CN104745953B - 一种船用侧板低碳铬合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船用侧板低碳铬合金材料及其制备方法，所述船用合金材料的组成元素按照元素质量百分数满足下列要求：C 0.2‑0.4、Cr 3‑13、Mo 1‑3、Ni 0.7‑1.3、V 0.4‑1.0、W 0.3‑1.0、Si 0.7‑1.3、Mn 0.2‑1.0、N 0.004‑0.010、RE 0.002‑0.008，余量为Fe。所述船用侧板低碳铬合金材料的制备方法包括原料精选、中频精炼、真空高压气冷淬火、对铸坯进行均匀化处理、挤压成型处理、精加工处理以及硬化处理。本发明具有抗磨损、抗氧化、抗热疲劳、保证使用寿命的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种船用侧板低碳铬合金材料及其制备方法。
背景技术
船用材料主要指船体与水体直接接触的材料，而船用经常处于易腐蚀的环境中，所以船用材料需要很好的耐低温耐腐蚀性，同时船用材料对强度韧性也有很高的要求。多年来，各个造船大国都在船用合金材料研发方面做了很多的工作。目前，美国在舰艇制造领域已普遍运用HSLA-80和HSLA-100系列的高强度材料。日本则开发出一系列高强度船体结构材料，如调制高强度、马氏体实效钢和双向强化钢。法国1989年10月建造的“凯旋”级核潜艇采用了屈服强度为980MPa级的HLES100材料。俄罗斯开发了强390-1175MPa级的AB系列舰船材料等。我国的船用材料经过多年发展，部分船用材料生产企业的高强度船板也通过了多个国家船级认证。目前国内的高性能船用低碳铬氮合金材料方面的同类产品存在易磨损、抗氧化性差、抗热疲劳性差、材料表面质量低等缺点。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上的不足，提供抗磨损、抗氧化、抗热疲劳的一种船用侧板低碳铬合金材料及其制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种船用侧板低碳铬合金材料，所述船用侧板低碳铬合金材料的组成元素包括Fe、C、Cr、Mo、Ni、V、W、Si、Mn、N、RE，所述组成元素按照元素质量百分数满足下列要求：C 0.2-0.4、Cr 3-13、Mo 1-3、Ni 0.7-1.3、V 0.4-1.0、W0.3-1.0、Si 0.7-1.3、Mn 0.2-1.0、N 0.004-0.010、RE 0.002-0.008，余量为Fe。
本发明的进一步改进在于，所述船用侧板低碳铬合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）原料精选，将原料投入中频感应炉中；
（2）中频精炼，加热至1449-1580℃，待炉料全部融化，加入稀土，采用稀土复合变质技术，搅拌35-45min，在底部吹入氩气，静置形成初步合金材料；
（3）真空高压气冷淬火，对初步合金材料进行淬火和回火，用1-2MPa的氮气或氦气与氮气的混合气冷却淬火，形成铸坯；
（4）对铸坯进行均匀化处理，先以150-190℃/h升温至350-400℃，保温3.5-4.5h，再以50-70℃/h降温至180-220℃，保温2.5-3.5h, 再以90-100℃/h升温至450-480℃，保温2.5-3.5h，再以50-70℃/h降温至190-240℃，保温2.5-3.5h，真空冷至室温；
（5）挤压成型处理，将均匀化处理后的铸坯预热至400-450℃，然后利用挤压机将预热后的铸坯放入模具中挤压成型形成粗糙零件，模具预热到380-390℃，挤压速率为3-5mm/s；
