CN109763078B - 一种耐热合金渗碳钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐热合金渗碳钢，以重量百分比计包含：碳：0.16～0.22％；硅：≤0.15％；锰：≤0.60％；铜：0.10～0.25％；铬：1.80～1.90％；镍：1.80～1.90％；钼：0.50～1.10％；硫：0.015～0.030％；磷：≤0.015％；铝：0.010～0.025％；氮：0.013～0.018％；铌：0.020‑0.040％；氢：≤0.00015％；氧：≤0.0012％；余为Fe及杂质元素。本发明还公开了一种耐热合金渗碳钢的制备方法。通过本发明能够获得耐300‑500℃工作温度、晶粒细小、纯洁度高、强韧性性能优良的耐热合金渗碳钢。

Description

一种耐热合金渗碳钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及渗碳钢，更具体地是指一种耐热合金渗碳钢及其制备方法。

背景技术

合金渗碳钢是指经过渗碳热处理后使用的低碳合金结构钢，具有外硬内韧的性能特点，常常用于制作承受冲击的耐磨件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等。其成分特点有：C％：0.10％～0.25％，以保证零件心部具有足够的塑性、韧性。主要合金元素是Cr，还可加入Ni、Mn、B、W、Mo、V、Ti等，其中，Cr、Ni、Mn、B的主要作用是提高淬透性，使大尺寸零件淬火后心部得到低碳马氏体组织，以提高强度和韧性；少量的W、Mo、V、Ti能形成细小、难溶的碳化物，以阻止渗碳过程中高温、长时间保温条件下晶粒长大。在零件表层形成的合金碳化物还可提高表面渗碳层的耐磨性。

申请号为201611265306.5的一种耐高温合金结构钢及其热处理工艺，该结构钢化学成分重量％为：C：0.23～0.27％，Si：≤0.20％，Mn：≤0.20％，P：≤0.008％，S：≤0.003％，Cr：2.85～3.05％，Mo：2.85～3.05％，Ni：0.80～1.0％，Nb：0.09～0.11％，V：≤0.20％，[O]：≤0.0020％，[N]：≤0.0080％，RE：0.0015～0.0035％，余量为Fe。该钢的高温强度较常用的40CrNi3MoV中碳合金结构钢有所提高，其断裂韧性和低周疲劳性能也优于40CrNi3MoV钢，可以大幅度提高寿命；适合制作承受周期应力作用、耐高温磨损和长寿命高压容器。

申请号为201510400289.0的高耐热性热作模具钢及制备方法，该发明化学成分的质量百分比为：C为0.38％～0.44％，Cr为3.8％～4.4％，Mo为1.8％～2.4％，Si为0.2％～0.6％，Mn为0.5％～0.8％，V为0.5％～0.7％，Ni为0.8％～1.2％，Cu为0.02％～0.05％，Ta为0.08％～0.12％，Nb为0.01％～0.03％，W为0.008％～0.016％，Co为0.008％～0.016％，P和S含量均小于0.030％，余量为Fe。发明钢具有良好的综合力学性能，较高的抗热疲劳性能以及良好的热稳定性和高温强度。

申请号为200710037023.X的石油钻机绞车刹车毂材料及其制造方法。该发明涉及石油钻机绞车刹车毂新材料及其制造方法。采用低碳Mn-Si-V-RE合金，其化学成份(质量分数％)为：C：0.10～0.30，Mn：1.2～2.0，Si：0.20～0.50，V：0.05～0.20，Re：0.010～0.040，P≤0.025，S≤0.025，余量Fe。其具有较高的强韧性、耐磨性、抗热疲劳性及焊接性，能够满足绞车刹车毂的恶劣工况。

