本發明涉及鋼鐵材料熱處理工藝技術領域，特別涉及一種低碳低合金高強鋼的熱處理方法。

　　背景技術：

　　隨著我國城市化進程的快速發展，高層、超高層建筑不斷涌現，機場車站客流量快速增長，電梯不斷向高行程、高速度、高承載的方向發展，對電梯內關鍵承載構件的力學性能要求也越來越高，這就迫切需要電梯制造企業的零配件配套工廠開發出具有更高強度級別、更高韌塑性、更長壽命的高端鋼鐵材料新產品。15CrNiMoVCuB低碳合金鋼廣泛應用于電梯內的緊固件、承載梁、傳動軸等關鍵部件的制造，在傳統調質熱處理工藝條件下，繼續提高材料性能的困難較大，與電梯制造企業對高速、重載電梯用高性能材料迫切需求間的矛盾日益突出。

　　先進高強鋼(AHSS)從第一代雙相(DP)鋼、第二代相變誘發塑性(TRIP)鋼、到第三代淬火-分配(Q&P)鋼和淬火-分配-回火(Q-P-T)鋼的發展趨勢是不斷提高強度并保持足夠的塑性，其方法是改變熱處理工藝以獲得不同的微觀組織。DP鋼由鐵素體、馬氏體和殘余奧氏體組成，TRIP鋼由鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體組成。在TRIP鋼中，由強度較高而塑性較低的貝氏體替代了DP鋼中的部分強度較低塑性較高的鐵素體，因此，TRIP鋼的總體強度高于DP鋼而塑性低于DP鋼。Q&P鋼是由馬氏體和殘余奧氏體組成，由強度較高而塑性較低的馬氏體替代了TRIP鋼中的強度較低而塑性較高的鐵素體和貝氏體，因此，Q&P鋼的總體強度高于TRIP鋼而塑性低于TRIP鋼。Q-P-T鋼是由馬氏體、殘余奧氏體和碳化物組成，即由強度很高而塑性很低的碳化物替代了Q&P鋼中的部分強度較低塑性較高的馬氏體，故Q-P-T鋼的總體強度高于Q&P鋼而塑性低于Q&P鋼。可見，目前先進高強鋼的力學性能總的趨勢是隨著強度的提高，塑性隨之下降。因此，在保持材料強度的前提下，如何進一步提高材料的塑性是解決問題的關鍵。

　　目前第三代先進高強鋼的塑性貢獻主要來源于殘余奧氏體，其作用機制主要有四種解釋：⑴相變誘發塑性(TRIP)效應：在形變過程中，TRIP鋼中的殘余奧氏體在較高的應力應變狀態下能產生應變(或應力)誘發馬氏體相變，由此松弛了形變過程中產生的局部應力集中，使應力再分布，推遲裂紋的形成，從而推遲了縮頸的產生，提高了均勻延伸率，進而獲得更好的塑性。殘余奧氏體愈多，TRIP效應愈強，則材料的塑性越好。⑵孿晶誘發塑性(TWIP)效應：TWIP鋼在形變過程中殘余奧氏體主要通過應變誘導產生孿晶，由此松弛局部的應力集中從而增加塑性。與TRIP效應同理，殘余奧氏體愈多，TWIP效應愈強，則材料的塑性也就越好。⑶阻礙裂紋擴展(BPC)效應：即馬氏體板條間的殘余奧氏體可有效阻礙沿馬氏體{100}晶面族擴展的裂紋從一個板條擴展至另一個板條。由于殘余奧氏體越多，BPC效應越強，則材料的塑性也越好。⑷殘余奧氏體吸收位錯(DARA)效應：塑變時馬氏體中的位錯通過共格(半共格)界面運動到奧氏體中去，也就是位錯被殘余奧氏體所“吸收”。DARA效應使硬相馬氏體處于“未加工硬化態”，有效地增強了馬氏體的形變能力，使之與軟相殘余奧氏體可協調形變。由于殘余奧氏體只能吸收來自相鄰馬氏體中的位錯，因此殘余奧氏體愈多，DARA效應愈強。因此，上述四種增塑效應均表明獲得足量、穩定的殘余奧氏體是提高高強鋼強塑積的關鍵。

