一種提高20CrNiMo合金鋼沖擊功的熱處理工藝的制作方法

　　【技術領域】

　　[0001]本發明屬于機械材料熱處理技術領域，具體涉及一種提高20CrNiMo合金鋼沖擊功的熱處理工藝。

　　【背景技術】

　　[0002]20CrNiMo合金鋼，是中國國家標準《GB/T 3077-1999》規定的一種合金結構鋼的牌號，統一數字代號:A50202。

　　[0003]國標中指出，20CrNiMo合金鋼的熱處理工藝具體如下:鍛造溫度1177 °C?1232 0C ;正火溫度:899°C?954°C ;硬度:187HBW ;滲碳溫度:899°C?927°C ;淬火溫度:850°C，冷卻劑:油；回火溫度:200°C，冷卻劑:空氣。獲得的機械性能如下:沖擊功Akv:彡47J ;沖擊韌性值a kv 59J/cm2。

　　[0004]由于20CrNiMo合金鋼的淬透性較高，無回火脆性，焊接性相當好，形成冷裂的傾向很小，可切削性及冷應變塑性良好。一般在調質或滲碳淬火狀態下使用，常用于制造中小型汽車、拖拉機的發動機和傳動系統中的齒輪，如汽輪機的齒輪整轉子內燃機連桿汽門截面鍛件。亦可代替12CrNi3鋼制造要求心部性能較高的滲碳件、氰化件，如石油鉆探和冶金露天礦用的牙輪鉆頭的牙爪和牙輪體。

　　[0005]經過長期對國內機械行業進行深入調研、跟蹤，以及對各類國家標準、規范手冊的研宄學習，發現目前普遍采用的熱處理工藝為:930°C滲碳，滲碳層深度1.8mm?2.2mm，860°C油淬，200°C回火。但是在實際的生產使用過程中發現，經滲碳淬火處理后的20CrNiMo合金鋼作為重要零部件使用時，卻因其心部韌性較差而經常出現斷裂現象，沖擊功Aku較低，通常只有60J左右，嚴重影響產品使用，并且對市場造成很惡劣的影響。

　　[0006]由于20CrNiMo合金鋼材料中含有少量Mo元素，提高了材料的抗回火性能；又因Mn含量較高，使奧氏體等溫轉變曲線的上部往右移，使過冷奧氏體更加穩定，從而使其淬透性很好；尤其是在同等抗拉強度和屈服強度的條件下，該材料的碳當量Cev只有0.6，具有良好的焊接性能，是其他鋼都無法比及的，并且在獲得同等機械性能及焊接性能的前提下，該材料的經濟性能也是很優異的。整體評價，20CrNiMo合金鋼綜合性能較好，唯獨沖擊功較低。

　　[0007]因此，亟需研發一種提高20CrNiMo合金鋼沖擊功的熱處理工藝，使20CrNiMo合金鋼獲得良好的沖擊功，最終使得合金鋼材料的整體機械性能大大提高，發揮更好的適用性能，擁有更廣泛的使用范圍。

　　【發明內容】

　　[0008]本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供一種提高20CrNiMo合金鋼沖擊功的熱處理工藝。本發明通過改善20CrNiMo合金鋼的熱處理工藝，解決因沖擊功較低而導致20CrNiMo合金鋼的其他良好性能無法充分發揮作用的問題，使該材料的適用性能更好，使用范圍更廣。

　　[0009]為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是:一種提高20CrNiMo合金鋼沖擊功的熱處理工藝，其特征在于，該工藝包括以下步驟:

　　[0010]步驟一、滲碳:將20CrNiMo合金鋼在溫度為930°C的條件下進行滲碳處理，直至滲碳層的深度為1.4mm?1.7mm為止；

　　[0011]步驟二、一次淬火:將步驟一中滲碳后的20CrNiMo合金鋼降溫至870°C?890°C，在碳勢為0.8%?0.9%的條件下保溫2.5h后油淬；

　　[0012]步驟三、一次回火:將步驟二中一次淬火后的20CrNiMo合金鋼升溫至590°C?610 C，保溫3h后空冷；

　　[0013]步驟四、二次淬火:將步驟三中一次回火后的20CrNiMo合金鋼升溫至830°C?850°C，在碳勢為0.8%?0.9%的條件下保溫3h后油淬；

　　[0014]步驟五、二次回火:將步驟四中二次淬火后的20CrNiMo合金鋼升溫至190°C?210 C，保溫4h后空冷ο

　　[0015]上述的一種提高20CrNiMo合金鋼沖擊功的熱處理工藝，其特征在于，步驟一中所述20CrNiMo合金鋼為經電渣重熔處理后的合金鋼。

　　[0016]本發明與現有技術相比具有以下優點:

