CN102230131B - 一种38CrMoAl钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种38CrMoAl钢及其制备方法，属于合金钢技术领域。其是由以下按质量百分比的原料构成：25～30%的35CrMo钢屑、25～30%的42CrMo钢屑、38～43%的38CrMoAl钢屑、1.6～1.8%的金属铝、0.7～0.9%的中碳铬铁、0.3～0.5%的稀土硅铁、0.4～0.6%的含氮锰铁、0.015～0.025%的硼铁和0.030～0.040%的金属铋。优点：生产成本低,比普通方法生产38CrMoAl钢，吨钢成本降低800～1000元；钢中夹杂物少,组织纯净度高,且凝固组织细小，钢中合金元素偏析轻；加入硼铁合金化,可明显提高钢的淬透性；可以降低渗氮层的脆性，改善渗氮层的韧性，并提高渗氮层的耐磨性；导致其强度高，韧性好；表面硬度可达到1200～1250HV，比常用离子氮化38CrMoAl钢的使用寿命延长25～40%。
Description
技术领域
本发明为渗氮合金钢及其制备方法，具体涉及一种38CrMoAl钢及其制备方法，属于合金钢技术领域。
背景技术
38CrMoAl钢是典型的渗氮钢，其材料成分为0.35-0.42%C，0.30-0.60%Mn，0.20～0.45%Si，1.35-1.65%Cr，0.15-0.25%Mo，0.70-1.10%Al，≤0.035%S，≤0.035%P，≤0.030%Ni，≤0.030%Cu。38CrMoAl经调质处理后进行离子氮化处理，调质处理工艺为淬火温度930℃-950℃，水冷或油冷；回火温度为600-680℃，水冷或油冷。其调质处理后的抗拉强度σ
b
≥980 MPa，屈服强度σ
s
≥835 MPa，伸长率δ
5
≥14％，断面收缩率ψ≥50％，冲击功A
kv
≥71 J，冲击韧性值α
kv
≥88 J/cm2，硬度≤229HB。离子氮化处理后的表面硬度可达到1100-1200HV，而且具有高的热稳定性、高的耐磨性和高的疲劳强度。
为了改善38CrMoAl钢的性能，中国发明专利申请CN101705932A公开了一种无油润滑气体压缩机用活塞杆，其材料为38CrMoAl，先用锻造方法加工出活塞杆毛坯，再进行粗加工；粗加工后进行调质处理，淬火温度为800℃～900℃，回火温度550℃～650℃；调质处理后，再进行半精加工，半精加工后进行消除应力的退火处理，退火温度为550℃～650℃；退火处理后，进行精加工，再对工作表面进行离子氮化，氮化温度为550℃～650℃，氮化层厚度为0.1～0.3mm；离子氮化后，最后对工作表面进行抛光或超精磨加工，加工出成品；上述的活塞杆具有耐磨性好、可靠性高、寿命长的特点，适用于无油润滑气体压缩机和斯特林发动机用。
中国发明专利申请CN101069945A公开了缝纫机旋梭耐磨件的加工方法，旋梭采用38CrMoAl材料经锻造、粗加工、精加工后，放入热处理炉内，采用等温氮化，温度控制在480℃-520℃之间，在设定氨分解率18-25％的情况下，保温15小时，继续在设定氨分解率30-40％的情况下，保温30小时，停止供氨4小时保温后，随炉冷却至180℃-200℃出炉。改进后的加工方法对旋梭的抗磨能力的提高有一定的实用性和可靠性，并减少了镀硬铬工艺，从而大大提高了自身的经济效益和社会效益。
中国发明专利申请CN101028721A公开了一种应用于地板开槽设备上的整体导轨，具有一体结构，在一侧面上具有纵向的长的导槽，在与导槽相对的另一侧面上设置有用于减少导轨制造过程变形的纵向的至少一个工艺缺口；整体导轨由合金钢38CrMoAl制成，导轨整体经氮化处理、工作面表面硬度HRC55-75；工艺缺口的总的截面积与导槽的截面积相等或相当。本发明的整体导轨的加工方便、材料消耗少、精度高、机械性能好和使用寿命长，需要较长尺寸时可分段加工制造，再组装成一长根导轨。