从以上专利可以看出，改善钢材的耐热性能从成分上主要添加Re、W、Nb、Mo，其技术目的是用于压力容器、高耐热性热作模具钢、绞车刹车毂等。201611265306.5中添加较多的Cr、Mo、Ni，特别是Mo能提高钢材的热稳定性，但淬透性提高、钢材的硬度高，用于制造精密的汽车零件其开裂的倾向性和工艺性能较差。CN200710037023.X中添加W和Co提高耐热性，200710037023.X中采用V和Re，从技术目的和解决方案上与本发明有很大的不同。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐热合金渗碳钢及其制备方法，能够获得耐300-500℃工作温度、晶粒细小、纯洁度高、强韧性性能优良的耐热合金渗碳钢。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一方面，一种耐热合金渗碳钢，以重量百分比计包含：

碳：0.16～0.22％；

硅：≤0.15％；

锰：≤0.60％；

铜：0.10～0.25％；

铬：1.80～1.90％；

镍：1.80～1.90％；

钼：0.50～1.10％；

硫：0.015～0.030％；

磷：≤0.015％；

铝：0.010～0.025％；

氮：0.013～0.018％；

铌：0.020-0.040％；

氢：≤0.00015％；

氧：≤0.0012％；

余为Fe及杂质元素；

且，Mn/S＝20～40，Al/N＝0.65～1.4。

所述的杂质元素中：Pb≤0.002％，As≤0.04％，Sn≤0.005％，Sb≤0.004％，Ca≤0.0010％。

另一方面，一种耐热合金渗碳钢的制备方法，包括：

冶炼步骤：依次为初冶炼、钢包精炼、连铸浇注；

热加工步骤：依次为锻造开坯、轧制棒材、球化退火；

冷加工步骤：将棒材拉拔成表面光亮棒材。

所述的初冶炼采用电弧炉或转炉，当温度≥1620℃开始出钢，出钢钢水达到P≤0.025％，C≥0.05％，出钢1/3时加入铬铁、铝铁，且当采用转炉时，出钢时添加Cu合金以控制Cu到0.10-0.20％。

所述的钢包精炼采用石灰、萤石和合成渣，通电3min后分三批加入，采用碳粉和碳化硅搅拌均匀后进行渣面扩散脱氧，渣变为黄白色并保持5～10min，真空脱气前喂氮化铬丝，以调整氮含量至130-180ppm，喂铝丝补铝至0.015～0.030％；进真空脱气前，喂硫线配至S含量为0.015～0.030％；真空脱气在≤0.26Kpa下保持≥10min，真空脱气处理总时间≥25min。

所述的锻造开坯采用加热炉在450～600℃温度待料，钢锭装炉后保温100～150min，以≤2℃/min的升温速度升至700～760℃保温100～160min，以≤1.9℃/min的升温速度升至1200～1220℃保温900～1100min；开锻温度为1100～1180℃；终锻温度为850～880℃。

所述的轧制棒材为将锻造后的方坯加热至1160～1200℃并保持加热时间80～120分钟，方坯料阴阳面温差≤40℃钢坯出炉，使锻坯加热均匀并再将方钢坯热加工轧制至成品棒材或线材，终轧温度为760～810℃，轧后缓冷或退火。

所述的球化退火为在400～500℃进炉保温40min～60min，以30～50℃/h升温到680～700℃保温4小时，随炉冷却至550～450℃出炉。

采用本发明的耐热合金渗碳钢及其制备方法，具有以下几个优点：

1、本发明的耐热合金渗碳钢经过经退火后获得球化珠光体组织，硬度碳化物颗粒细小均匀，硬度185～210HBW，便于油嘴阀体的切削、开孔加工，同时为后续的渗碳和淬火热处理提供预备组织。

2、本发明的耐热合金渗碳钢经过经退火后进行淬火+低温回火(840℃～870℃油淬+170℃～210℃回火)，获得细小均匀的回火马氏体组织，获得的力学性能为：抗拉强度≥1420Mpa，屈服强度≥1180Mpa，伸长率≥16％，断面收缩率≥62％，冲击功≥200J。

3、本发明的耐热合金渗碳钢经过经退火后加工成零件毛坯，再渗碳、淬火、深冷处理、回火处理、时效之后渗碳层的硬度为720～780HV，渗碳层的深度达到0.6～0.9mm，硬度偏差≤40HV，心部基体的硬度420～460HV。