　　傳統的獲取殘余奧氏體的手段為TRIP、Q&P或TWIP工藝。TRIP和Q&P鋼通過控制奧氏體在中低溫的相變行為，利用碳元素在未轉變奧氏體中的富集來穩定奧氏體，獲得鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體或馬氏體、殘余奧氏體的多相組織，獲得優異的力學性能。但由于需要利用碳來穩定奧氏體，故此類鋼中的碳含量通常較高，會使鋼的熱加工性能、焊接性能等嚴重惡化。TWIP鋼獲得奧氏體的方式為提高鋼中的錳含量，利用錳來擴大奧氏體相區，獲得單一的奧氏體組織。但由于TWIP鋼的合金成分較高(通常在25wt.％以上)，不僅提高了生產成本，也為冶煉和熱成形過程帶來了很多困難。因此，上述方法往往并不適用于量大面廣的高強度低合金鋼。

　　技術實現要素：

　　本發明的目的是提供一種低碳低合金高強鋼的熱處理方法，用于克服傳統高強鋼制備技術的局限性，提供一種具有高強塑積和“多相、亞穩、多尺度析出”組織特征的低碳低合金高強鋼組織與性能調控的新技術。

　　本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是，

　　一種低碳低合金高強鋼的熱處理方法，包括以下步驟：

　　1)材料制備：按15CrNiMoVCuB鋼的化學成分要求，將原料組合物依次經熔煉、澆鑄、鍛造或軋制，制成棒材或板材，然后等待熱處理；

　　2)材料熱處理：a、將材料在920℃～1050℃的環境下保溫1h～5h后進行高溫淬火處理，然后通過水冷或油冷至室溫，高溫淬火處理的主要目的是將粗大的MC相溶入奧氏體中并獲得馬氏體/貝氏體板條型組織。提高溫度有利于粗大MC相的溶解，但如果溫度過高，易導致晶粒粗大或晶界過燒，導致材料的沖擊韌性降低；溫度過低，軋態或鍛態原始組織中遺留的粗大一次MC相溶解不充分；b、對材料進行二次臨界熱處理；所述二次臨界熱處理包括以下步驟：第一步為通過對以板條馬氏體/貝氏體為基體組織的15CrNiMoVCuB鋼在其臨界溫度區間AC1'～AC3'保溫0.5h-3h，然后水冷至室溫，所述AC1'～AC3'為鐵素體和奧氏體兩相共存區，由于材料在AC1'～AC3'溫度范圍保溫期間，可在晶界及板條直接形成逆轉奧氏體，此時C、Mn、Ni、Cu等奧氏體穩定化元素向逆轉奧氏體中配分，形成合金元素富集的逆轉奧氏體和貧合金的臨界鐵素體，在后續的連續冷卻中由于逆轉奧氏體中合金元素富集程度不足以使其穩定至室溫而轉變成貝氏體/馬氏體；第二步在15CrNiMoVCuB鋼AC1'+5～20℃的溫度環境下臨界回火0.25h-2h，然后空氣冷卻至室溫，此時逆轉奧氏體在合金富集的貝氏體/馬氏體處擇優形核，C、Mn、Ni、Cu等合金元素再次在逆轉奧氏體中富集并進一步提高了逆轉奧氏體的穩定性，最終就可獲得室溫下穩定的殘余奧氏體。由于兩次逆轉變發生在板條界面或鐵素體/貝氏體相界面，逆轉獲得的奧氏體彌散分布且尺寸細小，具有較高的穩定性，從而可以實現材料增塑的目的；

　　本發明的優點在于，

　　該種低碳低合金高強鋼的熱處理方法采用“高溫淬火與兩次臨界熱處理”的熱處理工藝方案，不僅能夠克服上述缺陷，還可以獲得理想的具有“多相、亞穩、多尺度析出”的顯微組織結構，因此預期可以有效提高材料的高強塑積。

