一种大规格芯棒组织性能控制方法 【技术领域】
本发明涉及钢铁芯棒材料组织细化控制方法以改善其性能。本发明属于钢铁材料制造工艺控制技术领域。
背景技术
近年来我国引进多条MPM生产线，其主要耗材芯棒基本依赖进口，大直径芯棒技术含量高、制造难度大，目前只有法国、意大利、德国等少数几个国家具有生产能力。我国目前的芯棒制造能力与国外差距很大，尤其是大直径芯棒，尺寸在Φ280mm规格以上的芯棒制造还是空白，全部依赖进口，进口芯棒不仅价格昂贵，而且供货周期长，供需矛盾十分突出。
大口径连轧管机芯棒制造技术难点存在两个方面：一是缺乏高质量大直径芯棒坯的制造技术和设备；二是缺乏芯棒热处理的组织控制、长杆件机械加工的精度控制以及表面镀硬铬的相关技术和装备。
首先，大直径芯棒坯的制造需要高质量的大型热作模具钢钢锭，由于尺寸效应，钢锭越大，其冶金质量、碳化物、偏析控制难度将大幅度提高。优质芯棒坯的制造，不仅需要真空精炼、电渣重熔等先进的冶金质量控制设备作为基本条件，还需要高温均质、多向锻造、组织超细化等最先进的技术和装备作保证。其次，根据国外经验，对于芯棒这类细长类的大型模具钢产品需要专业的带双操作机的大吨位快锻机进行生产，国内几乎没有这类专业设备。而且，只有系统地掌握从大型钢锭冶金质量与组织控制、锻后组织控制、芯棒坯组织控制，到芯棒的淬火热处理、回火热处理系列成套微观组织控制技术，才能充分发挥模具钢中合金元素的强韧化作用，制造出兼有优良高温强度又有优良高温高韧性的大直径芯棒，满足实际使用的需求。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种制造大规格芯棒的组织性能控制方法。
本发明一种大规格芯棒组织的性能控制方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：
a.设计选择低硫磷的合金钢，其成分及其重量百分含量为：C 0.35～0.53％，Si0.70～1.00％，Mn 0.20～0.60％，Cr 3.75～5.30％，Mo 1.00～1.50％，V 0.80～1.10％，P≤0.015％，S≤0.01％，Fe余量；
b.熔炼：按传统常规工艺进行熔炼，既电弧熔炼-钢包精炼-电渣重熔二次精炼
c.组织均匀化：将经过上述步骤生产的钢锭放入1200～1280℃的热处理炉中，进行均匀组织处理，并在此温度下保温18-24小时，使共晶碳化物基本溶入到材料基体中，然后缓慢冷却。
d.锻造：将上述钢锭加热至1100～1180℃温度范围，然后进行锻造加工；利用多火次加热镦粗和拔长，终锻温度≥750℃。
e.锻后快冷：此为细化组织处理步骤之一；在锻件锻造后进行控制冷却，冷却速度控制在5～20℃/min之间，细化锻件内部组织，提高其性能。
f.退火：锻件在锻造控制冷却后，在850～900℃下进行退火。
g.淬回火热处理：锻件即芯棒坯经机械加工后，采用罩式电阻加热炉加热至1000～1100℃奥氏体化后，保温6～12小时，然后进行淬火；随后在550～600℃进行第一次回火，然后在600℃～650℃进行第二次回火。回火时升温速度同样控制在60～100℃/h范围内，保温时间控制在8～14h。通过双细化处理，来细化组织，控制碳化物颗粒的大小，提高组织性能。