　　[0017]1、本發明在完全不影響20CrNiMo合金鋼其他力學性能的原則下，現經過對傳統熱處理的各個環節進行縝密分析，反復論證、試驗，通過在不同溫度、時間、介質環境下對金相組織進行改變，然后對得到的不同狀態的試樣進行測試、對比、優化，使其在熱處理的每一個環節都能獲得較好的組織性能，從而獲得最終良好的性能。

　　[0018]2、本發明通過改善20CrNiMo的熱處理工藝，從而獲得良好的沖擊功，最終使20CrNiMo的整體機械性能大大提高，使該材料的適用性能更好，使用范圍更廣，這是低碳合金鋼熱處理工藝技術方面突破性的改革，也是我國材料科學技術方面的一個重要里程碑，彌補了長久以來和發達國家在材料熱處理方面的差距。本發明在滿足淬透性、抗拉強度、屈服強度、抗沖擊性及良好的焊接性能的前提下，該材料在經濟效益方面優勢很大，帶來的社會經濟效益是巨大的。本發明經過對各個熱處理環節的分析發現:

　　[0019](I)電渣重熔低碳微合金鋼強韌化原理:通過電渣重熔降低鋼材的硫、磷等有害元素含量，提高純凈度，同時在原性能基礎上加入微合金元素，形成細小的難熔化合物，對晶界起到釘扎作用，從而細化晶粒，達到強韌化處理的目的。

　　[0020](2)本發明經過兩次淬火，組織變細，這是由于原奧氏體晶粒被細化，因為材料在加熱淬火時，晶粒的形核部位主要在晶界，晶粒越細小，晶界越多，即形核位置越多，又由于二次淬火溫度較低，晶粒長大較慢，經淬火后，材料的實際晶粒更細小，有利于提高材料的強度及沖擊韌性。

　　[0021](3)本發明二次淬火的溫度較低，在相同的保溫時間下，使材料的組織為馬氏體及鐵素體，軟硬兩相同時存在，有利于材料沖擊韌性的提高。

　　[0022](4)本發明對20CrNiMo進行兩次淬火，可以降低材料的碳化物級別，因為碳化物是脆性相，二次淬火時可以使碳化物部分溶解，并向晶內、表層深處和表面外進行擴散，使碳的分布趨于均勻，這種方法避免了材料為降低碳化物級別而重新正火而產生的氧化脫碳及變形，從而提高材料的韌性。細化晶粒，比原來高出3?4級，達到12級。

　　[0023](5)本發明通過研宄發現，滲碳層越深，沖擊韌性越低，因為滲碳層本身屬于脆性相，因此，本發明將滲碳層的深度革新為1.4mm?1.7mm(傳統深度為1.8mm?2.2mm)，從而使20CrNiMo合金鋼材料的韌性得到顯著提高。

　　[0024]綜上所述，本發明通過對現有國標中的20CrNiMo低碳合金鋼進行電澄重恪重新冶金處理，再經過兩次淬火，最終使20CrNiMo合金鋼的晶粒更加細化，組織更加均勻，性能更加穩定，整體機械性能大大提高，使該材料的適用性能更好，使用范圍更廣，經濟性能也十分卓越，這是低碳合金鋼熱處理工藝技術方面突破性的改革，在我們國家的機械行業內，對20CrNiMo采用電渣重熔和二次淬火技術也是史無前例的，這將是我國材料科學技術方面的一個重要里程碑，彌補了長久以來和發達國家在材料熱處理方面的差距。

