针状马氏体加少量残余奥氏体(如图1所示)，心部为细小板条马氏体加少量铁素体，晶粒度为12级(如图5所示)，心部的冲击功经反复测试稳定保持在175J以上(如图3所示)，是传统工艺得到的冲击功的近3倍。
此外，经检测得知，经实施例1处理后的20CrNiMo合金钢的淬透性、抗拉强度、屈服强度、焊接性能等综合性能相比对比例1并未发生显著变化。
通过上述对比可知，本发明通过改善20CrNiMo的热处理工艺，从而获得良好的冲击功，最终使20CrNiMo的整体机械性能大大提高，使该材料的适用性能更好，使用范围更广，这是低碳合金钢热处理工艺技术方面突破性的改革，也是我国材料科学技术方面的一个重要里程碑，弥补了长久以来和发达国家在材料热处理方面的差距。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。