CN100497708C - 一种低合金超高强度钢及其热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
一种低合金超高强度马氏体钢，其特征在于成分范围如下，质量百分比：C0.3～0.6、Mn0.8～2.0、Si0.1～0.4、Cr0.8～2.0、Mo0.1～0.4、Al1.0～2.5、S＜0.01、P＜0.01、Fe余量。采用淬火+低温回火后，进行稳定化时效处理的工艺。本发明低合金超高强度钢可以通过简单的热处理，使得它具有超高的强度和一定的韧塑性，因而具备较低的成本。
Description
技术领域：
本发明涉及金属材料，特别提供了可用于制作各种精密轴承零件和有超高强度要求的结构件的金属材料。
技术背景：
为了满足用户应用的需要，要求开发一种新型的低成本、高强度低合金钢。其指标要求材料的抗拉强度在2000MPa以上，并且要求具有良好的机加工性能和一定的韧塑性。一些硬质合金材料具有较高的硬度，但却由于制备的过程中不可避免地出现大量孔隙，而使得材料的韧塑性和机加工性能极差，不能满足要求。典型的超高强度结构钢有中碳钢40CrNiMo和40CrNiMoA，典型40CrNiMo钢的化学成分(质量百分比)：
有资料表明这种材料在经过热处理后抗拉强度可达到2000MPa左右。但经发明人研究后发现，40CrNiMo和40CrNiMoA在经(淬火+低温回火)热处理后的抗拉强度不经液氮深冷处理时不能达到2000MPa，因此其性能不能满足应用的要求。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种新的低成本的低合金超高强度钢，该种低合金超高强度钢可以通过简单的热处理，使得它具有超高的强度和一定的韧塑性，因而具备较低的成本。
本发明具体提供了一种低合金超高强度马氏体钢，其特征在于成分范围如下，质量百分比：C 0.3～0.6、Mn 0.8～2.0、Si 0.1～0.4、Cr 0.8～2.0、Mo 0.1～0.4、Al 1.0～2.5、S<0.01、P<0.01、Fe余量。
本发明还提供了上述低合金超高强度马氏体钢的热处理方法，其特征在于采用淬火+低温回火后，进行稳定化时效处理的工艺，其中：
淬火温度：850～1000℃
回火温度：150～350℃ 回火时间：1～2h
时效温度：100～180℃ 时效时间：5～15h
本发明的发明人通过对40CrNiMo钢的前期研究发现，由于Ni元素在钢中是强烈的奥氏体形成元素，会增加热处理后钢中的残余奥氏体含量，使得材料的强度在一定程度上有所降低。因此在新材料的成分设计中没有添加Ni元素。但是众所周知，一定含量的Al元素能很好地改善材料的韧性，因此为了减小材料的过热倾向，并细化晶粒，提高材料的韧性，在钢中增加了Al的含量。
通常情况下超高强度结构钢被用作精密的轴承材料，因而要求具有较高的尺寸稳定性，而导致材料出尺寸出现波动的因素主要是组织中的残余奥氏体含量和残余应力。因为残余奥氏体在材料中是不稳定的组织，在随后的使用过程中可能转变成马氏体，造成材料的体积膨胀，使材料的尺寸发生变化。残余应力在使用过程会释放，从而会导致材料尺寸发生微小变化。因此传统的精密轴承材料的热处理方法一般是：淬火+深冷处理+低温回火+稳定化时效(120～150℃保温5～15h)。其中深冷处理安排在材料淬火之后，用来消除淬火残留下来的奥氏体。稳定化时效有两个作用，一是进一步稳定组织，二就是释放残余应力，稳定材料的尺寸。
通过对本发明材料的热处理方法进行研究发现，深冷处理没有改变本材料的力学性能，表明材料具有良好的淬透性和较高的临界冷却速率。这种新型材料由于具有较好的淬透性，经水淬后没有发生开裂，能获得全部的马氏体组织，残余奥氏体含量极低，以至于深冷处理对材料在减少残余奥氏体含量上没有作用。因此本发明材料的热处理工艺中可省去深冷处理，这样材料不必进行深冷处理也能获得较好的性能，省去了传统材料在热处理时要求进行液氮深冷处理的工艺要求。
附图说明：
图1为材料的良好的塑性变形能力；
图2为材料的弯曲断裂照片。
具体实施方式：
实施例1