4、本发明的耐热合金渗碳钢加工性能优良(便于切削加工和开孔)、组织性能优良、渗碳层组织均匀稳定、晶粒细小，加工成零件后耐300-500℃工作温度，而且使用寿命长。

附图说明

图1是本发明的添加适量的Mo元素获得的渗碳钢的渗层组织照片；

图2是未采用或未控制好热加工工艺而获得的渗碳钢的渗层组织照片；

图3是添加过量的Mo元素获得的渗碳钢的渗层组织照片。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

渗碳钢加工成工件一般经过渗碳、淬火、深冷处理(减少残奥)、回火、时效等工艺过程，最终获得回火马氏体组织。其中渗碳的温度范围约为890～930℃；淬火的温度为850～880℃，淬火后获得马氏体、马氏体加残奥或马氏体加残奥加未溶的碳化物；回火温度约为200℃左右，即从室温到回火温度马氏体和残奥均发生组织转变，包括马氏体的分解、残奥的转变、碳化物的析出和变化以及α相的回复和再结晶。其组织仍然保持细小的板条马氏体亚结构，具有较高的硬度、强度和弹性，又有良好的塑性和韧性。然而，在由渗碳钢加工成的燃油喷射系统的针阀体偶件其工作温度为300～500℃，远远超过了渗碳钢的回火温度，在300～500℃温度区间下马氏体将继续分解，超过350℃马氏体及残奥分解完成后的α相发生回复、再结晶，已析出的渗碳体聚集并粗化。工件长时间在300～500℃温度区间工作，由于渗碳体的粗化造成性能的弱化。

本发明的耐热合金渗碳钢的设计思想是为了满足工作温度在300～500℃温度区间的渗碳钢工件的技术要求，即渗碳钢经退火后加工成油嘴阀体毛坯后，经过渗碳、淬火、深冷处理、回火处理、时效之后，在300～500℃温度区间内渗碳层的硬度保持在720～780HV，渗碳层的深度达到0.6～0.9mm，心部的硬度要达到420～460HV。

因此，本发明的耐热合金渗碳钢，以重量百分比计包含：

碳：0.16～0.22％；

硅：≤0.15％；

锰：≤0.60％；

铜：0.10～0.25％；

铬：1.80～1.90％；

镍：1.80～1.90％；

钼：0.50～1.10％；

硫：0.015～0.030％；

磷：≤0.015％；

铝：0.010～0.025％；

氮：0.013～0.018％；

铌：0.020-0.040％；

氢：≤0.00015％；

氧：≤0.0012％；

余为Fe及杂质元素；

且其他元素的匹配要达到：

Mn/S＝20～40，Al/N＝0.65～1.4。

另外，杂质元素中：Pb≤0.002％，As≤0.04％，Sn≤0.005％，Sb≤0.004％，Ca≤0.0010％。

其主要化学元素在钢中的作用如下：

碳：渗碳钢的碳含量一般在0.10～0.25％之间，本发明中添加0.16～0.22％的碳含量，并在钢中配入Cr、Ni、Mo合金元素，使零件(零件经过渗碳、淬火、深冷处理、回火处理、时效处理之后)表面具有720～780HV的渗碳层硬度，同时保持高的耐磨性和心部硬度(420～460HV)。

硅：硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，但在本钢种中硅元素不利于渗碳层的稳定，同时较高的硅能促使铁素体晶粒粗化，为此本发明钢中硅控制在≤0.15％。

锰和硫：锰能部分代替铬、镍以保持强度，而且锰是能显著提高淬透性的主要元素。但是锰在钢中有促进奥氏体化晶粒长大的缺点，对锰的含量应加以控制。为此本发明钢中控制锰含量为≤0.60％并与碳元素配合，保证保证高频淬火滚道面的硬度达到720～780HV。

