CN114645222B - 一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢及其制备方法 - Google Patents

一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Nb‑V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢及其制备方法，40CrNiMo钢内添加有Nb元素和V元素，且Nb元素与V元素的质量比为4‑6，且所述Nb元素和V元素的含量之和≤1.0%。本发明通过Nb‑V微合金化设计、循环淬火晶粒细化和低温Q‑P热处理工艺奥氏体组织调控，获得高密度纳米微合金析出物、超细和含奥氏体40CrNiMo钢，实现40CrNiMo钢力学性能和抗氢脆性能同时提高的目的。

Description

一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁技术领域，具体涉及一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢及其制备方法。
背景技术
随着汽车、风电、高铁和基础设施等快速发展，齿轮作为关键部件得到了越来越多的重视。40CrNiMo钢作为齿轮的常用钢种，具有强度高、韧性和淬透性好、表面硬化耐磨性高、渗碳淬火后韧性好等特点，广泛应用于机械设备齿轮的设计制造中。
目前，40CrNiMo钢的热处理工艺通常为淬火+回火。淬火可以使齿轮钢获得高强度的马氏体，回火则使齿轮钢在马氏体基体内析出碳化物并消除应力。在随后的塑性变形过程中，基体马氏体提高齿轮钢的强度；残余奥氏体能够在疲劳服役过程中发生马氏体相变，产生表面硬化和残余压应力，抑制裂纹产生和扩展，提高齿轮钢的塑性和寿命；硬质碳化物则能够钉扎位错运动，提高材料的加工硬化能力和耐磨性。因此尺寸钢的良好强韧性匹配与基体马氏体、残余奥氏体和碳化物的形态、分布和体积分数密切相关。因此，探索一种调控齿轮钢中残余奥氏体相分数的热处理工艺，对于进一步提高齿轮钢的强韧性意义重大。
此外，40CrNiMo钢由于较高的强度和特殊的服役环境，氢脆也是其断裂失效的一种形式。目前解决氢脆的途径主要是：(1)添加微合金元素(Nb、V、Ti等)，引入纳米级析出物，这些析出物能够对氢原子形成氢陷阱，起到钉扎作用；(2)优化微观组织结构，降低氢脆倾向，如细晶或引入稳定残余奥氏体等。然而目前的40CrNiMo钢中微合金析出物密度低，且常用的热处理工艺细晶能力有限。因此，开发一种抗氢脆高强韧40CrNiMo钢及其制备工艺具有重要意义。
发明内容
为了解决这个难题，本发明提供了一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢及其制备方法，通过Nb-V微合金化设计、循环淬火晶粒细化和低温Q-P热处理工艺奥氏体组织调控，获得高密度纳米微合金析出物、超细和含奥氏体40CrNiMo钢，实现40CrNiMo钢力学性能和抗氢脆性能同时提高的目的。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢，40CrNiMo钢内添加有Nb元素和V元素，且Nb元素与V元素的质量比为4-6，且所述Nb元素和V元素的含量之和≤1.0％。
优选地，按质量分数计，所述40CrNiMo钢内的残余奥氏体含量为3-8％。
优选地，所述40CrNiMo钢内含有高密度纳米(Nb,V)C析出物，且纳米(Nb,V)C析出物的体积分数≥10-3。
一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢的制备方法，具体步骤如下：
S1:一次奥氏体化，将Nb-V微合金化的40CrNiMo钢加热至950℃-1150℃，保温一定时间；
S2:冷却，将S1处理后的高温状态的40CrNiMo钢水淬到≤170℃；
S3:循环淬火，将冷却后的40CrNiMo钢以一定的加热速率加热到830℃-950℃，保温一定时间后，再以一定的冷却速率冷却到170℃以下，作为一个热处理循环；
S4：重复步骤S3进行3-5次热处理循环；
S5：二次奥氏体化，将40CrNiMo钢放入电阻炉中加热至830℃-950℃，保温一定时间，进行完全奥氏体化；
S6：低温淬火，将完全奥氏体化的40CrNiMo钢以一定的冷却速率冷却至210℃-230℃；
S7：元素配分，将低温淬火后40CrNiMo钢放入电阻炉中以一定的加热速率加热至450℃并在450℃热环境中保温5-10min，随后水淬至室温。
优选地，所述S1中，所述40CrNiMo钢的厚度为0.1mm-100mm。
优选地，所述S1中，所述保温时间为10min-4h。
