CN102471854A - 利用混合硬化对马氏体钢进行的低温处理 - Google Patents

利用混合硬化对马氏体钢进行的低温处理 Download PDF

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Abstract

本发明涉及马氏体钢的制造方法，马氏体钢包括其它金属含量从而使得钢可以由金属间化合物和碳化物析出而得到硬化，其中，Al含量在0.4％和3％之间，该热处理方法包括如下步骤：(a)将钢整体加热到奥氏体化温度以上；(b)将所述钢冷却至大约环境温度；(c)将所述钢放入低温介质中。温度T1基本上低于马氏体相变温度Mf，当钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度时在温度T1将所述钢保持在所述低温介质中的时间t至少等于非零的时间t1，以℃为单位的温度T1和以小时为单位的时间t1基本上由等式T1＝f(t1)联系在一起，函数f对t的一阶导数f′(t)为正，f对t的二阶导数f″(t)为负。

Description

利用混合硬化对马氏体钢进行的低温处理
技术领域
本发明涉及马氏体钢的制造方法，马氏体钢包括其它金属含量从而使得钢可以由金属间化合物和碳化物析出而得到硬化，其中，Al含量在0.4％和3％之间，马氏体相变温度Mf在0℃以下，该热处理方法包括如下步骤：
(a)将钢整体加热到奥氏体化温度AC3以上；
(b)将所述钢冷却至大约环境温度；
(c)将所述钢放入任意低温介质中。
背景技术
对于特定应用，尤其是涡轮机传动轴，需要使用直至400℃都具有非常高机械强度(屈服强度和断裂负荷)且同时对脆性断裂(高刚性和韧性)具有良好抗性的钢。这些钢具有良好的疲劳行为。
在文献FR 2,885,142中如下地给出了对这种钢的组分(重量百分比)的描述：0.18至0.3％的C、5至7％的Co、2至5％的Cr、1至2％的Al、1至4％的Mo+W/2、微量至0.3％的V、微量至0.1％的Nb、微量至50ppm的B、10.5至15％的Ni其中Ni≥7+3.5Al、微量至0.4％的Si、微量至0.4％的Mn、微量至500ppm的Ca、微量至500ppm的稀土、微量至500ppm的Ti、微量至50ppm的O(熔融金属的产物)或者微量至200ppm的O(粉末冶金的产物)、微量至100ppm的N、微量至50ppm的S、微量至1％的Cu、微量至200ppm的P，其余为Fe。
这种钢具有非常高的机械强度(断裂负荷在2000至2500Mpa之间)，同时还具有非常良好的弹性(180·103J/m2)和韧度
Figure BPA00001496606800011
Figure BPA00001496606800012
以及良好的疲劳行为。
这些机械特征由于钢所经受的热处理而获得。具体地说，钢经历如下处理：加热钢并将其保持在奥氏体化温度AC3以上直至其温度大致均质为止，然后将钢冷却至大约环境温度，接着将钢放置在并保持在低温封闭物中。“低温”指的是0℃以下的温度。
将这种钢放置到低温封闭物中的目的是为了使钢中的剩余奥氏体含量最少，即为了将奥氏体最大地转变成钢中的马氏体。事实上，钢的机械强度特性与其奥氏体含量相反地增大。对于本发明所涵盖的钢，马氏体相变温度Mf包括在根据热动平衡条件下所估算的-30℃和-40℃之间。为了保证奥氏体最大地转变成马氏体，通常认为低温封闭物中的温度必须稍微低于马氏体相变温度Mf。从而，考虑到奥氏体转变成马氏体的固有性质，允许的是低温封闭物中的温度必须低于-40℃并且在钢的温度最高的部分到达该温度时会发生最大地转变成马氏体的情况。然后从低温封闭物中移除钢。
然而，对经过这种低温处理的该钢进行的机械硬度和张力测试的结果表明钢的机械特性具有大的分散性，这是一种不理想的状况。此外，这些结果在低温处理参数方面不遵循正态统计规律，相反地，这些结果根据热处理条件而基于多个正态规律的总合分布，尤其在放入低温介质时。这种传递行为还增强了计算出的分散性(当一个覆盖同一族中的所有这些结果时)并降低了平均值。于是更进一步降低了规格曲线的最小值(根据小于平均值三个标准偏差计算得到)。
发明内容
本发明旨在解决这些缺陷。
本发明的目的在于提出可以降低机械特性分散性的这种类型钢处理方法，产生遵循正态统计定律的分散性并且平均地提高这些机械特性。
由于以下事实而实现了本发明的目的：温度T1基本上低于马氏体相变温度Mf，并且从钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度时在温度T1将所述钢保持在所述低温介质中的时间t至少等于非零的时间t1。