（6）精加工处理，对粗糙零件以40-50℃/h进行预热至300-350℃保温2-3h，再以20-30℃/h降至室温，再以30-50℃/h升温至80-90℃，保温8-12h，再以20-30℃/h升温至140-160摄氏度，保温8-12h,真空降至室温，再进行锯切、精整形成精加工零件；
（7）硬化处理，利用真空渗氮技术，将精加工零件放入真空炉中，将真空炉排气至较高真空度0.133Pa(1×10-3Torr)后，以50-60℃/h将精加工零件升至530-560℃，同时送入氨气或NH3+CXHY+N2O复合气体，并对各种气体的送入量进行精确控制，炉压控制在0.667Pa，保温3-5h后，用炉内惰性气体进行快速冷却，冷却后即得成品。
本发明与现有技术相比具有以下有优点：
本发明中Cr的含量百分数控制在3-13，有效避免了由于Cr含量达到或超过饱和含量时出现的合金力学性能及稳定性下降的现象，同时保证了淬透性，尽可能的避免淬火过程中贝氏体和碳化物的析出，提高合金材料性能，保证本发明中合金的使用寿命；本发明降低了C含量，添加了N、Mo、V、Ti来抑制M23C6型碳化物的析出和聚集长大，或得较佳的热强性；本发明中添加了元素质量百分数为0.004-0.010的N，改善晶界碳化物的形态及分布，提高冲击韧性和抗热疲劳性；本发明中采用了稀土复合变质技术，可以能够对材料的晶粒进行细化，增加可塑性，提高材料的性能。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种船用侧板低碳铬合金材料，所述船用侧板低碳铬合金材料的组成元素包括Fe、C、Cr、Mo、Ni、V、W、Si、Mn、N、RE，所述组成元素按照元素质量百分数满足下列要求：0.4的C、6的Cr、3的 Mo、0.7的 Ni、1.0 的V、1.0的W、0.7的Si、1.0的Mn、0.010的N、0.002的RE，余量为Fe。
船用侧板低碳铬合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）原料精选，将原料投入中频感应炉中；
（2）中频精炼，加热至1449-1580℃，待炉料全部融化，加入稀土，残留稀土含量为0.01%，采用稀土复合变质技术，搅拌35-45min，在底部吹入氩气，静置形成初步合金材料；
（3）真空高压气冷淬火，对初步合金材料进行淬火和回火，用1MPa的超高压氮气或氦气与氮气的混合气冷却淬火，形成铸坯；
（4）对铸坯进行均匀化处理，先以150-190℃/h升温至350-400℃，保温3.5-4.5h，再以50-70℃/h降温至180-220℃，保温2.5-3.5h, 再以90-100℃/h升温至450-480℃，保温2.5-3.5h，再以50-70℃/h降温至190-240℃，保温2.5-3.5h，真空冷至室温；
（5）挤压成型处理，将均匀化处理后的铸坯预热至400-450℃，然后利用挤压机将预热后的铸坯放入模具中挤压成型形成粗糙零件，模具预热到380-390℃，挤压速率为3-5mm/s；
（6）精加工处理，对粗糙零件以40-50℃/h进行预热至300-350℃保温2-3h，再以20-30℃/h降至室温，再以30-50℃/h升温至80-90℃，保温8-12h，再以20-30℃/h升温至140-160摄氏度，保温8-12h,真空降至室温，再进行锯切、精整形成精加工零件；
（7）硬化处理，利用真空渗氮技术，将精加工零件放入真空炉中，将真空炉排气至较高真空度0.133Pa(1×10-3Torr)后，以50-60℃/h将精加工零件升至530℃，同时送入氨气或NH3+CXHY+N2O复合气体，并对各种气体的送入量进行精确控制，炉压控制在0.667Pa，保温3h后，用炉内惰性气体进行快速冷却，冷却后即得成品。经此处理可得渗层深为25mm、硬度为605HV的硬化层。
成品的硬度、强度变化不大，断裂韧性和疲劳裂纹扩展门槛值改变不大，在真空高压冷气淬火过程中，被冷却负载可以是密集型，比0.6MPa冷却负载密度提高约30-40%，冲击韧性、延伸率、断面收缩率、抗热疲劳性能有所改善。