中国发明专利申请CN1563748A公开了一种混凝土输送泵缸筒制备工艺，其特征是所述混凝土输送泵缸筒采用38CrMoAl合金钢作为金属基体材料，该材料的强度、耐磨性和抗腐蚀能力均优于原来一般采用的45#钢。先将38CrMoAl合金钢铸造成混凝土输送泵缸筒筒体，然后将缸筒筒体内表面给予中频处理，最后将整个缸筒的表面给予表面氮化处理，使该表面氮化处理的氮化深度≥0.35mm通过上述工艺制备的缸筒，不仅缸筒整体的强度和耐磨性大大提高，而且缸筒的内表面硬度可达HV1100以上。
中国发明专利申请CN101526030A还公开了一种重型发动机的惰齿轮，选择生产材料为38CrMoAl，其生产方法为：齿坯粗加工→调质→齿坯精加工→齿形加工→氮化→压衬套→车衬套→防锈处理。通过改变材质进行调质处理加强机体硬度，提高齿轮的综合机械性能；选择的38CrMoAl材质是易氮化钢，强度好、硬度高、耐磨性显著提高，通过上述工艺消除了齿面点蚀和断齿现象，提高了齿面的耐磨性和使用寿命，提高了发动机的整机性能，满足欧III排放与噪音要求标准。
但是，上述38CrMoAl钢生产过程中，均需加入价格昂贵的钼铁和铬铁合金，导致钢的生产成本增加。此外38CrMoAl钢生产中常采用电弧炉冶炼，环境污染严重。
发明内容
本发明是针对已有技术中的38CrMoAl钢生产中存在的问题，在38CrMoAl钢生产中，用碱性工频感应电炉熔炼，合金元素的补充采用35CrMo钢屑、42CrMo钢屑和38CrMoAl钢屑。为了改善38CrMoAl钢的淬透性，还加入少量硼元素，为了提高38CrMoAl钢渗氮层的深度，在钢中还加入少量稀土元素。加入微量铋可以降低渗氮层的脆性，改善渗氮层的韧性，并提高其耐磨性。
本发明的目的通过以下措施来达到：
一种38CrMoAl钢，其是由以下按质量百分比的原料构成：25～30%的35CrMo钢屑、25～30%的42CrMo钢屑、38～43%的38CrMoAl钢屑、1.6～1.8%的金属铝、0.7～0.9%的中碳铬铁、0.3～0.5%的稀土硅铁、0.4～0.6%的含氮锰铁、0.015～0.025%的硼铁和0.030～0.040%的金属铋。
本发明所述的35CrMo钢屑的化学元素重量%为：0.32～0.40%的C、0.17～0.37%的Si、0.40～0.70%的Mn、0.80～1.10%的Cr、0.15～0.25%的Mo、≤0.035%的S、≤0.035%的P、≤0.030%的Cu和≤0.030%的Ni，余量为Fe。
本发明所述的42CrMo钢屑的化学元素重量%为：0.38～0.45%的C、0.17～0.37%的Si、0.50～0.80%的Mn、0.90～1.20%的Cr、0.15～0.25%的Mo、≤0.035%的S、≤0.035%的P、≤0.030%的Cu和≤0.030%的Ni，余量为Fe。
本发明所述的38CrMoAl钢屑的化学元素重量%为：0.35-0.42%的C、0.30-0.60%的Mn、0.20～0.45%的Si、1.35-1.65%的Cr、0.15-0.25%的Mo、0.70-1.10%的Al、≤0.035%的S、≤0.035%的P、≤0.030%的Ni和≤0.030%的Cu、余量为Fe。
本发明所述的中碳铬铁的化学元素重量%为：60.0～63.0%的Cr、2.5～3.5%的C、≤2.5%的Si、≤0.04%的P和≤0.04%的S，余量为Fe。
本发明所述的稀土硅铁的化学元素重量%为：21.0～27.0%的RE、≤44.0%的Si、≤2.5%的Mn、≤5.0%的Ca和≤2.0%的Ti，余量为Fe。
本发明所述的含氮锰铁的化学元素重量%为：80～85%的Mn、0.1～0.5%的C、1.5～2.5%的N、≤2.0%的Si、≤0.030%的S和≤0.15%的P、余量为Fe。
