一種高效提升非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌性的復(fù)合形變熱處理強(qiáng)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種材料處理方法，具體涉及一種高效提升非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌性的復(fù)合形 變熱處理強(qiáng)化方法；屬于金屬材料改性及塑性成形領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 非調(diào)質(zhì)鋼作為一種節(jié)約資源能源的經(jīng)濟(jì)型材料，是在鋼中加入微量元素V、Ti、Nb 和N等，通過形變強(qiáng)化或控軋控冷工藝，使合金元素以C、N等化合物彌散析出，使其性能達(dá) 到或超過調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度韌性。相對調(diào)質(zhì)處理結(jié)構(gòu)鋼而言，非調(diào)質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)件制造過程中省去 了淬火加高溫回火工藝過程，有利于減少淬火變形、開裂、硬度分布不均，降低氧化和脫碳 傾向，具有材料利用率高、產(chǎn)品合格率高、制造流程短、能源資源消耗少等優(yōu)點(diǎn)，在裝備關(guān)鍵 零部件的制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 自1972年德國THYSEN公司開發(fā)第一種非調(diào)質(zhì)鍛鋼49MnVS3 (鐵素體-珠光體，抗 拉強(qiáng)度850MPa)并取代調(diào)質(zhì)CK45鋼用于制造汽車曲軸以來，美國、日本等國家先后開發(fā)了 鐵素體-珠光體型、低碳貝氏體型和低碳馬氏體型多種非調(diào)質(zhì)鋼，并成功應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng) 機(jī)曲軸、連桿等零部件的生產(chǎn)制造。
[0004] 近年來，我國已開始逐步重視非調(diào)質(zhì)鋼的開發(fā)和應(yīng)用研宄：由公布號為 CN104264040A的專利文獻(xiàn)可知，目前國內(nèi)通過傳統(tǒng)的熱鍛控冷工藝得到的非調(diào)質(zhì)鋼的抗拉 強(qiáng)度只能達(dá)到800MPa級，屈服強(qiáng)度僅為500MPa級。因此，如何保證非調(diào)質(zhì)鋼優(yōu)異的強(qiáng)度和 韌性配合仍是決定非調(diào)質(zhì)鋼能否在機(jī)械裝備領(lǐng)域規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。
[0005] 目前，針對非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌性改善與提升，研宄者們主要從材料成分設(shè)計(jì)、形變 強(qiáng)化技術(shù)和熱處理控制技術(shù)等方面進(jìn)行了深入的探索。其中，形變強(qiáng)化與熱處理控制技 術(shù)作為提升非調(diào)質(zhì)鋼的一種有效的途徑，已受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。如日本新日鐵公司 開發(fā)了氧化物冶金技術(shù)，通過控制先共析鐵素體及MnS的析出，改善VN、TiN等強(qiáng)化相的 數(shù)量及分布，從而提高非調(diào)鋼的強(qiáng)度和韌性；寶鋼公司通過在非調(diào)鋼中添加B、V及微量 的Mo等元素，設(shè)計(jì)研制出12Mn2VB貝氏體型非調(diào)鋼，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能；王志明等 研宄發(fā)現(xiàn)鍛造溫度及冷卻方式對非調(diào)質(zhì)鋼38MnVS5的組織及力學(xué)性能影響顯著（機(jī)械制 造，2009, 47(543) :43-45);趙秀明等研宄發(fā)現(xiàn)鍛后快冷結(jié)合緩冷技術(shù)可提高38MnVS非 調(diào)質(zhì)鋼晶內(nèi)鐵素體的數(shù)量及分布，在保證強(qiáng)度的同時(shí)仍具有良好的韌性（材料熱處理學(xué) 報(bào)，2013, 34(11): 114-118);蔡璐等采用冷拔的方法研宄了非調(diào)質(zhì)鋼螺栓的強(qiáng)化效應(yīng)（材 料工程，2010, 4:69-71);MaoXY等研宄了時(shí)效強(qiáng)化對非調(diào)鋼絲材沖擊韌性具有顯著的影 響（Philosophicalmagazineletters, 2014,94(3):135-140)。