Mn和Fe形成固溶体，同时提高铁素体和奥氏体的强度；Mn使组织均匀弱碳化物形成元素，进入渗碳体取代一部分Fe原子。此外，Mn还有提高耐磨性作用。

钼：为本发明的关键元素，一般认为少量的W、Mo、V、Ti元素能形成细小、难溶的碳化物合金在超过200℃的使用温度下能增加组织的稳定性，原因是TiC、V4C3、NbC、W2C、Mo2C碳化物析出的温度高、颗粒细小、稳定性大。本发明中钼不仅有上述作用，此外钼与铌配合，提高了Nb在奥氏体中的固溶度，延迟了碳氮化物的沉淀析出，将更多的微合金元素得以在较低的温度下从析出，增强沉淀强化的作用。

请结合图1～3所示，添加适量的Mo元素，能避免合金元素的严重偏析，获得附图1的渗层组织。同时需要控制热加工工艺，如锻造过程的加热和锻造工艺，若工艺制度不良也会造成局部的渗层组织不良，如附图2所示。另外，添加过量的Mo元素，如图3增加偏析的倾向，在偏析处存在的非平衡组织在渗碳保温过程中迅速连接成块状，组织碳元素的扩散，并随着淬火过程保留到室温。异常组织的出现，降低渗层的整体质量，影响工件质量。

铌：典型的细化晶粒元素，添加0.020-0.040％的铌能改善钢材的晶粒尺寸，获得良好的韧性。但，过多的铌往往会造成相应的渗碳层碳化物聚集，渗碳过程形成微小裂纹影响寿命。本发明中的Nb与Mo复合作用能发挥控制碳化物的技术目的。

此外，本发明钢添加0.015～0.030％S元素与Mn元素形成MnS，MnS夹杂物用于改善切削性能，同时还能够抑制晶粒长大及促进晶内铁素体的析出，通过控制Mn/S＝20～40以使MnS固定硫，可以减少在奥氏体晶界FeS等低熔点化合物的生成，从而提高钢的高温塑性。同时由于MnS具有良好的变形能力，在轧制过程中沿轧制方向延展成为大尺寸长条状，使得钢材力学性能呈各向异性，明显降低材料的横向性能。因此，还必须控制MnS的长度4～40μm。

因此，经过计算相的组织和实验的研究，Mn含量控制在≤0.60％和S含量为0.015～0.030％，同时调整Mn/S＝20～40，并与轧制工艺配合能起到在发明中发挥相应的作用。

铬和镍：铬和镍是本发明钢的主体成分，Cr和Ni均能能显著提高强度、硬度和耐磨性。但过高的Cr元素能降低塑性和韧性，同时过高的Cr元素在渗碳层形成粗大的碳化物。Ni元素有利于提高零件心部的韧性和强度，同时减少渗碳层的氧化，防止出现微小的裂纹。经过实验研究和理论计算，Cr和Ni分别控制在1.80～1.90％和1.80～1.90％，同时Cr、Ni、Mo要相互配合成分发挥主要合金元素的作用。

铝和氮：铝和氮是本发明钢中重要的合金元素。铝是脱氧剂和细化晶粒元素，但试验表明，过多的Al往往会形成Al₂O₃类非金属夹杂物，这些难变形的非金属夹杂物往往会成为疲劳断裂源，影响喷油嘴阀体的抗冲击性能。本钢种中控制成品Al：0.010～0.025％的是显著的技术特征。铝元素作用的发挥与氮密不可分，铝与氮形成AlN、铌与氮形成NbCN等细化晶粒元素在晶界析出获得7～8级的晶粒尺寸，经过实验研究氮含量控制在0.013～0.018％，铝含量控制在0.010～0.025％，同时控制Al/N＝1.1～1.4。

铜：铜元素一般作为有害元素控制，因为铜的缺点是在热加工时容易产生热脆，特别是铜含量超过0.5％塑性显著降低。由于冶炼方式的不同，电弧炉冶炼(原料以废钢为主)往往铜含量在0.10～0.20％无需特殊控制，而转炉冶炼(原料以高炉铁水为主)铜含量一般小于0.05％需要额外添加铜合金。本发明钢中添加0.10～0.25％与Ni元素配合，能提高强度和韧性和腐蚀性能。经过实验室多轮次的实验表明，0.10～0.25％的铜能有效提高喷油嘴在燃油喷射的工作环境下的腐蚀性能。