由于这些条件，放入低温介质中的钢中的可能转变成马氏体的所有奥氏体发生最大转变。最大转变意味着钢中的残余奥氏体含量在所有钢中最小。由于奥氏体含量在所有钢中是均质的，因此降低了机械特性值的分散性。此外，这些值平均地增大，这是因为钢中的奥氏体含量最小。
例如，温度T1(以℃表示，公差为±5℃)和时间t1(以小时表示，公差为±5％)基本上以如下等式联系起来
T1＝f(t1)，
其中，
f(t)＝57.666×(1-1/(t0.3-0.14)1.5)-97.389。
有利地，在步骤(b)的冷却过程中，当部件的表面温度达到温度80℃之后，将所述钢放入所述低温介质中小于70小时。
这样，通过将钢放入低温介质中而可以期望钢中的奥氏体转变成马氏体的最大转化率尽可能的高。
附图说明
在阅读下文对示为非限制性实例的实施例的详细说明之后，可以更好地理解本发明并且更加清楚本发明的优点。下文的说明参考了附图，其中：
图1示出了在根据本发明的方法中，在钢的温度最高的部分达到了低于马氏体转换温度Mf的温度之后将钢保持在低温封闭物中的时间t1与低温封闭物中的温度T1之间的等式T1＝f(t1)。
图2示出了作为低温封闭物中的温度T1的函数的残留于钢中的奥氏体的水平随着不同的时间t1的变化，其中，时间t1是钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度之后将钢保持在低温封闭物中的时间。
图3示出了作为低温封闭物中的温度T1的函数的钢的硬度随着不同时间t1的变化，其中，时间t1是钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度之后将钢保持在低温封闭物中的时间。
图4示出了的变化作为钢从奥氏体化温度到冷却结束的时间间隔和所述钢在低温封闭物中的位移的函数的残留于钢中的奥氏体的水平随不同时间t1的变化，其中，t1是钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度之后将钢保持在低温封闭物中的时间。
具体实施方式
如上文所述，为了使残留奥氏体含量最小，对本申请所涵盖的钢进行如下处理：将该钢加热并将其保持在奥氏体化温度以上直到其温度大致均质为止，然后将钢冷却至大约环境温度，接着将钢放置并保持在低温主导的封闭物中。
本发明的发明人对已经过上述处理的这些钢进行了测试。这些钢具有以下组分：0.200％至0.250％的C、12.00％至14.00％的Ni、5.00％至7.00％的Co、2.5％至4.00％的Cr、1.30至1.70％的Al、1.00％至2.00％的Mo。
根据这些测试结果，图2示出了作为低温封闭物中的温度T1的函数的残留于钢中的奥氏体的水平随着不同时间t1的变化，其中，时间t1是钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度之后将所述钢保持在所述低温封闭物中的时间。
这些结果表明，如果在钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度之后将钢保持在低温封闭物中达两个小时，为了使残余奥氏体水平最低，则需要封闭物的温度低于或等于-90℃。高于-90℃，残余奥氏体水平较高。低于-90℃，残余奥氏体水平基本上保持恒定并且等于其最小值，在该情况下大约为2.5％(其测量考虑到测量的自散)。
相似地，如果在钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度之后将钢保持在低温封闭物中达五个或八个小时，为了使残余奥氏体水平最低，则需要封闭物的温度分别低于或等于-71℃和-67℃。
结果表明，在所有情况下，残余奥氏体水平基本上相同。
更通常的是，在时间t1和温度T1位于图1给出的曲线T1＝f(t1)下方时，残余奥氏体含量最小并大致恒定。
该曲线的等式为：
f(t)＝57.666×(1-1/(t0.3-0.14)1.5)-97.389。
曲线T1＝f(t1)给出了低温室内的温度T1(以℃来表示)，其中，在钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度之后必须将钢保持在低温室中达一定时长t1(以小时来表示)从而使钢的所有区域尽可能地转变为马氏体，因此具有最小且均质的残余奥氏体含量。
曲线T1＝f(t1)通过下表1给出的实验结果的统计近似值获得。因此，应该理解到，对于钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度之后将钢保持在低温室中的预定时间t1，该室中的温度必须大约等于或小于曲线T1＝f(t1)所给出的温度。函数f对t的一阶导数f′(t)为正，f对t的二阶导数f″(t)为负。
