本發(fā)明涉及金屬材料固態(tài)熱加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有超高強(qiáng)度高碳合金鋼的制備方法。

　　背景技術(shù)：

　　高碳合金鋼是重要的冷軋輥、支撐輥等大型鑄鍛件和冷作模具用鋼，要求具有高耐磨性、良好的強(qiáng)韌性和抗接觸疲勞等服役性能。組織細(xì)化是目前廣泛認(rèn)同的提高金屬強(qiáng)度和塑性的技術(shù)路徑。最近，盧柯提出了金屬“素華”強(qiáng)韌化的概念(楊樂,李秀艷,盧柯.材料素化:概念、原理及應(yīng)用[j].金屬學(xué)報(bào),2017(11):4-8.)，其核心是通過組織超細(xì)化(或納米化)及其與缺陷的相互作用實(shí)現(xiàn)低成本強(qiáng)韌化。傳統(tǒng)的高碳合金鋼強(qiáng)韌化技術(shù)途徑主要采用微合金化、整體鍛造以及復(fù)雜的熱處理。然而這些技術(shù)不僅生產(chǎn)成本高、能耗大，而且環(huán)境不友好。此外，盡管采用表面熔覆高性能合金或者進(jìn)行表面機(jī)械擠壓、激光沖擊等可在一定程度上提高工件表面綜合性能，但工藝復(fù)雜，加工層淺等問題限制了其廣泛應(yīng)用。

　　技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

　　本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡(jiǎn)單、加工成本低且能夠顯著提高高碳合金鋼綜合力學(xué)性能的制備方法。

　　為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

　　本發(fā)明提供了一種具有超高強(qiáng)度高碳合金鋼的制備方法，包括以下步驟：

　　將高碳合金鋼板進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，得到調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板；

　　將所述調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板依次進(jìn)行攪拌摩擦加工和回火處理，得到具有超高強(qiáng)度高碳合金鋼；

　　所述高碳合金鋼板，按質(zhì)量百分比計(jì)，包括以下組分：

　　c0.6～0.9％，cr3～12％，mn0.4～8％，si0.4～0.8％，ni0.1～0.5％，mo0.4～1.5％，v0.1～1％和余量的鐵。

　　優(yōu)選的，所述調(diào)質(zhì)處理包括淬火處理和回火處理。

　　優(yōu)選的，所述淬火處理為將高碳合金鋼板加熱至900～950℃，保溫1～3小時(shí)后，水淬。

　　優(yōu)選的，所述調(diào)質(zhì)處理中的回火處理為將淬火處理后的高碳合金鋼板冷卻至室溫后，加熱至500～650℃，保溫0.5～1.5小時(shí)。

　　優(yōu)選的，所述攪拌摩擦加工的旋轉(zhuǎn)速度為400～1000r/min，加工速度為20～100mm/min，下壓量為0.1mm，所述攪拌摩擦的傾角為2.5°。

　　優(yōu)選的，所述回火處理的溫度為300～600℃，所述回火處理的時(shí)間為2～30小時(shí)。

　　本發(fā)明提供了一種具有超高強(qiáng)度高碳合金鋼的制備方法，包括以下步驟：將高碳合金鋼板進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，得到調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板；將所述調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板依次進(jìn)行攪拌摩擦加工和回火處理，得到具有超高強(qiáng)度高碳合金鋼；所述高碳合金鋼板，按質(zhì)量百分比計(jì)，包括以下組分：c0.6～0.9％，cr3～12％，mn0.4～8％，si0.4～0.8％，ni0.1～0.5％，mo0.4～1.5％，v0.1～1％和余量的鐵。本發(fā)明主要是通過攪拌摩擦加工來獲得超細(xì)化多相組織和高含量的殘余奧氏體，并采用回火處理調(diào)控高碳合金加工區(qū)的組織構(gòu)態(tài)，最終獲得超高強(qiáng)度高碳合金鋼。根據(jù)實(shí)施例的記載，利用本發(fā)明所述的制備方法得到的超高強(qiáng)度高碳合金的平均硬度≥647hv，屈服強(qiáng)度≥1930mpa，抗拉強(qiáng)度≥2126mpa；比調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金均得到了明顯的提高。

　　附圖說明

　　圖1為實(shí)施例1的調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板和超高強(qiáng)度高碳合金鋼的拉伸性能對(duì)比圖；

　　圖2為實(shí)施例1得到的超高強(qiáng)度高碳合金鋼的微觀組織圖；

　　圖3為實(shí)施例2的調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板和超高強(qiáng)度高碳合金鋼的拉伸性能對(duì)比圖；

