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

　　背景技術：

　　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、良好的強韌性和抗接觸疲勞等服役性能。組織細化是目前廣泛認同的提高金屬強度和塑性的技術路徑。最近，盧柯提出了金屬“素華”強韌化的概念(楊樂,李秀艷,盧柯.材料素化:概念、原理及應用[j].金屬學報,2017(11):4-8.)，其核心是通過組織超細化(或納米化)及其與缺陷的相互作用實現(xiàn)低成本強韌化。傳統(tǒng)的高碳合金鋼強韌化技術途徑主要采用微合金化、整體鍛造以及復雜的熱處理。然而這些技術不僅生產(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行表面機械擠壓、激光沖擊等可在一定程度上提高工件表面綜合性能，但工藝復雜，加工層淺等問題限制了其廣泛應用。

　　技術實現(xiàn)要素：

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

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

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

　　將高碳合金鋼板進行調質處理，得到調質態(tài)高碳合金鋼板；

　　將所述調質態(tài)高碳合金鋼板依次進行攪拌摩擦加工和回火處理，得到具有超高強度高碳合金鋼；

　　所述高碳合金鋼板，按質量百分比計，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，所述調質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小時后，水淬。

　　優(yōu)選的，所述調質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。

　　優(yōu)選的，所述攪拌摩擦加工的旋轉速度為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℃，所述回火處理的時間為2～30小時。

　　本發(fā)明提供了一種具有超高強度高碳合金鋼的制備方法，包括以下步驟：將高碳合金鋼板進行調質處理，得到調質態(tài)高碳合金鋼板；將所述調質態(tài)高碳合金鋼板依次進行攪拌摩擦加工和回火處理，得到具有超高強度高碳合金鋼；所述高碳合金鋼板，按質量百分比計，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化多相組織和高含量的殘余奧氏體，并采用回火處理調控高碳合金加工區(qū)的組織構態(tài)，最終獲得超高強度高碳合金鋼。根據(jù)實施例的記載，利用本發(fā)明所述的制備方法得到的超高強度高碳合金的平均硬度≥647hv，屈服強度≥1930mpa，抗拉強度≥2126mpa；比調質態(tài)高碳合金均得到了明顯的提高。

　　附圖說明

　　圖1為實施例1的調質態(tài)高碳合金鋼板和超高強度高碳合金鋼的拉伸性能對比圖；

　　圖2為實施例1得到的超高強度高碳合金鋼的微觀組織圖；

　　圖3為實施例2的調質態(tài)高碳合金鋼板和超高強度高碳合金鋼的拉伸性能對比圖；

　　圖4為實施例2得到的超高強度高碳合金鋼的透射電鏡微觀組織圖。

　　具體實施方式

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

　　將高碳合金鋼板進行調質處理，得到調質態(tài)高碳合金鋼板；

　　將所述調質態(tài)高碳合金鋼板依次進行攪拌摩擦加工和回火處理，得到具有超高強度高碳合金鋼；

　　所述高碳合金鋼板，按質量百分比計，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域技術人員熟知的市售產(chǎn)品。

　　本發(fā)明將高碳合金鋼板進行調質處理，得到調質態(tài)高碳合金鋼板。在本發(fā)明中，所述高碳合金鋼板，按質量百分比計，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，所述調質處理優(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小時后，水淬。本發(fā)明對所述加熱的方式和加熱的速率沒有任何特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的加熱方式和加熱速率進行即可；本發(fā)明對所述水淬沒有任何特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的水淬過程進行即可。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，更優(yōu)選為加熱至550～600℃，保溫0.8～1.2小時，最優(yōu)選加熱至560～580℃，保溫1.0小時。所述回火處理后優(yōu)選對回火處理后的高碳合金鋼板進行爐冷；本發(fā)明對所述爐冷沒有任何特殊的限定，按本領域技術人員熟知的爐冷方式進行即可。