该曲线的形状对于该族中的所有钢均适用，并且作为钢的化学成分的函数在竖直方向(温度变化)上平移。该等式的水平渐近线(需要无穷保持时间t1的温度T1，即封闭物的最高可能温度)取决于钢的化学成分(该成分直接影响起始马氏体相变温度Ms和结束马氏体相变温度Mf)。对于所讨论的钢，该温度大约等于-40℃。所需的最小保持时间t1大约等于1个小时，并且对于该族中的所有钢均大致恒定。
  时间t1(小时)   温度T1(℃)
  2   -90
  5   -70
  8   -68
表1
应该注意到，意外的是，这些温度T1比通常允许为能够使奥氏体最佳地转变成马氏体的温度-40℃低得多，并且保持时间t1不是0。因此，本发明的发明人已经示出，使钢的温度最高的部分达到温度Mf(或稍低的温度)来使这些部分最佳地转变成马氏体是不够的，不过，还需要在这些温度最高的部分到达低于马氏体相变温度Mf的温度至少t1的时长之后将这些部分保持在低温室(其中温度T1占主导)。
根据本发明的发明人做出的其它测试的结果，图3示出了这种钢的作为低温封闭物中的温度T1的函数的硬度随着不同时间t1的变化，其中时间t1是钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度之后将所述钢保持在所述低温封闭物中的时长。
这些结果表明，当时间t1和温度T1位于图1中给出的曲线T1＝f(t1)的下方时硬度最大且大致恒定。
通过比较图2和图3的曲线，由此可以建立钢中的残余奥氏体水平与该钢的硬度之间的关系。由此可以得出结论，钢中的奥氏体含量越低，钢的硬度越高。发明人对其它机械特性所做出的测试的结果表明相似的趋势，即，随着奥氏体水平降低，机械特性提高。
由于根据本发明的方法，使钢中的奥氏体水平最小，从而平均上提高了钢的机械特性。
此外，如图1中的曲线所示，只有在钢的部分区域达到低于温度Mf的温度并保持足够长时间时，该区域的奥氏体含量达到最小。
在该情况下，在钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度之后，该部件保持在低温封闭物中，其中，温度T1占主导的时间t比满足等式T1＝f(t1)的时间t1短，于是，该部件的某些更靠近中央的区域没有保持在温度Mf以下足够长的时间，而某些更靠近部件表面的区域保持在Mf足够长时间。因此，残余奥氏体水平从这些表面区域向所示中央区域增加。残余奥氏体水平的这种空间变化使得在测试期间获得的机械特性值分散。
然而，在根据本发明的方法中，在钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度之后，将钢保持在低温封闭物中足够长时间，这确保该部分最佳地转变成马氏体。因此，应该理解到，正如本发明的发明人看到的，根据本发明的方法如何可以使得钢中的残余奥氏体水平均质且最小，且机械特性值的分散最小。例如，应用根据现有技术的处理方法，处理过的钢的平均硬度为560Hv，统计最小值为535Hv且最大值为579Hv。使用根据本发明的方法，处理过的钢的平均硬度为575Hv，统计最小值为570Hv且最大值为579Hv。
在将钢放入低温封闭物中之前，使其经过步骤(b)，在流体(介质)中淬火以将钢冷却至环境温度。理想地，该流体的淬火性能(drasticity)至少等于空气的淬火性能。例如，该流体是空气。
淬火介质的淬火性能指的是该介质吸收浸入其中的部件的最靠近介质的层的热量并将热量传播到介质其余部分的能力。该能力调节浸入该介质中的部件的表面冷却速度。
发明人进行的测试表明，在步骤(b)中的部件冷却过程中，当部件的表面温度达到温度80℃之后，必须理想地将钢放入低温介质中的时间小于70小时。
图4示出了这些测试的结果。在步骤(b)中的冷却过程中，当部件的表面温度达到温度80℃时之后将钢放入低温介质(封闭物)中不超过70小时，然后钢中的残余奥氏体含量可以在保持于根据本发明条件的低温封闭物中之后到达其最小值。然后，在部件的表面温度达到温度80℃之后将钢放入低温介质多于70小时的情况下，残余奥氏体含量不能到达其最小值，这与在低温封闭物中的后续保持时长以及低温封闭物中的温度无关。
对于在这些测试中测得的钢等级，残余奥氏体含量的最小值在2.5％附近。更常见的是，对于根据本发明类型的钢，残余奥氏体含量的最小值小于3％。
对于其它族的钢，最小时间值t1会出现变化。例如，时间t1可以多于2个小时或多于3个小时或多于4个小时。
对于这些时间t1中的每一个，封闭物温度必须低于的温度T1为例如等于-50℃或-60℃或-70℃。
本发明还涉及根据本发明方法获得的钢所制得的部件，该钢中的残余奥氏体水平小于3％。
例如，该部件可以是涡轮机轴。