本发明所述的硼铁的化学元素重量%为：17.0～19.0％的B、<0.5％的C和<3.5％的Si，余量为Fe。
本发明的另一目的通过以下措施来实现，一种38CrMoAl钢的制备方法，采用碱性感应电炉制备，其步骤是：
1）将35CrMo钢屑、42CrMo钢屑、38CrMoAl钢屑、金属铝、中碳铬铁、稀土硅铁、含氮锰铁、硼铁和金属铋分别按质量百分比25～30％、25～30％、38～43％、1.6～1.8％、0.7～0.9％、0.3～0.5％、0.4～0.6%、0.015～0.025%和0.030～0.040%混合于一体，并在压力机上压实成方块，然后将压实的方块放入感应电炉加热熔化，当钢水温度达到1620～1650℃时出炉；
2）钢水静置6～10min后，当钢水温度达到1480～1520℃时，在钢锭模内浇注成钢锭，钢锭模温度为180～250℃；
3）当钢锭凝固冷却至温度低于850℃时，从钢锭模内取出钢锭，将钢锭重新加热至1160～1180℃，保温4～6h，然后进行锻造加工，钢锭始锻温度1160～1180℃，终锻温度850～870℃，钢锭锻造后置于保温炉或缓冷坑缓慢冷却；
4）锻造缓冷后的38CrMoAl钢锭粗加工后，先加热至930～950℃，保温1～2h，水冷，然后再加热至620～650℃，保温4～6h，炉冷至温度低于150℃后出炉空冷至室温，最后精加工和表面离子氮化，得到38CrMoAl钢成品。
在本发明的一个具体的实施例中，步骤1）中所述的方块的尺寸为（150～250）mm×（150～250）mm×（150～250）mm。
本发明所提供的技术方案与已有技术相比具有以下优点：
1）本发明38CrMoAl钢以35CrMo钢屑、42CrMo钢屑、38CrMoAl钢屑为主要合金原料，不加价格昂贵的钼铁，铬铁加入量也较少，且采用感应电炉冶炼，因此38CrMoAl钢生产成本低廉，比普通方法生产38CrMoAl钢，吨钢成本降低800～1000元；
2）本发明38CrMoAl钢加入金属铝、稀土硅铁和含氮锰铁脱氧处理，因此钢中夹杂物少，组织纯净度高，且凝固组织细小，钢中合金元素偏析轻；
3）本发明38CrMoAl钢中，加入硼铁合金化，可明显提高钢的淬透性；
4）本发明38CrMoAl钢经金属铋微合金化处理，可以降低渗氮层的脆性，改善渗氮层的韧性，并提高渗氮层的耐磨性；
5）本发明38CrMoAl钢因组织细化、夹杂物减少以及硼、铋等微合金元素的综合作用，导致其强度高，韧性好，其中，抗拉强度σ
b
≥1000 MPa，屈服强度 σ
s
≥850 MPa，伸长率δ
5
≥14％，断面收缩率ψ≥50 ％，冲击韧性值 α
kv
≥90 J/cm
2
；
6）本发明38CrMoAl钢经离子氮化处理后的表面硬度可达到1200～1250HV，用于生产气缸套、齿轮、高压阀门、镗杆、蜗杆、磨床主轴等，比常用离子氮化38CrMoAl钢的使用寿命延长25～40%。
具体实施方式
实施例1：
在5吨碱性工频感应电炉内冶炼38CrMoAl钢，具体制备的步骤是：
1）按质量百分数比将25％的35CrMo钢屑、30％的42CrMo钢屑、41.745%的38CrMoAl钢屑、1.6％的金属铝、0.7％的中碳铬铁、0.3％的稀土硅铁、0.6%的含氮锰铁、0.025%的硼铁和0.030的金属铋混合于一体，并在压力机上压实成尺寸为（150～250）mm×（150～250）mm×（150～250）mm的方块，然后将压实的方块放入感应电炉加热熔化，当钢水温度达到1620℃时出炉；其中35CrMo钢屑的化学元素的重量%为：0.32～0.40%C、0.17～0.37%Si、0.40～0.70%Mn、0.80～1.10%Cr、0.15～0.25%Mo、≤0.035%S、≤0.035%P、≤0.030%Cu和≤0.030%Ni，余量为Fe，42CrMo钢屑的化学元素的重量%为：0.38～0.45%C、0.17～0.37%Si、0.50～0.80%