CN111139406A - 一种高机械强度合金钢及其制备方法 - Google Patents

一种高机械强度合金钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高机械强度合金钢，其成份按重量百分比计由以下组分组成：C：0.3‑0.6，Si：0‑0.7，Mn：0.25‑0.8，Cr：4.5‑7，Mo：2.7‑5.2；V：0.4‑1.0；S：0‑0.8；P：0‑0.025，余量为Ni及不可避免杂质。通过本发明制备得到的高机械强度合金钢，通过采用油冷方式，大大降低钢材内部应力，使得钢材具备了较高的硬度及耐磨性能，使得合金钢材具备了一定塑性与韧性，避免钢材加工时出现裂纹。多次回火增加了钢材残余的奥氏体转变为马氏体，消除了刚才成型时的内部应力和脆性，便于整体切削加工。通过本发明得到的钢材具有较高的硬度，得到的钢材洛氏硬度均高于54，钢材整体表面光滑，基本无缺陷。

Description

一种高机械强度合金钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种特种钢材制造领域，具体是一种高机械强度合金钢及其制备方法。
背景技术
近几年，随着国内精密器械制造技术的不断发展，我国的装备制造业的发展对合金钢提出了很高的要求，大型、精密、使用寿命长是特种制造装备的重要特征。而钢材的抗疲劳强度是钢材的使用寿命的直接因素，可以从抗拉强度、硬度冲击、断裂韧性等方面间接反映。冲击性能作为钢材的一个关键性指标，在制造工艺的热处理工艺是否到位对钢材的使用性能和寿命起着决定性作用。
在钢材热处理接端，较快的淬火冷却获得的完全马氏体组织与马氏体/贝氏体混合组织，能够提高钢材的热疲劳抗性。但是在实际的生产过程中，钢材的完全真空淬火存在较大的难度。而且快速冷却会使得钢材内部冷却是梯度冷却，表面温度低，内部温度梯度升高，导致钢材沿截面位置出现热胀冷缩不一致的情况，使得钢材内部产生内应力，而内应力的出现容易造成钢材发生形变，在形变量大的时候会造成铸件变形，无法使用。并且在钢材内应力过大还容易造成铸件直接开裂，造成铸件损坏。
发明内容
本发明要解决的问题是针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种高机械强度合金钢及其制备方法，用以解决现有合金钢容易出现内应力过大造成的弯曲变形和开裂问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种高机械强度合金钢，其元素成份及重量百分比含量包括：C：0.3-0.6，Si：0-0.7，Mn：0.25-0.8，Cr：4.5-7，Mo：2.7-5.2；V：0.4-1.0；S：0-0.8；P：0-0.025，余量为Ni及不可避免杂质。
优选的，其元素成份及重量百分比含量包括：C：0.32-0.4，Si：0-0.5，Mn：0.3-0.4，Cr：5.8-7，Mo：3.8-4.5；V：0.6-0.8；S：0-0.6；P：0-0.02，余量为Ni及不可避免杂质。
优选的，其元素成份及重量百分比含量包括：C：0.38；Si：0.48；Mn：
0.3-0.4；Cr：6.96；Mo：4.325；V：0.77；S：0.003；P：0.016；余量为Ni及不可避免杂质。
根据本发明的另一目的，本发明还提供一种上述的高机械强度合金钢的制备方法，包括以下步骤：
（1）按配比取所需成分加入真空感应炉中，抽真空至0.1-0.2Pa，在温度1000-1050℃下高温淬火0-1h，然后油冷，得到铸件；
（2）将步骤（1）中得到的铸件在600-700℃下进行回火，保温2-5h，然后空气冷却；
（3）将步骤（2）中得到的铸件在600-700℃下进行二次回火，保温2-3h，空气冷却，得到铸件。
优选的，所述步骤（1）中真空抽压至0.1Pa，在温度1020℃下高温淬火0.4h，然后油冷，得到铸件。
优选的，所述步骤（2）中回火温度为630℃，保温时间为3h。
优选的，所述步骤（3）中二次回火温度为600摄氏度，保温时间为2h。
优选的，所述油冷采用逐步冷却方式，所述油冷采用的热油油温为200℃，一段时间后对热油进行降温，然后采取循环水对热油进行降温，持续一段时间后，将铸件取出，在空气下进行冷却。
优选的，所述对热油进行降温时间为0.4h。
优选的，所述循环水对热油降温时间为0.4-0.6h。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：通过本发明制备得到的高机械强度合金钢，通过采用油冷方式，大大降低钢材内部应力，使得钢材具备了较高的硬度及耐磨性能，使得合金钢材具备了一定塑性与韧性，避免钢材加工时出现裂纹；多次回火增加了钢材残余的奥氏体转变为马氏体，消除了刚才成型时的内部应力和脆性，便于整体切削加工。通过本发明得到的钢材具有较高的硬度，得到的钢材洛氏硬度均高于54，钢材整体表面光滑，基本无缺陷。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述：