本发明具有以下特点和优势：本发明利用先进的冶炼工艺设备，严格按照本工艺步骤进行冶炼，提高钢材的纯净度，减少其内部的S、P含量，使得夹杂物等有了很大的降低。采用辅助加热法降低了芯棒锻造过程中的温降，采用镦、拔等多向锻造技术，并根据热作模具钢的高温应力应变行为，不仅实现芯棒坯的制造，更重要的实现了芯棒缺陷的大幅度改善、显微组织的有效控制。在进行锻造后，对其冷却速度进行控制，实现对二次碳化物沿晶析出的控制，此工艺为控制组织细化关键步骤之一。进行淬回火热处理的热处理炉炉罩为对开的方式，主要是为了加快芯棒的出炉时间，抑制奥氏体晶粒的长大，实现组织细化，保证芯棒整体温度的一致性和淬火质量。通过控制升温速度的奥氏体化，及适当的保温时间，促使较粗大的二次碳化物溶入到基体中，淬火后，细化了材料的组织，在回火过程中采用两次回火，控制析出的碳化物颗粒的大小及种类，从而达到控制材料组织和性能的目的，通过锻后控制冷却和高温控制淬火双细化工艺处理，提高了材料的冲击韧性、热疲劳抗力及其抗回火软化能力，并提高其使用寿命。
【附图说明】
图1为本发明芯棒热稳定性实验时不同温度下的硬度值。
图2为本发明大规格芯棒经过淬回火热处理后的金相组织照片。
图3为经过本发明方法得到的芯棒热疲劳裂纹照片。
【具体实施方式】
现将本发明的具体实施例叙述于下。
实施例：本实例中，采用的合金材料组成成分及其重量百分比如下：
C 0.39％，Si 0.83％，Mn 0.3％，Cr 5.06％，Mo 1.31％，V 1.01％，P 0.01％，S0.01％，Fe 余量。
此合金材料所采用的组织控制技术主要工艺步骤如下：
1)按传统常规工艺进行熔炼，即电弧熔炼-钢包精炼-电渣重熔二次精炼，精炼后，将熔炼浇涛出的电渣锭放到电渣重熔装置中，进行电渣重熔。
2)将钢锭放入1250℃温度范围内的热处理炉中，进行均匀组织处理。保温20小时，将共晶碳化物熔入至材料基体中，均匀化组织，然后埋砂冷却。
3)将上述钢锭加热至1150℃进行锻造加工；期间通过加热设备对材料进行加热，利用多火次加热及共计6次镦粗和拔长，其中镦粗变形量为60％，拔长变形量为550％。
4)在材料锻造后进行控制冷却，冷却速度为50℃/h，以细化材料内部组织，提高材料性能。
5)材料在锻造控制冷却后，使其置于退火炉中在850℃下进行退火。
6)锻造后的芯棒采用新型的罩式电阻加热炉加热至1030℃奥氏体化后，保温10小时，升温速度为70℃/h，然后进行淬火，再次细化组织处理；随后在550℃进行第一次回火，然后在600℃进行第二次回火。回火时升温速度同样控制在70℃/h范围内，保温时间为8h。
7)利用自由锻水压机上进行校直。在450℃下保温16小时，消除校直应力。
8)精车后用千叶轮对芯棒进行抛光，抛光采用柔性抛光，允许芯棒有一定弯曲度。粗糙度仪检验芯棒表面达到Ra0.3。抛光合格。用连续电刷镀方法在表面镀铬。
对本实施例制得的芯棒进行地各项性能测试：
(1)化学成分如下表所示
表1大规格芯棒心表成分对比(wt％)
淬火硬度：54.5HRC；回火后硬度：47HRC
(2)冲击韧性实验：
在大规格芯棒上取横向冲击试样，试样尺寸为7mm×10mm×55mm(采用北美压铸协会标准)。
室温冲击功值：J＞300。
(3)热稳定性：
经过此工艺生产的芯棒实物硬度在350HV左右。取五个试样，分别快速加热至620℃-700℃，保温5小时，冷却后测定其硬度，试验结果如附图1所示。结果表明，芯棒在经过不同温度保温5小时后，硬度下降缓慢，在700℃保温5小时后，其硬度值还能达到250HV。
(4)热疲劳性能测试：
在700℃条件下进行冷热循环，经过3000次后，本发明的芯棒的热疲劳表面形貌如附图3所示。由图中可见，芯棒热疲劳实验后，其表面裂纹十分均匀细小，表面没有大的主裂纹形成。这说明经过热处理后，材料的热疲劳抗力较高，抵抗热疲劳裂纹扩展能力较强。
本发明大规格芯棒经过淬回火热处理后的金相显微组织示于图2照片中，从照片中可以看到芯棒的金相组织十分细小，没有大块的共晶碳化物存在，细小的碳化物弥散分布在基体上；本发明通过锻后控制冷却和高温控制淬火的双重细化组织处理工艺，提高了芯棒的多种性能。