Mn、0.90～1.20%Cr、0.15～0.25%Mo、≤0.035%S、≤0.035%P、≤0.030%Cu和≤0.030%Ni，余量为Fe，38CrMoAl钢屑的化学元素的重量%为：0.35-0.42%C、0.30-0.60%Mn、0.20～0.45%Si、1.35-1.65%Cr、0.15-0.25%Mo、0.70-1.10%Al、≤0.035%S、≤0.035%P、≤0.030%Ni和≤0.030%Cu，余量为Fe，中碳铬铁的化学元素的重量%为：60.0～63.0%Cr、2.5～3.5%C、≤2.5%Si、≤0.04%P和≤0.04%S，余量为Fe，稀土硅铁的化学元素的重量%为：21.0～27.0%RE、≤44.0%Si、≤2.5%Mn、≤5.0%Ca和≤2.0%Ti，余量为Fe，含氮锰铁的化学元素的重量%为：80～85%Mn、0.1～0.5%C、1.5～2.5%N、≤2.0%Si、≤0.030%S和≤0.15%P，余量为Fe，硼铁的化学元素的重量%为：17.0～19.0％B、<0.5％C和<3.5％Si，余量为Fe；
2）钢水静置6min后，当钢水温度达到1497℃时，在钢锭模内浇注成钢锭，钢锭模温度为185℃；
3）当钢锭凝固冷却至温度低于850℃时，从钢锭模内取出钢锭，将钢锭重新加热至1160℃，保温6h，然后进行锻造加工，钢锭始锻温度1160℃，终锻温度852℃，钢锭锻造后置于保温炉缓慢冷却；
4）锻造缓冷后的38CrMoAl钢锭粗加工后，先加热至950℃，保温1h，水冷，然后再加热至620℃，保温6h，炉冷至温度低于150℃后出炉空冷至室温，最后精加工和表面离子氮化，得到的38CrMoAl钢成品的机械性能见表1。
实施例2：
在5吨碱性工频感应电炉内冶炼38CrMoAl钢，具体制备步骤是：
1）按质量百分数比将30％的35CrMo钢屑、25％的42CrMo钢屑、41.345%的38CrMoAl钢屑、1.8％的金属铝、0.9％的中碳铬铁、0.5％的稀土硅铁、0.4%的含氮锰铁、0.015%的硼铁和0.040%的金属铋混合于一体，并在压力机上压实成尺寸为（150～250）mm×（150～250）mm×（150～250）mm的方块，然后将压实的方块放入感应电炉加热熔化，当钢水温度达到1649℃时出炉；其中35CrMo钢屑的化学元素的重量%为：0.32～0.40%C、0.17～0.37%Si、0.40～0.70%Mn、0.80～1.10%Cr、0.15～0.25%Mo、≤0.035%S、≤0.035%P、≤0.030%Cu和≤0.030%Ni，余量为Fe，42CrMo钢屑的化学元素的重量%为：0.38～0.45%C、0.17～0.37%Si、0.50～0.80%Mn、0.90～1.20%Cr、0.15～0.25%Mo、≤0.035%S、≤0.035%P、≤0.030%Cu和≤0.030%Ni，余量为Fe，38CrMoAl钢屑的化学元素的重量%为：0.35-0.42%C、0.30-0.60%Mn、0.20～0.45%Si、1.35-1.65%Cr、0.15-0.25%Mo、0.70-1.10%Al、≤0.035%S、≤0.035%P、≤0.030%Ni和≤0.030%Cu，余量为Fe，中碳铬铁的化学元素的重量%为：60.0～63.0%Cr、2.5～3.5%C、≤2.5%Si、≤0.04%P和≤0.04%S，余量为Fe，稀土硅铁的化学元素的重量%为：21.0～27.0%RE、≤44.0%Si、≤2.5%Mn、≤5.0%Ca和≤2.0%Ti，余量为Fe，含氮锰铁的化学元素的重量%为：80～85%Mn、0.1～0.5%C、1.5～2.5%N、≤2.0%Si、≤0.030%S和≤0.15%P，余量为Fe，硼铁的化学元素的重量%为：17.0～19.0％B、<0.5％C和<3.5％Si，余量为Fe；