此外，磷、铅、锑、铋、氧是钢中的杂质元素，在技术条件允许情况下应尽可能降低其含量，通过研究获得，磷≤0.015％，Pb≤0.002％，As≤0.04％，Sn≤0.005％，Sb≤0.004％，Ca≤0.0010％。

上述耐热合金渗碳钢的具体制备方法如下：

第一步，冶炼：电弧炉(或转炉)冶炼－钢包精炼－连铸浇注：

在20～250吨的电弧炉(或转炉)中进行钢液初炼；相应吨位的钢包精炼；连铸浇注；生产出化学成分符合规定的一定尺寸的钢坯。

①初冶炼：初炼炉采用电弧炉或转炉。初炼炉出钢钢水达到：[P]≤0.025％，[C]≥0.05％，T≥1620℃开始出钢。出钢1/3时加入铬铁、铝铁，初炼炉为转炉时，出钢添加Cu合金控制Cu到0.10-0.20％。

②钢包精炼炉：

钢包精炼采用石灰+萤石+合成渣，通电3min后分三批加入，采用碳粉和碳化硅搅拌均匀后进行渣面扩散脱氧，渣变为黄白色并保持5～10min，真空脱气前喂氮化铬丝(调整氮含量130-180ppm)，喂铝丝补铝至0.015～0.030％(根据真空的装备不同，会有不同的Al损量)。进真空脱气前，喂硫线配至S含量为0.015～0.030％(以每百米硫线增加0.011％S为计算值)。进真空脱气前温度根据钢种情况加热到合适值，必须保证真空过程降温、软吹氩过程降温量及连铸过程降温，真空后不再重复加热。真空脱气，在≤0.26Kpa下保持≥10min，真空处理总时间≥25min。

③浇注：浇注模注钢锭，单只钢锭以2.3～3.7吨为宜。

第二步：热加工：锻造开坯、轧制棒材和球化退火；

①锻造开坯：加热前检查钢锭表面翻皮、裂纹等缺陷，不允许有高度和深度超过5mm的夹杂、冷溅、凹坑、凸块、结疤、皱纹等缺陷；加热炉在450～600℃温度待料，钢锭装炉后保温100-150min，以≤2℃/min的升温速度升至700～760℃保温100～160min，以≤1.9℃/min的升温速度升至1200～1220℃保温900～1100min。压把，钢锭镦粗前的钳把尺寸应与镦粗漏盘孔径相匹配，并保证钳把不偏心。开锻温度1100-1180℃。为避免镦粗过程中产生钳压把铆镦现象，镦粗前钳把压出长度应比漏盘高度短150～200mm为宜。切除钢锭冒口端，钢锭尾部切除≥2％，终锻温度850-880℃。

②轧制棒材：将锻造的方坯加热至1160～1200℃并保持加热时间80分钟～120分钟，方坯料阴阳面温差≤40℃钢坯出炉，使锻坯加热均匀并再将方钢坯热加工轧制至成品棒材或线材，棒材和线材退火；终轧温度760～810℃，轧后及时缓冷或退火。

③球化退火：400～500℃进炉保温40min～60min，以30～50℃/h升温到680～700℃保温4小时，随炉冷却至550～450℃出炉

碳化物控制关键技术：首先，把钢锭以一定的升温速度加热到高于Acm温度、充分奥氏体化，即在1200～1220℃保温900～1100min。锻造之目的除了保证最终尺寸以外更重要的是使细化碳化物。

第三步：冷加工：棒材拉拔成表面光亮棒材。

棒材或线材经拉拔机组冷拔至相应规格尺寸，表面精度达到H11级。

本发明的各实施例见表1：

表2为表1中各实施例的各项性能指标：

表2

备注：

①力学性能的处理工艺为：840℃～870℃油淬+170℃～210℃回火；

②交货硬度：钢材经球化退火处理(球化处理工艺：400～500℃进炉保温40min～60min，以30～50℃/h升温到680～700℃保温4小时，随炉冷却至550～450℃出炉)测试交货硬度；