实施例2
一种船用侧板低碳铬合金材料，所述船用侧板低碳铬合金材料的组成元素包括Fe、C、Cr、Mo、Ni、V、W、Si、Mn、N、RE，所述组成元素按照元素质量百分数满足下列要求：0.3的C、8的Cr、2的 Mo、1.3的 Ni、0.4 的V、1.0的W、1.0的Si、0.6的Mn、0.006的N、0.005的RE，余量为Fe。
船用侧板低碳铬合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）原料精选，将原料投入中频感应炉中；
（2）中频精炼，加热至1449-1580℃，待炉料全部融化，加入稀土，残留稀土含量为0.01%，采用稀土复合变质技术，搅拌35-45min，在底部吹入氩气，静置形成初步合金材料；
（3）真空高压气冷淬火，对初步合金材料进行淬火和回火，用1MPa的超高压氮气或氦气与氮气的混合气冷却淬火，形成铸坯；
（4）对铸坯进行均匀化处理，先以150-190℃/h升温至350-400℃，保温3.5-4.5h，再以50-70℃/h降温至180-220℃，保温2.5-3.5h, 再以90-100℃/h升温至450-480℃，保温2.5-3.5h，再以50-70℃/h降温至190-240℃，保温2.5-3.5h，真空冷至室温；
（5）挤压成型处理，将均匀化处理后的铸坯预热至400-450℃，然后利用挤压机将预热后的铸坯放入模具中挤压成型形成粗糙零件，模具预热到380-390℃，挤压速率为3-5mm/s；
（6）精加工处理，对粗糙零件以40-50℃/h进行预热至300-350℃保温2-3h，再以20-30℃/h降至室温，再以30-50℃/h升温至80-90℃，保温8-12h，再以20-30℃/h升温至140-160摄氏度，保温8-12h,真空降至室温，再进行锯切、精整形成精加工零件；
（7）硬化处理，利用真空渗氮技术，将精加工零件放入真空炉中，将真空炉排气至较高真空度0.133Pa(1×10-3Torr)后，以50-60℃/h将精加工零件升至540℃，同时送入氨气或NH3+CXHY+N2O复合气体，并对各种气体的送入量进行精确控制，炉压控制在0.667Pa，保温4h后，用炉内惰性气体进行快速冷却，冷却后即得成品。经此处理可得渗层深为60mm、硬度为800HV的硬化层。
成品的硬度、强度变化不大，断裂韧性和疲劳裂纹扩展门槛值改变不大，在真空高压冷气淬火过程中，被冷却负载可以是密集型，比0.6MPa冷却负载密度提高约30-40%，冲击韧性、延伸率、断面收缩率有所改善，抗热疲劳性能有所提高。
实施例3
一种船用侧板低碳铬合金材料，所述船用侧板低碳铬合金材料的组成元素包括Fe、C、Cr、Mo、Ni、V、W、Si、Mn、N、RE，所述组成元素按照元素质量百分数满足下列要求：0.2的C、13的Cr、2的 Mo、1.0的 Ni、0.5的V、0.8的W、0.9的Si、0.8的Mn、0.007的N、0.006的RE，余量为Fe。
船用侧板低碳铬合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）原料精选，将原料投入中频感应炉中；
（2）中频精炼，加热至1449-1580℃，待炉料全部融化，加入稀土，残留稀土含量为0.01%，采用稀土复合变质技术，搅拌35-45min，在底部吹入氩气，静置形成初步合金材料；
（3）真空高压气冷淬火，对初步合金材料进行淬火和回火，用1MPa的超高压氮气或氦气与氮气的混合气冷却淬火，形成铸坯；
（4）对铸坯进行均匀化处理，先以150-190℃/h升温至350-400℃，保温3.5-4.5h，再以50-70℃/h降温至180-220℃，保温2.5-3.5h, 再以90-100℃/h升温至450-480℃，保温2.5-3.5h，再以50-70℃/h降温至190-240℃，保温2.5-3.5h，真空冷至室温；