2）钢水静置10min后，当钢水温度达到1512℃时，在钢锭模内浇注成钢锭，钢锭模温度为240℃；
3）当钢锭凝固冷却至温度低于850℃时，从钢锭模内取出钢锭，将钢锭重新加热至1180℃，保温4h，然后进行锻造加工，钢锭始锻温度1180℃，终锻温度865℃，钢锭锻造后置于缓冷坑缓慢冷却；
4）锻造缓冷后的38CrMoAl钢锭粗加工后，先加热至930℃，保温2h，水冷，然后再加热至650℃，保温4h，炉冷至温度低于150℃后出炉空冷至室温，最后精加工和表面离子氮化。得到38CrMoAl钢成品的机械性能见表1。
实施例3：
在10吨碱性工频感应电炉内冶炼38CrMoAl钢，具体制备步骤是：
1）按质量百分数比将29%的35CrMo钢屑、29.545%的42CrMo钢屑、38%的38CrMoAl钢屑、1.7％的金属铝、0.8％的中碳铬铁、0.4％的稀土硅铁、0.5%的含氮锰铁、0.020%的硼铁和0.035%的金属铋混合于一体，并在压力机上压实成尺寸为（150～250）mm×（150～250）mm×（150～250）mm的方块，然后将压实的方块放入感应电炉加热熔化，当钢水温度达到1637℃时出炉；其中35CrMo钢屑的化学元素的重量%为：0.32～0.40%C、0.17～0.37%Si、0.40～0.70%Mn、0.80～1.10%Cr、0.15～0.25%Mo、≤0.035%S、≤0.035%P、≤0.030%Cu和≤0.030%Ni，余量为Fe，42CrMo钢屑的化学元素的重量%为：0.38～0.45%C、0.17～0.37%Si、0.50～0.80%Mn、0.90～1.20%Cr、0.15～0.25%Mo、≤0.035%S、≤0.035%P、≤0.030%Cu和≤0.030%Ni，余量为Fe，38CrMoAl钢屑的化学元素的重量%为：0.35-0.42%C、0.30-0.60%Mn、0.20～0.45%Si、1.35-1.65%Cr、0.15-0.25%Mo、0.70-1.10%Al、≤0.035%S、≤0.035%P、≤0.030%Ni和≤0.030%Cu，余量为Fe，中碳铬铁的化学元素的重量%为：60.0～63.0%Cr、2.5～3.5%C、≤2.5%Si、≤0.04%P和≤0.04%S，余量为Fe，稀土硅铁的化学元素的重量%为：21.0～27.0%RE、≤44.0%Si、≤2.5%Mn、≤5.0%Ca和≤2.0%Ti，余量为Fe，含氮锰铁的化学元素的重量%为：80～85%Mn、0.1～0.5%C、1.5～2.5%N、≤2.0%Si、≤0.030%S和≤0.15%P，余量为Fe，硼铁的化学元素的重量%为：17.0～19.0％B、<0.5％C和<3.5％Si，余量为Fe；
2）钢水静置8min后，当钢水温度达到1495℃时，在钢锭模内浇注成钢锭，钢锭模温度为200℃；
3）当钢锭凝固冷却至温度低于850℃时，从钢锭模内取出钢锭，将钢锭重新加热至1170℃，保温5h，然后进行锻造加工，钢锭始锻温度1170℃，终锻温度860℃，钢锭锻造后置于缓冷坑缓慢冷却；
4）锻造缓冷后的38CrMoAl钢锭粗加工后，先加热至940℃，保温1.5h，水冷，然后再加热至640℃，保温5h，炉冷至温度低于150℃后出炉空冷至室温，最后精加工和表面离子氮化。得到的38CrMoAl钢成品的机械性能见表1。
表1为本发明的实施例1至3得到的 38CrMoAl钢的机械性能
本发明38CrMoAl钢具有强度高、韧性好等特点，经离子氮化处理后的表面硬度可达到1200～1250HV，用于生产气缸套、齿轮、高压阀门、镗杆、蜗杆、磨床主轴等，具有使用安全，使用中无断裂、剥落现象出现，使用寿命比常用离子氮化38CrMoAl钢产品延长25～40%。且本发明38CrMoAl钢以35CrMo钢屑、42CrMo钢屑、38CrMoAl钢屑为主要合金原料，不加价格昂贵的钼铁，铬铁加入量也较少，生产成本低廉，比普通方法生产38CrMoAl钢，吨钢成本降低800～1000元，推广应用本发明38CrMoAl钢具有良好的经济和社会效益。
