低碳马氏体钢板表层获得细晶奥氏体组织的制备方法及步骤

　　本发明属于金属板带热处理技术领域，具体涉及一种在低碳马氏体钢板表层获得细晶奥氏体组织的热处理工艺方法。

　　背景技术：

　　随着高性能金属材料使用范围及应用领域的不断扩大，对其中中厚板产品的综合性能及使用性能均提出了更高的要求。除了满足对钢板基本力学性能指标的基础上，对其表层的止裂性能、耐磨性能及低温韧性等均提出了明确要求。这里，对于钢铁材料来说，组织细化是能够同时提高其强度与韧性的重要方法，在细化组织的同时，其他使用性能均会有所改善。针对上述特殊性能要求，采用已有的表层超细晶机制，例如铁素体的动态回复和再结晶、升温过程中由过冷奥氏体析出的大量铁素体及应变诱导铁素体相变等，可以获得性能优良的中厚板产品。然而，由于目前实现表层超细晶的调控手段主要集中在控轧和控冷工艺方面，仅能适用于部分中厚板产品，而对于大部分产品，特别是对以热处理状态交货的中厚板产品来说，必然无法满足表层超细晶的工艺处理要求，需要寻求一种适合热处理工艺条件下的可行工艺路线，以实现对中厚板产品表层细晶组织的调控。

　　中国专利文献cn100595292c公开了一种在金属材料表层实现超细晶粒组织结构的高速加工方法，采用高速塑性变形的机械处理方法，使金属材料表层形成亚微米或纳米晶粒。随着距离处理表面深度的增加，微观结构尺寸呈梯度变化。该专利涉及为利用刀具与产品表面发生高速机械运动，对工件表面进行低温多次变形处理，其对应加工处理温度为-196℃至100℃，因此，从应用领域及具体工艺条件来看，该方法无法应用到表层细晶的中厚板产品。

　　中国专利文献cn101906519a、cn102828116a、cn103572023b及cn106676240b分别公开了一种低屈强比表层超细晶低碳钢厚板的制造方法、一种基于tmcp工艺的表层超细晶高强度钢板及其制造方法、一种低合金钢厚板/特厚板表层超细晶的制造方法及一种表层超细晶铁素体低合金钢厚板的制备方法。为了最终获得表层细晶组织，上述几个专利均聚焦于调控中间坯冷却路径，即首先将中间坯表层进行冷却处理，然后经过返温后进行第二阶段轧制，实现组织的正相变与逆相变过程，进而实现表层组织细化的目的。根据所选钢种的区别，其具体中间坯表层冷却终止温度及返温温度有所差异，均属于金属板带轧制与冷却工艺领域，而且，如果选取这种工艺控制策略获得的钢板，经离线淬火工艺处理后，其表层细晶组织重新加热至奥氏体化后将无法遗传给淬火组织，因此，该方法无法直接应用到热处理工艺下钢板表层细晶组织的调控工艺上。

　　综上所述，目前，对于中厚板产品来说，暂未涉及热处理条件下钢板表层细晶组织结构的调控工艺。在满足高端热处理产品需求的同时，需要开发一种基于热处理工艺条件下获得钢板表层细晶组织的调控工艺，使产品兼具止裂性能、耐磨性能及低温韧性等综合性能，提高产品的附加值。

　　技术实现要素：

　　本发明目的在于提供一种在低碳马氏体钢板表层获得细晶奥氏体组织的制备方法，主要通过调控热处理工艺，在不改变前面轧制及冷却工艺的基础上，仅通过设计淬火工艺过程，最终实现钢板表层细晶组织的调控。

　　本发明的技术方案如下：

　　一种低碳马氏体钢板表层获得细晶奥氏体组织的制备方法，步骤如下：

　　第一步：选取低碳马氏体钢，其质量百分数分别为：c含量0.18～0.22％，si含量0.28～0.32％，mn含量0.45～0.55％，mo含量0.88～0.92％，nb含量0.018～0.022％，p＜0.012％，s＜0.01％，余量为fe。

　　第二步：将第一步的低碳马氏体钢加热轧制成20～40mm的钢板，其终轧温度为950±20℃，然后空冷至室温。

　　第三步：淬火工艺

　　将冷却后的钢板放入加热炉中，加热至980～1020℃，加热速率为10～15℃/min，保温60min后淬火至室温，然后将钢板的上下表层经快速感应加热至880～920℃，加热速率为50±2℃/s，迅速淬火至室温，钢板表层得到尺寸不大于5μm的原始奥氏体组织。