　　附圖說明

　　圖1是本發明提出的低碳低合金高強鋼的熱處理方法的流程示意圖。

　　具體實施方式

　　為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合圖示與具體實施例，進一步闡述本發明。

　　如圖1所示，本發明提出的低碳低合金高強鋼的熱處理方法，包括以下步驟：

　　1)材料制備：按15CrNiMoVCuB鋼的化學成分要求，將原料組合物依次經熔煉、澆鑄、鍛造或軋制，制成棒材或板材，然后等待熱處理；

　　2)材料熱處理：a、將材料在920℃～1050℃的環境下保溫1h～5h后進行高溫淬火處理，然后通過水冷或油冷至室溫，高溫淬火處理的主要目的是將粗大的MC相溶入奧氏體中并獲得馬氏體/貝氏體板條型組織。提高溫度有利于粗大MC相的溶解，但如果溫度過高，易導致晶粒粗大或晶界過燒，導致材料的沖擊韌性降低；溫度過低，軋態或鍛態原始組織中遺留的粗大一次MC相溶解不充分；b、對材料進行二次臨界熱處理；所述二次臨界熱處理包括以下步驟：第一步為通過對以板條馬氏體/貝氏體為基體組織的15CrNiMoVCuB鋼在其臨界溫度區間AC1'～AC3'保溫0.5h-3h，然后水冷至室溫，所述AC1'～AC3'為鐵素體和奧氏體兩相共存區，由于材料在AC1'～AC3'溫度范圍保溫期間，可在晶界及板條直接形成逆轉奧氏體，此時C、Mn、Ni、Cu等奧氏體穩定化元素向逆轉奧氏體中配分，形成合金元素富集的逆轉奧氏體和貧合金的臨界鐵素體，在后續的連續冷卻中由于逆轉奧氏體中合金元素富集程度不足以使其穩定至室溫而轉變成貝氏體/馬氏體；第二步在15CrNiMoVCuB鋼AC1'+5～20℃的溫度環境下臨界回火0.25h-2h，然后空氣冷卻至室溫，此時逆轉奧氏體在合金富集的貝氏體/馬氏體處擇優形核，C、Mn、Ni、Cu等合金元素再次在逆轉奧氏體中富集并進一步提高了逆轉奧氏體的穩定性，最終就可獲得室溫下穩定的殘余奧氏體。由于兩次逆轉變發生在板條界面或鐵素體/貝氏體相界面，逆轉獲得的奧氏體彌散分布且尺寸細小，具有較高的穩定性，從而可以實現材料增塑的目的；

　　該種低碳低合金高強鋼的熱處理方法采用“高溫淬火與兩次臨界熱處理”的熱處理工藝方案，不僅能夠克服上述缺陷，還可以獲得理想的具有“多相、亞穩、多尺度析出”的顯微組織結構，因此預期可以有效提高材料的高強塑積。

　　以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。

　　技術特征：

　　1.一種低碳低合金高強鋼的熱處理方法，其特征在于，包括以下步驟：

　　1)材料制備：按15CrNiMoVCuB鋼的化學成分要求，將原料組合物依次經熔煉、澆鑄、鍛造或軋制，制成棒材或板材，然后等待熱處理；

　　2)材料熱處理：

　　a、將材料在920℃～1050℃的環境下保溫1h～5h后進行高溫淬火處理，然后通過水冷或油冷至室溫；

　　b、對材料進行二次臨界熱處理。

　　2.根據權利要求1所述的一種低碳低合金高強鋼的熱處理方法，其特征在于，所述二次臨界熱處理包括以下步驟：

　　1)通過對以板條馬氏體/貝氏體為基體組織的15CrNiMoVCuB鋼在其臨界溫度區間AC1'～AC3'保溫0.5h-3h，然后水冷至室溫；

　　2)在15CrNiMoVCuB鋼AC1'+5～20℃的溫度環境下臨界回火0.25h-2h，然后空氣冷卻至室溫。

　　3.根據權利要求2所述的一種低碳低合金高強鋼的熱處理方法，其特征在于：對所述材料進行二次臨界熱處理，以獲得足量穩定的殘余奧氏體，所述奧氏體用于提高材料的強塑積。

　　技術總結

　　本發明涉及一種低碳低合金高強鋼的熱處理方法，用于克服傳統高強鋼制備技術的局限性，提供一種具有高強塑積和“多相、亞穩、多尺度析出”組織特征的低碳低合金高強鋼組織與性能調控的新技術，該種低碳低合金高強鋼的熱處理方法采用“高溫淬火與兩次臨界熱處理”的熱處理工藝方案，不僅能夠克服上述缺陷，還可以獲得理想的具有“多相、亞穩、多尺度析出”的顯微組織結構，因此預期可以有效提高材料的高強塑積。

　　技術研發人員：張永濤

　　受保護的技術使用者：上海電機學院

　　文檔號碼：201611112416

　　技術研發日：2016.12.06

　　技術公布日：2017.05.31