Claims (3)
1.一种38CrMoAl钢，其特征在于其是由以下按质量百分比的原料构成：25～30%的35CrMo钢屑、25～30%的42CrMo钢屑、38～43%的38CrMoAl钢屑、1.6～1.8%的金属铝、0.7～0.9%的中碳铬铁、0.3～0.5%的稀土硅铁、0.4～0.6%的含氮锰铁、0.015～0.025%的硼铁和0.030～0.040%的金属铋，所述的35CrMo钢屑的化学元素重量%为：0.32～0.40%的C、0.17～0.37%的Si、0.40～0.70%的Mn、0.80～1.10%的Cr、0.15～0.25%的Mo、≤0.035%的S、≤0.035%的P、≤0.030%的Cu和≤0.030%的Ni，余量为Fe，所述的42CrMo钢屑的化学元素重量%为：0.38～0.45%的C、0.17～0.37%的Si、0.50～0.80%的Mn、0.90～1.20%的Cr、0.15～0.25%的Mo、≤0.035%的S、≤0.035%的P、≤0.030%的Cu和≤0.030%的Ni，余量为Fe，所述的38CrMoAl钢屑的化学元素重量%为：0.35-0.42%的C、0.30-0.60%的Mn、0.20～0.45%的Si、1.35-1.65%的Cr、0.15-0.25%的Mo、0.70-1.10%的Al、≤0.035%的S、≤0.035%的P、≤0.030%的Ni和≤0.030%的Cu、余量为Fe，所述的中碳铬铁的化学元素重量%为：60.0～63.0%的Cr、2.5～3.5%的C、≤2.5%的Si、≤0.04%的P和≤0.04%的S，余量为Fe，所述的稀土硅铁的化学元素重量%为：21.0～27.0%的RE、≤44.0%的Si、≤2.5%的Mn、≤5.0%的Ca和≤2.0%的Ti，余量为Fe，所述的含氮锰铁的化学元素重量%为：80～85%的Mn、0.1～0.5%的C、1.5～2.5%的N、≤2.0%的Si、≤0.030%的S和≤0.15%的P、余量为Fe，所述的硼铁的化学元素重量%为：17.0～19.0％的B、<0.5％的C和<3.5％的Si，余量为Fe。
2.一种如权利要求1所述的一种38CrMoAl钢的制备方法，采用碱性感应电炉制备，其特征在于其步骤是：
1）将35CrMo钢屑、42CrMo钢屑、38CrMoAl钢屑、金属铝、中碳铬铁、稀土硅铁、含氮锰铁、硼铁和金属铋分别按质量百分比25～30％、25～30％、38～43％、1.6～1.8％、0.7～0.9％、0.3～0.5％、0.4～0.6%、0.015～0.025%和0.030～0.040%混合于一体，并在压力机上压实成方块，然后将压实的方块放入感应电炉加热熔化，当钢水温度达到1620～1650℃时出炉；
2）钢水静置6～10min后，当钢水温度达到1480～1520℃时，在钢锭模内浇注成钢锭，钢锭模温度为180～250℃；
3）当钢锭凝固冷却至温度低于850℃时，从钢锭模内取出钢锭，将钢锭重新加热至1160～1180℃，保温4～6h，然后进行锻造加工，钢锭始锻温度1160～1180℃，终锻温度850～870℃，钢锭锻造后置于保温炉或缓冷坑缓慢冷却；
4）锻造缓冷后的38CrMoAl钢锭粗加工后，先加热至930～950℃，保温1～2h，水冷，然后再加热至620～650℃，保温4～6h，炉冷至温度低于150℃后出炉空冷至室温，最后精加工和表面离子氮化，得到38CrMoAl钢成品。
3.根据权利要求2所述的一种38CrMoAl钢的制备方法，其特征在于步骤1）中所述的方块的尺寸为（150～250）mm×（150～250）mm×（150～250）mm。
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