[0006] 迄今為止，盡管上述方法在非調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能提升方面均具有一定的效果，但 增幅不甚明顯。其主要原因?yàn)椋海?)僅施以高溫鍛壓形變處理時(shí)，由于微量元素的不均勻擴(kuò) 散和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程的發(fā)生，導(dǎo)致材料組織分布不均，形變強(qiáng)化效應(yīng)難以恒久保留；（2)由 于材料高溫形變與再結(jié)晶過程的影響，導(dǎo)致控制冷卻時(shí)固態(tài)相變、晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化行 為更接近平衡狀態(tài)，強(qiáng)化效果不明顯；（3)冷變形處理時(shí)盡管形變強(qiáng)化效應(yīng)能夠較好的保 持，但常會隨著形變抗力的逐步增加，在材料內(nèi)部形成少許微裂紋等缺陷，生產(chǎn)質(zhì)量控制難 度增大，材料強(qiáng)化效果降低。以上諸多因素表明，革新非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌化手段，對于其強(qiáng)度 和韌性的改善和提升仍有較大的空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高效提升非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌性的 復(fù)合形變熱處理強(qiáng)化方法。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0009] 一種高效提升非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌性的復(fù)合形變熱處理強(qiáng)化方法，包括如下步驟：
[0010] S1、將非調(diào)質(zhì)鋼棒材加熱至1050?1200°C，使其充分奧氏體化，保證V、Ti、Nb等 微量強(qiáng)化合金元素能夠充分固溶并均勻分布于母相中，有效阻止奧氏體晶粒粗化，使其在 冷卻的過程中獲得細(xì)小的組織；
[0011] S2、將奧氏體化的棒材自奧氏體化溫度開始第一次高溫形變，快速冷卻，使奧氏體 晶粒發(fā)生變形并細(xì)化、部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、固態(tài)相變及形變誘導(dǎo)第二相在初生相內(nèi)部均勻彌 散析出；
[0012] S3、待高溫形變樣品冷至動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度以下30?50°C時(shí)再進(jìn)行第二次溫變形， 控制冷卻，抑制再結(jié)晶過程發(fā)生，并在材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)、亞結(jié)構(gòu)等晶體缺陷和形變 誘導(dǎo)析出大量彌散分布的第二相。
[0013] 在完成對材料的復(fù)合形變熱處理強(qiáng)化后，還可以包括如下檢測步驟：
[0014]S4、采用磁粉和超聲波復(fù)合探傷技術(shù)對復(fù)合形變強(qiáng)化處理的非調(diào)質(zhì)鋼樣品進(jìn)行微 裂紋等加工缺陷檢測；根據(jù)國標(biāo)GB/T2975-1998和GB/T228. 1-2010取樣并測試其室溫拉 伸力學(xué)性能。
[0015] 優(yōu)選地，前述步驟S1中，采用中頻感應(yīng)加熱的方式，如中頻感應(yīng)爐對非調(diào)質(zhì)鋼棒 材進(jìn)行加熱，具有加熱速度快、熱量分布均勻、生產(chǎn)效率高、氧化損失少、表面質(zhì)量好、無污 染等優(yōu)點(diǎn)，此種加熱方式能夠進(jìn)一步提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和材料利用率。同時(shí)，利用高精度 紅外測溫儀進(jìn)行溫度測量，以檢測材料的溫度，選擇合適的塑性變形時(shí)機(jī)。
[0016] 優(yōu)選地，前述步驟S2和S3中，利用空冷或風(fēng)冷的方式進(jìn)行快速冷卻，且冷卻速度 可調(diào)節(jié)，無需其它特殊的冷卻介質(zhì)或裝置，降低了生產(chǎn)成本和設(shè)備要求。
[0017] 優(yōu)選地，前述步驟S2中，第一次高溫形變時(shí)，形變終了溫度在900?950°C，形變量 為5?95%。
[0018] 更優(yōu)選地，前述步驟S3中，第二次溫變形時(shí)，形變起始溫度控制在550?750°C，形 變量為5%?40%。
[0019] 具體地，前述步驟S2和S3中，形變方式為為拉拔、壓縮、自由鍛或模鍛中的一種或 兩種以上方式的結(jié)合。
[0020] 本發(fā)明的有益之處在于：本發(fā)明的熱處理強(qiáng)化方法首先將非調(diào)質(zhì)鋼棒材加熱至 1050?1200°C使其充分奧氏體化，然后進(jìn)行第一次高溫形變，使奧氏體晶粒發(fā)生變形并細(xì) 化、部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、固態(tài)相變及形變誘導(dǎo)彌散析出強(qiáng)化；然后，待高溫形變處理的樣品冷 至動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度以下30?50°C時(shí)再進(jìn)行第二次溫變形，以風(fēng)冷或空冷的方式控制冷卻， 抑制再結(jié)晶，產(chǎn)生大量的位錯(cuò)、亞結(jié)構(gòu)和形變誘導(dǎo)析出第二相。該方法操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)、 節(jié)能環(huán)保，可實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和形變強(qiáng)化的協(xié)同，顯著改善非調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能， 如強(qiáng)度和韌性，經(jīng)檢測，復(fù)合形變熱處理強(qiáng)化后非調(diào)質(zhì)鋼的抗拉強(qiáng)度可達(dá)920?1050MPa，