　　[0025]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。

　　【附圖說明】

　　[0026]圖1為經本發明實施例1熱處理后的20CrNiMo合金鋼的滲碳層組織圖。

　　[0027]圖2為經對比例I熱處理后的20CrNiMo合金鋼的滲碳層組織圖。

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　　028]圖3為經本發明實施例1熱處理后的20CrNiMo合金鋼的芯部組織圖。

　　[0029]圖4為經對比例I熱處理后的20CrNiMo合金鋼的芯部組織圖。

　　[0030]圖5為經本發明實施例1熱處理后的20CrNiMo合金鋼的金相組織晶粒度圖。

　　[0031]圖6為經對比例I熱處理后的20CrNiMo合金鋼的金相組織晶粒度圖。

　　【具體實施方式】

　　[0032]實施例1

　　[0033]本實施例提高20CrNiMo合金鋼沖擊功的熱處理工藝包括以下步驟:

　　[0034]步驟一、滲碳:將經電渣重熔處理后的20CrNiMo合金鋼在溫度為930°C的條件下進行滲碳處理，直至滲碳層的深度為1.5mm為止；

　　[0035]步驟二、一次淬火:將步驟一中滲碳后的20CrNiMo合金鋼降溫至880°C，在碳勢為0.85%的條件下保溫2.5h后油淬；

　　[0036]步驟三、一次回火:將步驟二中一次淬火后的20CrNiMo合金鋼升溫至600°C，保溫3h后空冷；

　　[0037]步驟四、二次淬火:將步驟三中一次回火后的20CrNiMo合金鋼升溫至840°C，在碳勢為0.85%的條件下保溫3h后油淬；

　　[0038]步驟五、二次回火:將步驟四中二次淬火后的20CrNiMo合金鋼升溫至200 °C，保溫4h后空冷。

　　[0039]實施例2

　　[0040]本實施例提高20CrNiMo合金鋼沖擊功的熱處理工藝包括以下步驟:

　　[0041]步驟一、滲碳:將經電渣重熔處理后的20CrNiMo合金鋼在溫度為930°C的條件下進行滲碳處理，直至滲碳層的深度為1.7mm為止；

　　[0042]步驟二、一次淬火:將步驟一中滲碳后的20CrNiMo合金鋼降溫至890°C，在碳勢為0.9%的條件下保溫2.5h后油淬；

　　[0043]步驟三、一次回火:將步驟二中一次淬火后的20CrNiMo合金鋼升溫至610°C，保溫3h后空冷；

　　[0044]步驟四、二次淬火:將步驟三中一次回火后的20CrNiMo合金鋼升溫至850°C，在碳勢為0.9%的條件下保溫3h后油淬；

　　[0045]步驟五、二次回火:將步驟四中二次淬火后的20CrNiMo合金鋼升溫至210°C，保溫4h后空冷。

　　[0046]實施例3

　　[0047]本實施例提高20CrNiMo合金鋼沖擊功的熱處理工藝包括以下步驟:

　　[0048]步驟一、滲碳:將經電渣重熔處理后的20CrNiMo合金鋼在溫度為930°C的條件下進行滲碳處理，直至滲碳層的深度為1.4mm為止；

　　[0049]步驟二、一次淬火:將步驟一中滲碳后的20CrNiMo合金鋼降溫至870°C，在碳勢為0.8%的條件下保溫2.5h后油淬；

　　[0050]步驟三、一次回火:將步驟二中一次淬火后的20CrNiMo合金鋼升溫至590°C，保溫3h后空冷；

　　[0051]步驟四、二次淬火:將步驟三中一次回火后的20CrNiMo合金鋼升溫至830，在碳勢為0.8%的條件下保溫3h后油淬；

　　[0052]步驟五、二次回火:將步驟四中二次淬火后的20CrNiMo合金鋼升溫至190°C，保溫4h后空冷。

　　[0053]對比例I

　　[0054]本對比例對20CrNiMo合金鋼采用傳統的熱處理工藝，具體處理過程為:將20CrNiMo合金鋼于930 °C滲碳，直至滲碳層的深度為1.8mm?2.2mm為止，然后降溫至860°C油淬，之后升溫至200°C進行回火。