其成分中选用Cr元素是因为在结构钢和中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。
而镍元素能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。
钒元素则是是钢的优良脱氧剂，钢中加0.5%左右的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。
同时本发明中将钢材浸润在烫油中，待钢材完全浸润在油中后，对装有热油的容器进行循环冷却，采用对流方式，用冷水带走热油中的温度，使得钢材降温速度降低，在铸件冷却一定时间之后，撤去循环水冷，注入冷油进行冷却。采用这种油冷方式能够消除钢件在热处理时所产生的内应力，使得钢材具有较高的硬度和耐磨性，并具有所需要的塑性和韧性，消除可能产生的变形和裂纹等。
二次回火能够大大降低钢材脆性，消除或者减少内应力，在钢件淬火完成后内部会存在很大内应力和脆性，并且回火可以稳定工件尺寸。对于退火难以软化的合金钢，淬火后采用高温回火，能够使得钢材中碳化物适当聚集，将硬度降低，利于切削加工。
实施例一：
本实施例的高机械强度合金钢，按照其成份重量百分比计，选取0.3%C，0.1%Si，0.25%Mn，4.5%Cr，2.7%Mo，0.4%V，0.1%S，0.01%P，其余量为Ni及不可避免杂质，将其投入真空感应炉，抽真空至0.1Pa，在1000℃下进行高温淬火1h，然后油冷。油冷采取逐步冷却过程，先将热油加温至200℃，将铸件浸于热油中进行降温，0.4h之后，对热油池进行降温，采取循环自来水对热油池进行降温冷却，持续0.4h，之后将铸件取出，在空气下进行冷却。
将冷却完毕后的铸件在600℃下进行回火，保温2h，然后空冷；将铸件升温至600℃后进行二次回火，保温2h，然后进行空冷，最后得到铸件A。
实施例二：
本实施例的高机械强度合金钢，按照其成份重量百分比计，选取0.6%C，0.7%Si，0.8%Mn，7%Cr，5.2%Mo，1.0%V，0.8%S，0.025%P，其余量为Ni及不可避免杂质，将其投入真空感应炉，抽真空至0.2Pa，在1050℃下进行高温淬火0.5h，然后油冷。油冷采取逐步冷却过程，先将热油加温至200℃，将铸件浸于热油中进行降温，0.4h之后，对热油池进行降温，采取循环自来水对热油池进行降温冷却，持续0.6h，之后将铸件取出，在空气下进行冷却。
将冷却完毕后的铸件在700℃下进行回火，保温5h，然后空冷；将铸件升温至700℃后进行二次回火，保温3h，然后进行空冷，最后得到铸件B。
实施例三：
本实施例的高机械强度合金钢，按照其成份重量百分比计，选取0.32%C，0.5%Si，0.3%Mn，5.8%Cr，3.8%Mo，0.6%V，0.6%S，0.02%P，其余量为Ni及不可避免杂质，将其投入真空感应炉，抽真空至0.2Pa，在1050℃下进行高温淬火0.5h，然后油冷。油冷采取逐步冷却过程，先将热油加温至200℃，将铸件浸于热油中进行降温，0.4h之后，对热油池进行降温，采取循环自来水对热油池进行降温冷却，持续0.6h，之后将铸件取出，在空气下进行冷却。
将冷却完毕后的铸件在700℃下进行回火，保温3h，然后空冷；将铸件升温至700℃后进行二次回火，保温3h，然后进行空冷，最后得到铸件C。
实施例四：
本实施例的高机械强度合金钢，按照其成份重量百分比计，选取0.4%C，0.5%Si，0.4%Mn，5.8%Cr，3.8%Mo，0.6%V，0.6%S，0.02%P，其余量为Ni及不可避免杂质，将其投入真空感应炉，抽真空至0.2Pa，在1050℃下进行高温淬火0.5h，然后油冷。油冷采取逐步冷却过程，先将热油加温至200℃，将铸件浸于热油中进行降温，0.4h之后，对热油池进行降温，采取循环自来水对热油池进行降温冷却，持续0.6h，之后将铸件取出，在空气下进行冷却。
将冷却完毕后的铸件在700℃下进行回火，保温3h，然后空冷；将铸件升温至700℃后进行二次回火，保温3h，然后进行空冷，最后得到铸件D。
实施例五：
本实施例的高机械强度合金钢，按照其成份重量百分比计，选取0.38%C，0.48%Si，0.4%Mn，6.96%Cr，4.325%Mo，0.77%V，0.003%S，0.0016%P，其余量为Ni及不可避免杂质，将其投入真空感应炉，抽真空至0.2Pa，在1050℃下进行高温淬火0.5h，然后油冷。油冷采取逐步冷却过程，先将热油加温至200℃，将铸件浸于热油中进行降温，0.4h之后，对热油池进行降温，采取循环自来水对热油池进行降温冷却，持续0.6h，之后将铸件取出，在空气下进行冷却。