材料采用真空感应炉进行纯净化冶炼，材料成分为C 0.35、Mn 2.0、Si 0.4、Cr 2.0、Mo 0.4、Al 2.0、S 0.005、P 0.008、Fe余量。对铸锭锻造后进行热处理，采用淬火+低温回火，再进行稳定化时效处理的工艺，淬火温度850℃，淬火介质为水，回火温度150℃，回火时间1.5h，时效温度100℃，时效时间5h。热处理后的拉伸性能σb＝2018MPa，σs＝1780MPa，δ(％)＝10.2，φ(％)＝48.3，冲击功αk＝30J。在具有高强度的同时，材料在弯曲到接近120度角时才发生断裂(如图1、2所示)，说明材料还具有良好的塑性。将铸锭锻成各种规格的棒材，锻造过程表明，材料具有良好的可锻性，可获得较高的锻造质量，为锻后材料的性能提供了保障。锻造后的材料进行600℃退火处理，退火后的硬度为HRC 30～34，可以保证很好的机加工性能。
实施例2
材料采用真空感应炉进行纯净化冶炼，材料成分为C 0.40、Mn 1.5、Si 0.27、Cr 1.5、Mo 0.33、Al 1.8、S 0.003、P 0.0021、Fe余量。对锻态试样进行热处理，采用淬火+低温回火，再进行稳定化时效处理的工艺，淬火温度880℃，淬火介质为水，回火温度200℃，回火时间2h，时效温度120℃，时效时间5h。热处理后的拉伸性能σb＝2120.3MPa，σs＝1856MPa，δ(％)＝10.8，φ(％)＝47.4，冲击功αk＝22J。。将铸锭锻成各种规格的棒材，锻造过程表明，材料具有良好的可锻性，可获得较高的锻造质量，为锻后材料的性能提供了保障。锻造后的材料进行600℃退火处理，退火后的硬度为HRC36～37，可以保证很好的机加工性能。
实施例3
材料采用真空感应炉进行纯净化冶炼，材料成分为C 0.45、Mn 1.2、Si 0.3、Cr 0.79、Mo 0.25、Al 1.5、S 0.0031、P 0.0022、Fe余量。对锻态试样进行热处理，采用淬火+低温回火，再进行稳定化时效处理的工艺，淬火温度900℃，淬火介质为油，回火温度250℃，回火时间1.5h，时效温度150℃，时效时间5h。热处理后的拉伸性能σb＝2017MPa，σs＝1774MPa，δ(％)＝9.8，φ(％)＝42.4，冲击功αk＝24J。。将铸锭锻成各种规格的棒材，锻造过程表明，材料具有良好的可锻性，可获得较高的锻造质量，为锻后材料的性能提供了保障。锻造后的材料进行600℃退火处理，退火后的硬度为HRC36～37，可以保证很好的机加工性能。
实施例4
材料采用真空感应炉进行纯净化冶炼，材料成分为C 0.54、Mn 0.97、Si 0.32、Cr 1.08、Mo 0.23、Al 1.23、S 0.0033、P 0.0018、Fe余量。对锻态试样进行热处理，采用淬火+液氮深冷2h+低温回火，再进行稳定化时效处理的工艺，淬火温度850℃，淬火介质为油，回火温度200℃，回火时间2h，时效温度180℃，时效时间5h。热处理后的拉伸性能σb＝2139MPa，σs＝1850MPa，δ(％)＝9.2，φ(％)＝47.3，冲击功αk＝22J。。将铸锭锻成各种规格的棒材，锻造过程表明，材料具有良好的可锻性，可获得较高的锻造质量，为锻后材料的性能提供了保障。锻造后的材料进行600℃退火处理，退火后的硬度为HRC36～37，可以保证很好的机加工性能。
实施例5
材料采用真空感应炉进行纯净化冶炼，材料成分为C 0.54、Mn 0.97、Si 0.32、Cr 1.08、Mo 0.23、Al 1.23、S 0.0033、P 0.0018、Fe余量(与实施例4中成分相同)。对锻态试样进行热处理，.采用淬火+低温回火，不进行液氮深冷处理，再进行稳定化时效处理的工艺，淬火温度850℃，淬火介质为油，回火温度200℃，回火时间2h，时效温度180℃，时效时间5h。热处理后的拉伸性能σb＝2132.3MPa，σs＝1846MPa，δ(％)＝10.8，φ(％)＝47.4，冲击功αk＝23J。。将铸锭锻成各种规格的棒材，锻造过程表明，材料具有良好的可锻性，可获得较高的锻造质量，为锻后材料的性能提供了保障。锻造后的材料进行600℃退火处理，退火后的硬度为HRC36～37，可以保证很好的机加工性能
实施例6
材料采用真空感应炉进行纯净化冶炼，材料成分为C 0.57、Mn 0.8、Si 0.1、Cr 1.0、Mo 0.15、Al 1.6、S 0.0021、P 0.0022、Fe余量。对锻态试样进行热处理，采用淬火+低温回火，再进行稳定化时效处理的工艺，淬火温度850℃，淬火介质为油，回火温度200℃，回火时间1h，时效温度120℃，时效时间5h。热处理后的拉伸性能σb＝2143.9MPa，σs＝1888MPa，δ(％)＝9.6，φ(％)＝47.8，冲击功αk＝23J。。将铸锭锻成各种规格的棒材，锻造过程表明，材料具有良好的可锻性，可获得较高的锻造质量，为锻后材料的性能提供了保障。锻造后的材料进行600℃退火处理，退火后的硬度为HRC36～37，可以保证很好的机加工性能。