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

　　得到調質態(tài)高碳合金鋼板后，本發(fā)明將所述調質態(tài)高碳合金鋼板依次進行攪拌摩擦加工和回火處理，得到具有超高強度高碳合金鋼；在本發(fā)明中，所述攪拌摩擦加工的旋轉速度優(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優(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℃；所述回火處理的時間優(yōu)選為2～30小時，更優(yōu)選為5～20小時，最優(yōu)選為10～15小時。

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

　　在本發(fā)明中，所述調質處理、攪拌摩擦加工和回火處理對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。

　　下面結合實施例對本發(fā)明提供的具有超高強度高碳合金鋼的制備方法進行詳細的說明，但是不能把它們理解為對本發(fā)明保護范圍的限定。

　　實施例1

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

　　在氬氣氣氛下，將調質態(tài)高碳合金鋼板進行攪拌摩擦加工(旋轉速度為800r/min，加工速度為30mm/min，下壓量為0.1mm和傾角2.5°)后，對攪拌摩擦加工區(qū)進行回火處理(300℃，20小時)后，空冷，得到具有超高強度高碳合金鋼。

　　圖2為所述超高強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，組織顯著細化，且馬氏體完全分解，殘余奧氏體發(fā)生轉變，超高強高cr3鋼具有均勻的貝氏體組織。

　　實施例2

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

　　在氬氣氣氛下，將調質態(tài)高碳合金鋼板進行攪拌摩擦加工(旋轉速度為1000r/min，加工速度為30mm/min，下壓量為0.1mm和傾角2.5°)后，對攪拌摩擦加工區(qū)進行回火處理(450℃，2小時)后，空冷，得到具有超高強度高碳合金鋼；

　　圖4為所述超高強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，超高強高cr5鋼具有均勻的索氏體組織。

　　測試例

　　按照gb/t228—2002以及gb/t4340.1—1999的標準，對實施例1～2得到的超高強度高碳合金和實施例1～2的調質態(tài)高碳合金進行力學性能的測試；

　　圖1為實施例1的調質態(tài)高碳合金鋼板(quenchedandtemperedcr3steel)和超高強度高碳合金鋼(ultrahighstrengthcr3steel)的拉伸性能對比圖，由圖1可知，實施例1超高強度高碳合金鋼的抗拉強度為2322mpa，比調質態(tài)高碳合金鋼的抗拉強度1490mpa有顯著提升；

　　實施例1超高強度高碳合金鋼的屈服強度為2058mpa，比調質態(tài)高碳合金鋼的屈服強度1276mpa有顯著提升；

　　通過顯微硬度測試，實施例1超高強度高碳合金鋼的平均硬度為647hv，比調質態(tài)高碳合金鋼的平均硬度237hv有顯著提升；

　　圖3為實施例2的調質態(tài)高碳合金鋼板(quenchedandtemperedcr5steel)和超高強度高碳合金鋼(ultrahighstrengthcr5steel)的拉伸性能對比圖，由圖3可知，實施例2超高強度高碳合金鋼的抗拉強度為2126mpa，比調質態(tài)高碳合金鋼的抗拉強度1024mpa有顯著提升；

　　實施例2超高強度高碳合金鋼的屈服強度為1930mpa，比調質態(tài)高碳合金鋼的屈服強度745mpa有顯著提升。

　　通過顯微硬度測試，實施例2超高強度高碳合金鋼的平均硬度為658hv，比調質態(tài)高碳合金鋼的平均硬度356hv有顯著提升；

　　由以上實施例可知，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化多相組織和高含量的殘余奧氏體，并采用回火處理調控高碳合金加工區(qū)的組織構態(tài)，最終獲得超高強度高碳合金鋼。根據(jù)實施例的記載，利用本發(fā)明所述的制備方法得到的超高強度高碳合金的平均硬度≥647hv，屈服強度≥1930mpa，抗拉強度≥2126mpa；比調質態(tài)高碳合金均得到了明顯的提高。