　　[0055]為驗證本發明通過改善熱處理工藝能夠解決因沖擊功較低而導致20CrNiMo的其他良好性能無法充分發揮作用的問題，使該材料的適用性能更好，使用范圍更廣，因此，嚴格按照國家標準《GJB150.18-86》“軍用設備環境方法-沖擊試驗”以及《GB/T229-2007》“金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法”對本發明實施例1以及對比例I處理后的20CrNiMo合金鋼進行試驗。試驗結果具體對比分析如下:

　　[0056]經對比例I處理后的20CrNiMo合金鋼獲得的表面滲碳層的淬火組織為針狀馬氏體加角塊狀碳化物及少量殘余奧氏體(如圖2所示)，心部為板條馬氏體，晶粒度為8.5級(如圖6所示)，心部的沖擊功為60J左右(如圖4所示)。

　　[0057]經實施例1處理后的20CrNiMo合金鋼獲得的表面滲碳層的淬火組織細小針狀馬氏體加少量殘余奧氏體(如圖1所示)，心部為細小板條馬氏體加少量鐵素體，晶粒度為12級(如圖5所示)，心部的沖擊功經反復測試穩定保持在175J以上(如圖3所示)，是傳統工藝得到的沖擊功的近3倍。

　　[0058]此外，經檢測得知，經實施例1處理后的20CrNiMo合金鋼的淬透性、抗拉強度、屈服強度、焊接性能等綜合性能相比對比例I并未發生顯著變化。

　　[0059]通過上述對比可知，本發明通過改善20CrNiMo的熱處理工藝，從而獲得良好的沖擊功，最終使20CrNiMo的整體機械性能大大提高，使該材料的適用性能更好，使用范圍更廣，這是低碳合金鋼熱處理工藝技術方面突破性的改革，也是我國材料科學技術方面的一個重要里程碑，彌補了長久以來和發達國家在材料熱處理方面的差距。

　　[0060]以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制。凡是根據發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。

　　【主權項】

　　1.一種提高20CrNiMo合金鋼沖擊功的熱處理工藝，其特征在于，該工藝包括以下步驟: 步驟一、滲碳:將20CrNiMo合金鋼在溫度為930°C的條件下進行滲碳處理，直至滲碳層的深度為1.4mm?1.7mm為止； 步驟二、一次淬火:將步驟一中滲碳后的20CrNiMo合金鋼降溫至870°C?890°C，在碳勢為0.8%?0.9%的條件下保溫2.5h后油淬； 步驟三、一次回火:將步驟二中一次淬火后的20CrNiMo合金鋼升溫至590°C?610°C，保溫3h后空冷； 步驟四、二次淬火:將步驟三中一次回火后的20CrNiMo合金鋼升溫至830°C?850°C，在碳勢為0.8%?0.9%的條件下保溫3h后油淬； 步驟五、二次回火:將步驟四中二次淬火后的20CrNiMo合金鋼升溫至190°C?210°C，保溫4h后空冷。

　　2.根據權利要求1所述的一種提高20CrNiMo合金鋼沖擊功的熱處理工藝，其特征在于，步驟一中所述20CrNiMo合金鋼為經電渣重熔處理后的合金鋼。

　　【專利摘要】本發明提供了一種提高20CrNiMo合金鋼沖擊功的熱處理工藝，包括以下步驟：一、將20CrNiMo合金鋼進行滲碳處理，直至滲碳層的深度為1.4mm～1.7mm為止；二、一次淬火；三、一次回火；四、二次淬火；五、二次回火。本發明通過改善20CrNiMo合金鋼的熱處理工藝，能夠解決因沖擊功較低而導致20CrNiMo合金鋼的其他良好性能無法充分發揮作用的問題，使該材料的適用性能更好，使用范圍更廣。

　　【IPC分類】C21D6-00, C23F17-00, C21D1-19

　　【公開號】CN104805451

　　【申請號】CN201510148395

　　【發明人】馬民政, 宋澤鋒, 王培科, 王維發, 史秀寶, 姜海鵬, 王星, 袁澤清, 鄭陽, 雷凱凱, 王先龍

　　【申請人】西安煤礦機械有限公司

　　【公開日】2015年7月29日

　　【申請日】2015年3月31日