　　圖4為實(shí)施例2得到的超高強(qiáng)度高碳合金鋼的透射電鏡微觀組織圖。

　　具體實(shí)施方式

　　本發(fā)明提供了一種具有超高強(qiáng)度高碳合金鋼的制備方法，包括以下步驟：

　　將高碳合金鋼板進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，得到調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板；

　　將所述調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板依次進(jìn)行攪拌摩擦加工和回火處理，得到具有超高強(qiáng)度高碳合金鋼；

　　所述高碳合金鋼板，按質(zhì)量百分比計(jì)，包括以下組分：

　　c0.6～0.9％，cr3～12％，mn0.4～8％，si0.4～0.8％，ni0.1～0.5％，mo0.4～1.5％，v0.1～1％和余量的鐵。

　　在本發(fā)明中，若無特殊說明，所有原料組分均為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的市售產(chǎn)品。

　　本發(fā)明將高碳合金鋼板進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，得到調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板。在本發(fā)明中，所述高碳合金鋼板，按質(zhì)量百分比計(jì)，優(yōu)選包括以下組分：c0.6～0.9％，cr3～12％，mn0.4～8％，si0.4～0.8％，ni0.1～0.5％，mo0.4～1.5％，v0.1～1％和余量的鐵。在本發(fā)明中，按照型號(hào)類型，所述高碳合金鋼板優(yōu)選為cr3鋼板或cr5鋼板。

　　在本發(fā)明中，所述調(diào)質(zhì)處理優(yōu)選包括淬火處理和回火處理；所述淬火處理優(yōu)選為將高碳合金鋼板加熱至900～950℃，保溫1～3小時(shí)后，水淬；更優(yōu)選為將高碳合金鋼板加熱至910～940℃，保溫1.5～2.5小時(shí)后，水淬；最優(yōu)選為將高碳合金鋼板加熱至920～930℃，保溫2小時(shí)后，水淬。本發(fā)明對(duì)所述加熱的方式和加熱的速率沒有任何特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的加熱方式和加熱速率進(jìn)行即可；本發(fā)明對(duì)所述水淬沒有任何特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的水淬過程進(jìn)行即可。在本發(fā)明中，所述回火處理優(yōu)選為將淬火處理后的高碳合金鋼板冷卻至室溫后，加熱至500～650℃，保溫0.5～1.5小時(shí)，更優(yōu)選為加熱至550～600℃，保溫0.8～1.2小時(shí)，最優(yōu)選加熱至560～580℃，保溫1.0小時(shí)。所述回火處理后優(yōu)選對(duì)回火處理后的高碳合金鋼板進(jìn)行爐冷；本發(fā)明對(duì)所述爐冷沒有任何特殊的限定，按本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的爐冷方式進(jìn)行即可。

　　在本發(fā)明中，所述調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板具有均勻的回火索氏體組織。

　　得到調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板后，本發(fā)明將所述調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板依次進(jìn)行攪拌摩擦加工和回火處理，得到具有超高強(qiáng)度高碳合金鋼；在本發(fā)明中，所述攪拌摩擦加工的旋轉(zhuǎn)速度優(yōu)選為400～1000r/min，更優(yōu)選為600～800r/min；所述攪拌摩擦的加工速度優(yōu)選為20～100mm/min，更優(yōu)選為30～70mm/min，最優(yōu)選為40～60mm/min；所述攪拌摩擦的下壓量?jī)?yōu)選為0.1mm；所述攪拌摩擦的傾角優(yōu)選為2.5°。在本發(fā)明中，所述攪拌摩擦加工優(yōu)選為在氬氣環(huán)境下進(jìn)行。

　　在本發(fā)明中，所述回火處理的溫度優(yōu)選為300～600℃，更優(yōu)選為350～550℃，最優(yōu)選為400～500℃；所述回火處理的時(shí)間優(yōu)選為2～30小時(shí)，更優(yōu)選為5～20小時(shí)，最優(yōu)選為10～15小時(shí)。

　　所述回火處理后，本發(fā)明優(yōu)選對(duì)回火處理后的高碳合金鋼進(jìn)行空冷；本發(fā)明對(duì)所述空冷沒有任何特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的空冷過程進(jìn)行即可。

　　在本發(fā)明中，所述調(diào)質(zhì)處理、攪拌摩擦加工和回火處理對(duì)合金鋼的成分種類和配比沒有影響。即經(jīng)過上述處理后得到的具有超高強(qiáng)度高碳合金鋼的成分與所述高碳合金鋼板的成分可視為相同。