（5）挤压成型处理，将均匀化处理后的铸坯预热至400-450℃，然后利用挤压机将预热后的铸坯放入模具中挤压成型形成粗糙零件，模具预热到380-390℃，挤压速率为3-5mm/s；
（6）精加工处理，对粗糙零件以40-50℃/h进行预热至300-350℃保温2-3h，再以20-30℃/h降至室温，再以30-50℃/h升温至80-90℃，保温8-12h，再以20-30℃/h升温至140-160摄氏度，保温8-12h,真空降至室温，再进行锯切、精整形成精加工零件；
（7）硬化处理，利用真空渗氮技术，将精加工零件放入真空炉中，将真空炉排气至较高真空度0.133Pa(1×10-3Torr)后，以50-60℃/h将精加工零件升至530℃，同时送入氨气或NH3+CXHY+N2O复合气体，并对各种气体的送入量进行精确控制，炉压控制在0.667Pa，保温4h后，用炉内惰性气体进行快速冷却，冷却后即得成品。经此处理可得渗层深为50mm、硬度为650HV的硬化层。
成品的硬度、强度变化不大，断裂韧性和疲劳裂纹扩展门槛值改变不大，在真空高压冷气淬火过程中，被冷却负载可以是密集型，比0.6MPa冷却负载密度提高约30-40%，冲击韧性、延伸率、断面收缩率、抗热疲劳性能有明显改善。
实施例4
一种船用侧板低碳铬合金材料，所述船用侧板低碳铬合金材料的组成元素包括Fe、C、Cr、Mo、Ni、V、W、Si、Mn、N、RE，所述组成元素按照元素质量百分数满足下列要求：0.2的C、10的Cr、2的 Mo、0.9的 Ni、0.6的V、0.7的W、0.9的Si、0.6的Mn、0.008的N、0.006的RE，余量为Fe。
船用侧板低碳铬合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）原料精选，将原料投入中频感应炉中；
（2）中频精炼，加热至1449-1580℃，待炉料全部融化，加入稀土，残留稀土含量为0.02%，采用稀土复合变质技术，搅拌35-45min，在底部吹入氩气，静置形成初步合金材料；
（3）真空高压气冷淬火，对初步合金材料进行淬火和回火，用2MPa的超高压氮气或氦气与氮气的混合气冷却淬火，形成铸坯；
（4）对铸坯进行均匀化处理，先以150-190℃/h升温至350-400℃，保温3.5-4.5h，再以50-70℃/h降温至180-220℃，保温2.5-3.5h, 再以90-100℃/h升温至450-480℃，保温2.5-3.5h，再以50-70℃/h降温至190-240℃，保温2.5-3.5h，真空冷至室温；
（5）挤压成型处理，将均匀化处理后的铸坯预热至400-450℃，然后利用挤压机将预热后的铸坯放入模具中挤压成型形成粗糙零件，模具预热到380-390℃，挤压速率为3-5mm/s；
（6）精加工处理，对粗糙零件以40-50℃/h进行预热至300-350℃保温2-3h，再以20-30℃/h降至室温，再以30-50℃/h升温至80-90℃，保温8-12h，再以20-30℃/h升温至140-160摄氏度，保温8-12h,真空降至室温，再进行锯切、精整形成精加工零件；
（7）硬化处理，利用真空渗氮技术，将精加工零件放入真空炉中，将真空炉排气至较高真空度0.133Pa(1×10-3Torr)后，以50-60℃/h将精加工零件升至540℃，同时送入氨气或NH3+CXHY+N2O复合气体，并对各种气体的送入量进行精确控制，炉压控制在0.667Pa，保温5h后，用炉内惰性气体进行快速冷却，冷却后即得成品。经此处理可得渗层深为70mm、硬度为1205HV的硬化层。
成品的硬度、强度变化不大，断裂韧性和疲劳裂纹扩展门槛值改变不大，在真空高压冷气淬火过程中，被冷却负载可以是密集型，比0.6MPa冷却负载密度提高约80-150%，在挤压成型中形成效果最好，冲击韧性最佳，延伸率、断面收缩率、抗热疲劳性能有明显改善。