将冷却完毕后的铸件在700℃下进行回火，保温3h，然后空冷；将铸件升温至700℃后进行二次回火，保温3h，然后进行空冷，最后得到铸件E。
实施例六：
本实施例的高机械强度合金钢，按照其成份重量百分比计，选取0.38%C，0.48%Si，0.4%Mn，6.96%Cr，4.325%Mo，0.77%V，0.003%S，0.0016%P，其余量为Ni及不可避免杂质，将其投入真空感应炉，抽真空至0.2Pa，在1050℃下进行高温淬火0.5h，然后油冷。油冷采取逐步冷却过程，先将热油加温至200℃，将铸件浸于热油中进行降温，0.4h之后，对热油池进行降温，采取循环自来水对热油池进行降温冷却，持续0.6h，之后将铸件取出，在空气下进行冷却。
将冷却完毕后的铸件在360℃下进行回火，保温3h，然后空冷；将铸件升温至600℃后进行二次回火，保温2h，然后进行空冷，最后得到铸件F。
上述实施例合金钢硬度测试数据如下：
A B C D E F 普通合金钢
表面硬度/HRC 54.18 54.3 54.23 54.06 54.37 54.58 51.32
心部硬度/HRC 53.89 54.10 52.79 53.82 54.13 54.42 49.23
通过上述数据可知，本发明得到的高机械强度合金钢其表面洛氏硬度及心部洛氏硬度均远高于普通合金钢的洛氏硬度，并且表面洛氏硬度于心部洛氏硬度相接近，证明通过上述方法得到的合金钢的内部应力极低，钢材整体力学性能较为一致，在需要对钢材进行高强度机械加工时候能够保证材质的一致性能，不会因钢材不同区域力学性能不一致造成加工型材发生形变等问题。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高机械强度合金钢，其特征在于，其元素成份及重量百分比含量包括：C：0.3-0.6，Si：0-0.7，Mn：0.25-0.8，Cr：4.5-7，Mo：2.7-5.2；V：0.4-1.0；S：0-0.8；P：0-0.025，余量为Ni及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述一种高机械强度合金钢，其特征在于，其元素成份及重量百分比含量包括：C：0.32-0.4，Si：0-0.5，Mn：0.3-0.4，Cr：5.8-7，Mo：3.8-4.5；V：0.6-0.8；S：0-0.6；P：0-0.02，余量为Ni及不可避免杂质。
3.根据权利要求1所述一种高机械强度合金钢，其特征在于，其元素成份及重量百分比含量包括：C：0.38；Si：0.48；Mn：0.3-0.4；Cr：6.96；Mo：4.325；V：0.77；S：0.003；P：0.016；余量为Ni及不可避免杂质。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的一种高机械强度合金钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
按配比取所需成分加入真空感应炉中，抽真空至0.1-0.2Pa，在温度1000-1050℃下高温淬火0-1h，然后油冷，得到铸件；
将步骤（1）中得到的铸件在600-700℃下进行回火，保温2-5h，然后空气冷却；
将步骤（2）中得到的铸件在600-700℃下进行二次回火，保温2-3h，空气冷却，得到铸件。
5.根据权利要求4所述一种高机械强度合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中真空抽压至0.1Pa，在温度1020℃下高温淬火0.4h，然后油冷，得到铸件。
6.根据权利要求4所述一种高机械强度合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中回火温度为630℃，保温时间为3h。
7.根据权利要求4所述一种高机械强度合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中二次回火温度为600摄氏度，保温时间为2h。
8.根据权利要求5所述一种高机械强度合金钢的制备方法，其特征在于，所述油冷采用逐步冷却方式，所述油冷采用的热油油温为200℃，一段时间后对热油进行降温，然后采取循环水对热油进行降温，持续一段时间后，将铸件取出，在空气下进行冷却。
9.根据权利要求8所述一种高机械强度合金钢的制备方法，其特征在于，所述对热油进行降温时间为0.4h。
10.根据权利要求8所述一种高机械强度合金钢的制备方法，其特征在于，所述循环水对热油降温时间为0.4-0.6h。
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