实施例7
材料采用真空感应炉进行纯净化冶炼，材料成分为C 0.48、Mn 1.48、Si 0.12、Cr 0.97、Mo 0.34、Al 1.2、S 0.0031、P 0.0021、Fe余量。对锻态试样进行热处理，采用淬火+低温回火，再进行稳定化时效处理的工艺，淬火温度925℃，淬火介质为水，回火温度250℃，回火时间1.5h，时效温度120℃，时效时间5h。热处理后的拉伸性能σb＝2065.3MPa，σs＝1770MPa，δ(％)＝9.2，φ(％)＝46.0，冲击功αk＝20J。将铸锭锻成各种规格的棒材，锻造过程表明，材料具有良好的可锻性，可获得较高的锻造质量，为锻后材料的性能提供了保障。锻造后的材料进行600℃退火处理，退火后的硬度为HRC34～37，可以保证很好的机加工性能。
实施例8
材料采用真空感应炉进行纯净化冶炼，材料成分为C 0.44、Mn 1.3、Si 0.24、Cr 1.4、Mo 0.3、Al 1.65、S 0.0030、P 0.0012、Fe余量。对锻态试样进行热处理，采用淬火+低温回火，再进行稳定化时效处理的工艺，淬火温度950℃，淬火介质为油，回火温度300℃，回火时间1.5h，时效温度180℃，时效时间5h。热处理后的拉伸性能σb＝2005MPa，σs＝1730MPa，δ(％)＝10.2，φ(％)＝49.3，冲击功αk＝24J。。将铸锭锻成各种规格的棒材，锻造过程表明，材料具有良好的可锻性，可获得较高的锻造质量，为锻后材料的性能提供了保障。锻造后的材料进行600℃退火处理，退火后的硬度为HRC31～35，可以保证很好的机加工性能。
实施例9
材料采用真空感应炉进行纯净化冶炼，材料成分为C 0.45、Mn 1.5、Si 0.34、Cr 1.40、Mo 0.28、Al 1.7、S 0.0037、P 0.0023、Fe余量。对锻态试样进行热处理，采用淬火+低温回火，再进行稳定化时效处理的工艺，淬火温度950℃，淬火介质为油，回火温度350℃，回火时间1.5h，时效温度180℃，时效时间5h。热处理后的拉伸性能σb＝2004MPa，σs＝1740MPa，δ(％)＝9.0，φ(％)＝42.4，冲击功αk＝15J。将铸锭锻成各种规格的棒材，锻造过程表明，材料具有良好的可锻性，可获得较高的锻造质量，为锻后材料的性能提供了保障。锻造后的材料进行600℃退火处理，退火后的硬度为HRC31～35，可以保证很好的机加工性能。
实施例10
材料采用真空感应炉进行纯净化冶炼，材料成分为C 0.3、Mn 0.8、Si 0.12、Cr 0.83、Mo 0.13、Al 1.2、S 0.0020、P 0.0017、Fe余量。对锻态试样进行热处理，采用淬火+低温回火，再进行稳定化时效处理的工艺，淬火温度850℃，淬火介质为水，回火温度200℃，回火时间1.5h，时效温度120℃，时效时间5h。热处理后的拉伸性能σb＝2008MPa，σs＝1783MPa，δ(％)＝11.2，φ(％)＝48.5，冲击功αk＝25J。将铸锭锻成各种规格的棒材，锻造过程表明，材料具有良好的可锻性，可获得较高的锻造质量，为锻后材料的性能提供了保障。锻造后的材料进行600℃退火处理，退火后的硬度为HRC30～35，可以保证很好的机加工性能。
Claims (2)
1、一种低合金超高强度马氏体钢，其特征在于成分范围如下，质量百分比：C0.3～0.6、Mn0.8～2.0、Si0.1～0.4、Cr0.8～2.0、Mo0.1～0.4、Al1.0～2.5、S<0.01、P<0.01、Fe余量。
2、一种权利要求1所述低合金超高强度马氏体钢的热处理方法，其特征在于采用淬火+低温回火后，进行稳定化时效处理的工艺，其中：
淬火温度：850～950℃
回火温度：150～350℃ 回火时间：1～2h
时效温度：100～180℃ 时效时间：5～15h
权利要求1所述超高强度马氏体钢用于制作精密轴承。
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Granted publication date: 20090610 Termination date: 20120526 |