实施例5
一种船用侧板低碳铬合金材料，所述船用侧板低碳铬合金材料的组成元素包括Fe、C、Cr、Mo、Ni、V、W、Si、Mn、N、RE，所述组成元素按照元素质量百分数满足下列要求：0.3的C、12的Cr、1.5的 Mo、1.0的 Ni、0.6 的V、0.7的W、0.9的Si、0.6的Mn、0.010的N、0.006的RE，余量为Fe。
船用侧板低碳铬合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）原料精选，将原料投入中频感应炉中；
（2）中频精炼，加热至1449-1580℃，待炉料全部融化，加入稀土，残留稀土含量为0.01%，采用稀土复合变质技术，搅拌35-45min，在底部吹入氩气，静置形成初步合金材料；
（3）真空高压气冷淬火，对初步合金材料进行淬火和回火，用1.5MPa的超高压氮气或氦气与氮气的混合气冷却淬火，形成铸坯；
（4）对铸坯进行均匀化处理，先以150-190℃/h升温至350-400℃，保温3.5-4.5h，再以50-70℃/h降温至180-220℃，保温2.5-3.5h, 再以90-100℃/h升温至450-480℃，保温2.5-3.5h，再以50-70℃/h降温至190-240℃，保温2.5-3.5h，真空冷至室温；
（5）挤压成型处理，将均匀化处理后的铸坯预热至400-450℃，然后利用挤压机将预热后的铸坯放入模具中挤压成型形成粗糙零件，模具预热到380-390℃，挤压速率为3-5mm/s；
（6）精加工处理，对粗糙零件以40-50℃/h进行预热至300-350℃保温2-3h，再以20-30℃/h降至室温，再以30-50℃/h升温至80-90℃，保温8-12h，再以20-30℃/h升温至140-160摄氏度，保温8-12h,真空降至室温，再进行锯切、精整形成精加工零件；
（7）硬化处理，利用真空渗氮技术，将精加工零件放入真空炉中，将真空炉排气至较高真空度0.133Pa(1×10-3Torr)后，以50-60℃/h将精加工零件升至560℃，同时送入氨气或NH3+CXHY+N2O复合气体，并对各种气体的送入量进行精确控制，炉压控制在0.667Pa，保温3h后，用炉内惰性气体进行快速冷却，冷却后即得成品。经此处理可得渗层深为40mm、硬度为900HV的硬化层。
成品的硬度、强度变化不大，断裂韧性和疲劳裂纹扩展门槛值改变不大，在真空高压冷气淬火过程中，被冷却负载可以是密集型，比0.6MPa冷却负载密度提高约60-80%，冲击韧性、延伸率、断面收缩率、抗热疲劳性能有明显改善。
实施例6
一种船用侧板低碳铬合金材料，所述船用侧板低碳铬合金材料的组成元素包括Fe、C、Cr、Mo、Ni、V、W、Si、Mn、N、RE，所述组成元素按照元素质量百分数满足下列要求：0.2的C、13的Cr、2的 Mo、0.7的 Ni、0.4的V、1.0的W、1.3的Si、1.0的Mn、0.004的N、0.008的RE，余量为Fe。
船用侧板低碳铬合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）原料精选，将原料投入中频感应炉中；
（2）中频精炼，加热至1449-1580℃，待炉料全部融化，加入稀土，残留稀土含量为0.8%，采用稀土复合变质技术，搅拌35-45min，在底部吹入氩气，静置形成初步合金材料；
（3）真空高压气冷淬火，对初步合金材料进行淬火和回火，用1.5MPa的超高压氮气或氦气与氮气的混合气冷却淬火，形成铸坯；
（4）对铸坯进行均匀化处理，先以150-190℃/h升温至350-400℃，保温3.5-4.5h，再以50-70℃/h降温至180-220℃，保温2.5-3.5h, 再以90-100℃/h升温至450-480℃，保温2.5-3.5h，再以50-70℃/h降温至190-240℃，保温2.5-3.5h，真空冷至室温；