　　进一步的，第三步中，钢板放入加热炉中加热至1000℃；钢板的上下表层经快速感应加热至900℃。

　　采用该控制方法的依据：对于低碳马氏体钢来说，其常规淬火工艺为直接加热至奥氏体化温度，经过一定时间保温处理后，获得断面组织均匀的奥氏体，针对于本发明选取的低碳马氏体钢来说，其在淬火工艺下奥氏体晶粒尺寸在20～50μm，经过淬火工艺后获得马氏体组织。在本发明中，在常规淬火工艺基础上，增加了短时感应加热淬火工艺，感应加热可以使钢板表层温度迅速升高至奥氏体化温度，同时，快速加热可以有效细化逆相变后的奥氏体晶粒尺寸，但是，过快或过慢的加热速率均不利于奥氏体晶粒尺寸的细化，针对此成分低碳马氏体钢来说，加热速率为50℃/s时，其细化效果最优。同时，感应加热温度过高，奥氏体晶粒尺寸较大，而感应加热温度较低时，其组织未发生完全奥氏体化过程，最终选择再加热温度为900℃。这样，经过常规淬火工艺+感应加热淬火工艺，可以在满足钢板淬火工艺要求的基础上，实现钢板表层奥氏体组织的细化。

　　本发明的有益效果：

　　本发明在不改变钢板控轧与控冷工艺的前提下，将淬火工艺设计为常规淬火工艺+短时感应加热淬火工艺，在满足钢板淬火工艺要求的基础上，在钢板表层实现奥氏体晶粒的细化。

　　附图说明

　　图1为本发明的获得钢板表层奥氏体晶粒组织图。

　　图2为本发明的获得钢板内部原始奥氏体晶粒组织图。

　　具体实施方式

　　实施例1

　　选取80mm*80mm的低碳马氏体钢坯料，其成分(质量百分数，％)为c0.20％，si0.30％，mn0.50％，mo0.90％，nb0.02％，p＜0.012％，s＜0.01％，余量为铁fe。首先，将坯料加热至1200℃，保温2h后，经过多道次轧制成20mm的钢板，其终轧温度为950℃，然后空冷至室温。选取热轧后的钢板，放入到加热炉中，缓慢加热至1000℃，加热速率为10℃/min，，保温60min后淬火至室温，然后，钢板上下表层经快速感应加热至900℃，对应加热速率为50℃/s，然后迅速淬火至室温，最终表层可获得尺寸约4.5μm的原始奥氏体组织，表层细晶层厚度为3mm，具体表层及内部原始奥氏体组织晶粒尺寸分布如图1和图2所示。

　　实施例2

　　第一步：选取80mm*80mm的低碳马氏体钢坯料，其质量百分数分别为：碳含量0.18％，硅含量0.28％，锰含量0.45％，钼含量0.88％，铌含量0.018％，p＜0.012％，s＜0.01％，余量为铁fe。

　　第二步：将第一步的低碳马氏体钢加热轧制成40mm的钢板，其终轧温度为930℃，然后空冷至室温。

　　第三步：淬火工艺

　　将冷却后的钢板放入加热炉中，加热至980℃，加热速率为10℃/min，保温60min后淬火至室温，然后将钢板的上下表层经快速感应加热至880℃，加热速率为48℃/s，迅速淬火至室温，钢板表层得到尺寸约为4.2μm的原始奥氏体组织，表层细晶层厚度为3mm。

　　实施例3

　　第一步：选取80mm*80mm的低碳马氏体钢坯料，其质量百分数分别为：碳含量0.22％，硅含量0.32％，锰含量0.55％，钼含量0.92％，铌含量0.022％，p＜0.012％，s＜0.01％，余量为铁fe。

　　第二步：将第一步的低碳马氏体钢加热轧制成20mm的钢板，其终轧温度为970℃，然后空冷至室温。

　　第三步：淬火工艺

　　将冷却后的钢板放入加热炉中，加热至1020℃，加热速率为15℃/min，保温60min后淬火至室温，然后将钢板的上下表层经快速感应加热至920℃，加热速率为52℃/s，迅速淬火至室温，钢板表层得到尺寸约为3.9μm的原始奥氏体组织，表层细晶层厚度在2.5mm。

　　技术特征：

　　技术总结

　　本发明属于金属板带热处理技术领域，具体涉及一种在低碳马氏体钢板表层获得细晶奥氏体组织的热处理工艺方法。第一步：选取低碳马氏体钢，第二步：将第一步的低碳马氏体钢加热轧制成20～40mm的钢板，其终轧温度为950℃±20℃，然后空冷至室温。第三步：将冷却后的钢板放入加热炉中，加热至980～1020℃，加热速率为10℃/min，然后将钢板的上下表层经快速感应加热至880～920℃，迅速淬火至室温，钢板表层得到尺寸不大于5μm的原始奥氏体组织。本发明在不改变钢板控轧与控冷工艺的前提下，将淬火工艺设计为常规淬火工艺加短时感应加热淬火工艺，在满足钢板淬火工艺要求的基础上，在钢板表层实现奥氏体晶粒的细化。

　　技术研发人员：衣海龙;周永康;毕梦园;方明阳

　　受保护的技术使用者：东北大学

　　技术研发日：2019.03.22

　　技术公布日：2019.06.14