③奥氏体晶粒度，热处理工艺：830～860℃保温45min～60min，油冷。

本发明生产的合金渗碳钢棒材经某制造企业加工成针阀体偶件、凸轮轴、活塞等零件后，经实际考验能耐300-500℃工作温度，而且使用寿命长。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种耐300-500℃工作温度、晶粒细小、纯洁度高、强韧性性能优良的耐热合金渗碳钢，其特征在于，以重量百分比计为：

碳：0.16～0.22％；

硅：0.09≤0.15％；

锰：0.30≤0.60％；

铜：0.10～0.25％；

铬：1.80～1.90％；

镍：1.80～1.90％；

钼：0.50～1.10％；

硫：0.015～0.030％；

磷：≤0.015％；

铝：0.010～0.025％；

氮：0.013～0.018％；

铌：0.020-0.040％；

氢：≤0.00015％；

氧：≤0.0012％；

其余为Fe及杂质元素；

且，Mn/S＝20～40，Al/N＝1.1～1.4，

所述耐热合金渗碳钢通过以下方法制备而成：

冶炼步骤：依次为初冶炼、钢包精炼、连铸浇注；

热加工步骤：依次为锻造开坯、轧制棒材、球化退火；

冷加工步骤：将棒材拉拔成表面光亮棒材，

其中，所述的锻造开坯采用加热炉在450～600℃温度待料，钢锭装炉后保温100～150min，以≤2℃/min的升温速度升至700～760℃保温100～160min，以≤1.9℃/min的升温速度升至1200～1220℃保温900～1100min；开锻温度为1100～1180℃；终锻温度为850～880℃。

2.如权利要求1所述的耐热合金渗碳钢，其特征在于：所述的杂质元素中：Pb≤0.002％，As≤0.04％，Sn≤0.005％，Sb≤0.004％，Ca≤0.0010％。

3.一种用于如权利要求1或2所述的耐热合金渗碳钢的制备方法，其特征在于，包括：

冶炼步骤：依次为初冶炼、钢包精炼、连铸浇注；

热加工步骤：依次为锻造开坯、轧制棒材、球化退火；

冷加工步骤：将棒材拉拔成表面光亮棒材，

其中，所述的锻造开坯采用加热炉在450～600℃温度待料，钢锭装炉后保温100～150min，以≤2℃/min的升温速度升至700～760℃保温100～160min，以≤1.9℃/min的升温速度升至1200～1220℃保温900～1100min；开锻温度为1100～1180℃；终锻温度为850～880℃。

4.如权利要求3所述的耐热合金渗碳钢的制备方法，其特征在于：所述的初冶炼采用电弧炉或转炉，当温度≥1620℃开始出钢，出钢钢水达到P≤0.025％，C≥0.05％，出钢1/3时加入铬铁、铝铁，且当采用转炉时，出钢时添加Cu合金以控制Cu到0.10-0.20％。

5.如权利要求3所述的耐热合金渗碳钢的制备方法，其特征在于：所述的钢包精炼采用石灰、萤石和合成渣，通电3min后分三批加入，采用碳粉和碳化硅搅拌均匀后进行渣面扩散脱氧，渣变为黄白色并保持5～10min，真空脱气前喂氮化铬丝，以调整氮含量至130-180ppm，喂铝丝补铝至0.015～0.030％；进真空脱气前，喂硫线配至S含量为0.015～0.030％；真空脱气在≤0.26Kpa下保持≥10min，真空脱气处理总时间≥25min。

6.如权利要求3中的耐热合金渗碳钢的制备方法，其特征在于：所述的轧制棒材为将锻造后的方坯加热至1160～1200℃并保持加热时间80～120分钟，方坯料阴阳面温差≤40℃钢坯出炉，使锻坯加热均匀并再将方钢坯热加工轧制至成品棒材或线材，终轧温度为760～810℃，轧后缓冷或退火。

7.如权利要求3中的耐热合金渗碳钢的制备方法，其特征在于：所述的球化退火为在400～500℃进炉保温40min～60min，以30～50℃/h升温到680～700℃保温4小时，随炉冷却至550～450℃出炉。

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