（5）挤压成型处理，将均匀化处理后的铸坯预热至400-450℃，然后利用挤压机将预热后的铸坯放入模具中挤压成型形成粗糙零件，模具预热到380-390℃，挤压速率为3-5mm/s；
（6）精加工处理，对粗糙零件以40-50℃/h进行预热至300-350℃保温2-3h，再以20-30℃/h降至室温，再以30-50℃/h升温至80-90℃，保温8-12h，再以20-30℃/h升温至140-160摄氏度，保温8-12h,真空降至室温，再进行锯切、精整形成精加工零件；
（7）硬化处理，利用真空渗氮技术，将精加工零件放入真空炉中，将真空炉排气至较高真空度0.133Pa(1×10-3Torr)后，以50-60℃/h将精加工零件升至560℃，同时送入氨气或NH3+CXHY+N2O复合气体，并对各种气体的送入量进行精确控制，炉压控制在0.667Pa，保温5h后，用炉内惰性气体进行快速冷却，冷却后即得成品。经此处理可得渗层深为80mm、硬度为1500HV的硬化层。
成品的硬度、强度变化不大，断裂韧性和疲劳裂纹扩展门槛值改变不大，在真空高压冷气淬火过程中，被冷却负载可以是密集型，比0.6MPa冷却负载密度提高约50-70%，冲击韧性、延伸率、断面收缩率、抗热疲劳性能有所改善。
Claims (2)
1.一种船用侧板低碳铬合金材料，其特征在于：所述船用侧板低碳铬合金材料的组成元素包括Fe、C、Cr、Mo、Ni、V、W、Si、Mn、N、RE，所述组成元素按照元素质量百分数满足下列要求：C 0.2-0.4、Cr 3-13、Mo 1-3、Ni 0.7-1.3、V 0.4-1.0、W 0.3-1.0、Si 0.7-1.3、Mn 0.2-1.0、N 0.004-0.010、RE 0.002-0.008，余量为Fe。
2.权利要求1所述船用侧板低碳铬合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）原料精选，将原料投入中频感应炉中；
（2）中频精炼，加热至1449-1580℃，待炉料全部融化，加入稀土，采用稀土复合变质技术，搅拌35-45min，在底部吹入氩气，静置形成初步合金材料；
（3）真空高压气冷淬火，对初步合金材料进行淬火和回火，用1-2MPa的氮气或氦气与氮气的混合气冷却淬火，形成铸坯；
（4）对铸坯进行均匀化处理，先以150-190℃/h升温至350-400℃，保温3.5-4.5h，再以50-70℃/h降温至180-220℃，保温2.5-3.5h, 再以90-100℃/h升温至450-480℃，保温2.5-3.5h，再以50-70℃/h降温至190-240℃，保温2.5-3.5h，真空冷至室温；
（5）挤压成型处理，将均匀化处理后的铸坯预热至400-450℃，然后利用挤压机将预热后的铸坯放入模具中挤压成型形成粗糙零件，模具预热到380-390℃，挤压速率为3-5mm/s；
（6）精加工处理，对粗糙零件以40-50℃/h进行预热至300-350℃保温2-3h，再以20-30℃/h降至室温，再以30-50℃/h升温至80-90℃，保温8-12h，再以20-30℃/h升温至140-160摄氏度，保温8-12h,真空降至室温，再进行锯切、精整形成精加工零件；
（7）硬化处理，利用真空渗氮技术，将精加工零件放入真空炉中，将真空炉排气至较高真空度0.133Pa(1×10-3Torr)后，以50-60℃/h将精加工零件升至530-560℃，同时送入氨气或NH3+CXHY+N2O复合气体，炉压控制在0.667Pa，保温3-5h后，用炉内惰性气体进行快速冷却，冷却后即得成品。
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