Claims (8)

1.马氏体钢的制造方法，所述马氏体钢包括其它金属含量从而使得钢可以由金属间化合物和碳化物析出而得到硬化，Al含量在0.4％和3％之间，马氏体相变温度Mf在0℃以下，该热处理方法包括如下步骤：
将钢整体加热到奥氏体化温度以上；
将所述钢冷却至大约环境温度；
将所述钢放入任意低温介质中；
所述方法的特征在于，
温度T1基本上低于马氏体相变温度Mf，当钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度时将所述钢保持在所述低温介质中的时间至少等于非零的时间t1，以℃为单位的温度T1和以小时为单位的时间t1基本上由等式T1＝f(t1)联系在一起，函数f基本上由下式表示：
f(t)＝57.666×(1-1/(t0.3-0.14)1.5)-97.389
或由相对于f(t)的温度相变曲线表示。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢具有如下成分：0.18至0.3％的C、5至7％的Co、2至5％的Cr、1至2％的Al、1至4％的Mo+W/2、微量至0.3％的V、微量至0.1％的Nb、微量至50ppm的量B、10.5至15％的Ni，其中Ni≥7+3.5Al、微量至0.4％的Si、微量至0.4％的Mn、微量至500ppm的Ca、微量至500ppm的稀土、微量至500ppm的Ti、作为熔融金属的产物的微量至50ppm的O或者作为粉末冶金的产物的微量至200ppm的O、微量至100ppm的N、微量至50ppm的S、微量至1％的Cu、微量至200ppm的P，其余为Fe。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述钢具有如下成分：0.200％至0.250％的C、12.00％至14.00％的Ni、5.00％至7.00％的Co、2.5％至4.00％的Cr、1.30％至1.70％的Al、1.00％至2.00％的Mo。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，需要的所述最小保持时间t1长于1个小时。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，通过将钢在淬火性能至少与空气的淬火性能相同的介质中淬火以将所述钢冷却至大约环境温度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(b)的冷却过程中，当部件的表面温度达到温度80℃之后，将所述钢放入所述低温介质中的时间小于70小时。
7.一种使用根据以上权利要求中任一项的方法获得的钢所制得的部件，其特征在于，所述钢中的残余奥氏体水平小于3％。
8.一种根据权利要求1至6中任一项的方法获得的钢所制得的涡轮机传动轴，其特征在于，所述钢中的残余奥氏体水平小于3％。
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