　　下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的具有超高強(qiáng)度高碳合金鋼的制備方法進(jìn)行詳細(xì)的說明，但是不能把它們理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。

　　實(shí)施例1

　　將cr3鋼板加熱到900℃保溫2小時(shí)后進(jìn)行水淬到室溫，然后在加熱至550℃保溫1小時(shí)后爐冷，得到均勻的回火索氏體組織的調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板；

　　在氬氣氣氛下，將調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板進(jìn)行攪拌摩擦加工(旋轉(zhuǎn)速度為800r/min，加工速度為30mm/min，下壓量為0.1mm和傾角2.5°)后，對(duì)攪拌摩擦加工區(qū)進(jìn)行回火處理(300℃，20小時(shí))后，空冷，得到具有超高強(qiáng)度高碳合金鋼。

　　圖2為所述超高強(qiáng)度高碳合金鋼的微觀組織圖；其中左圖為金相觀察組織圖，右圖為掃描電鏡觀察組織圖。由圖2可知，經(jīng)攪拌摩擦加工及回火處理后，組織顯著細(xì)化，且馬氏體完全分解，殘余奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，超高強(qiáng)高cr3鋼具有均勻的貝氏體組織。

　　實(shí)施例2

　　將cr5鋼板加熱到950℃保溫2小時(shí)后進(jìn)行水淬至室溫，然后加熱至650℃保溫1小時(shí)后爐冷，得到均勻的回火索氏體組織的調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板；

　　在氬氣氣氛下，將調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板進(jìn)行攪拌摩擦加工(旋轉(zhuǎn)速度為1000r/min，加工速度為30mm/min，下壓量為0.1mm和傾角2.5°)后，對(duì)攪拌摩擦加工區(qū)進(jìn)行回火處理(450℃，2小時(shí))后，空冷，得到具有超高強(qiáng)度高碳合金鋼；

　　圖4為所述超高強(qiáng)度高碳合金鋼的透射電鏡微觀組織圖，由圖4可知，經(jīng)攪拌摩擦加工及回火處理后，馬氏體發(fā)生分解，超高強(qiáng)高cr5鋼具有均勻的索氏體組織。

　　測(cè)試?yán)?/p>

　　按照gb/t228—2002以及gb/t4340.1—1999的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)施例1～2得到的超高強(qiáng)度高碳合金和實(shí)施例1～2的調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試；

　　圖1為實(shí)施例1的調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板(quenchedandtemperedcr3steel)和超高強(qiáng)度高碳合金鋼(ultrahighstrengthcr3steel)的拉伸性能對(duì)比圖，由圖1可知，實(shí)施例1超高強(qiáng)度高碳合金鋼的抗拉強(qiáng)度為2322mpa，比調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼的抗拉強(qiáng)度1490mpa有顯著提升；

　　實(shí)施例1超高強(qiáng)度高碳合金鋼的屈服強(qiáng)度為2058mpa，比調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼的屈服強(qiáng)度1276mpa有顯著提升；

　　通過顯微硬度測(cè)試，實(shí)施例1超高強(qiáng)度高碳合金鋼的平均硬度為647hv，比調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼的平均硬度237hv有顯著提升；

　　圖3為實(shí)施例2的調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼板(quenchedandtemperedcr5steel)和超高強(qiáng)度高碳合金鋼(ultrahighstrengthcr5steel)的拉伸性能對(duì)比圖，由圖3可知，實(shí)施例2超高強(qiáng)度高碳合金鋼的抗拉強(qiáng)度為2126mpa，比調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼的抗拉強(qiáng)度1024mpa有顯著提升；

　　實(shí)施例2超高強(qiáng)度高碳合金鋼的屈服強(qiáng)度為1930mpa，比調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼的屈服強(qiáng)度745mpa有顯著提升。

　　通過顯微硬度測(cè)試，實(shí)施例2超高強(qiáng)度高碳合金鋼的平均硬度為658hv，比調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金鋼的平均硬度356hv有顯著提升；

　　由以上實(shí)施例可知，本發(fā)明提供的制備方法主要是通過攪拌摩擦加工來獲得超細(xì)化多相組織和高含量的殘余奧氏體，并采用回火處理調(diào)控高碳合金加工區(qū)的組織構(gòu)態(tài)，最終獲得超高強(qiáng)度高碳合金鋼。根據(jù)實(shí)施例的記載，利用本發(fā)明所述的制備方法得到的超高強(qiáng)度高碳合金的平均硬度≥647hv，屈服強(qiáng)度≥1930mpa，抗拉強(qiáng)度≥2126mpa；比調(diào)質(zhì)態(tài)高碳合金均得到了明顯的提高。