优选地，所述S3中，所述加热速率和冷却速率均≥60℃/s以上。
优选地，所述S3中的保温时间为3min-10min。
优选地，所述S5中的保温时间在5min-15min。
优选地，所述S6中的冷却速率以及S7中的加热速率均≥50℃/s。
有益效果：本发明提供了一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢及其制备方法，具有如下优点：
(1)本发明通过Nb-V微合金化形成高密度微合金析出物，从而形成大量氢陷阱，不仅提高了材料的抗氢脆性能，还能细化晶粒尺寸；
(2)本发明充分考虑了Nb和V的析出属性不同，设置了Nb和V元素含量的重量比，使微合金充分发挥作用，避免微合金浪费；
(3)本发明采用循环淬火工艺，利用奥氏体和马氏体的循环再结晶，细化40CrNiMo钢晶粒尺寸，一方面可提高材料强塑性，另一方面可进一步提高材料抗氢脆性能；
(4)本发明采用低温Q-P工艺，引入高稳定性残余奥氏体(其形貌为超细板条状)，较常规Q-P工艺具有更高的机械稳定性，一方面有利于形成稳定氢陷阱，另一方面可提高提高材料强塑性；
(5)本发明通过上述微观机制的耦合作用，可显著提高40CrNiMo钢的综合力学性能和抗氢脆性能，有利于延长40CrNiMo钢的服役寿命。
(6)本发明采用快速加热和冷却，可以利用重质原子的偏析抑制晶界迁移，细化晶粒尺寸。
附图说明
图1是实施例1的Nb-V微合金化40CrNiMo钢的析出物形貌透射电镜图；
图2是实施例2的Nb-V微合金化40CrNiMo钢循环淬火后的微观组织图；
图3是实施例5的Nb-V微合金化40CrNiMo经循环淬火+Q-P工艺后的XRD曲线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1
一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢，按质量分数计，40CrNiMo钢内添加有0.8％的Nb元素和0.2％V元素。
上述成分的40CrNiMo钢的具体热处理步骤如下：
S1:一次奥氏体化，将0.1mm厚的Nb-V微合金化40CrNiMo钢加热至950℃，保温10min；
S2:冷却，将高温状态的40CrNiMo钢水淬到170℃；
S3:循环淬火，将冷却后的40CrNiMo钢以60℃/s的加热速率加热到830℃，保温3min后，再以60℃/s的冷却速率冷却到170℃，作为一个热处理循环；
S4：重复步骤S3进行3次热处理循环；
S5：二次奥氏体化，将40CrNiMo钢放入电阻炉中加热至830℃，保温5min，进行完全奥氏体化；
S6：低温淬火，将完全奥氏体化的40CrNiMo钢以50℃/s的冷却速率冷却至210℃；
S7：元素配分，将低温淬火后40CrNiMo钢放入电阻炉中快速加热至450℃并在450℃热环境中保温5min，随后水淬至室温，即得到目标产品。
实施例1的析出物形貌透射电镜图测试
采用线切割制备10mm×10mm的目标成品试样，用不同型号的砂纸将样品逐级研磨至50μm～55μm，并在冲孔器上冲出直径为3mm的圆片，随后采用3000#砂纸继续研磨至40μm～45μm；采用电解双喷方式进行减薄穿孔，电解液为5％高氯酸和95％冰醋酸混合溶液；最后采用透射电镜对热处理后的试样进行(Nb,Mo)(C,N)析出物形貌分析，如图1所示，析出物为高密度纳米(Nb,V)C，且纳米(Nb,V)C析出物的体积分数≥10-3。
实施例2
一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢，按质量分数计，40CrNiMo钢内添加有0.86％Nb元素和0.14％V元素。
上述成分的40CrNiMo钢的具体热处理步骤如下：
S1:一次奥氏体化，将厚100mmNb-V微合金化40CrNiMo钢加热至1150℃，保温4h；
S2:冷却，将高温状态的40CrNiMo钢水淬150℃；
S3:循环淬火，将冷却后的40CrNiMo钢以100℃/s的加热速率加热到950℃，保温10min后，再以100℃/s的冷却速率冷却到170℃，作为一个热处理循环；
S4：重复步骤S3进行3次热处理循环；
S5：二次奥氏体化，将40CrNiMo钢在电阻炉中加热950℃，保温15min，进行完全奥氏体化；
S6：低温淬火，将完全奥氏体化的40CrNiMo钢以100℃/s的冷却速率冷却至230℃；
S7：元素配分，将低温淬火后40CrNiMo钢放入电阻炉中快速加热至450℃并在450℃热环境中保温15min，随后水淬至室温，即得到目标产品。
对实施例2经步骤S4循环淬火后的40CrNiMo钢采用线切割制备10mm×10mm的试样，用不同型号的砂纸将试样逐级研磨至光亮，进行电解抛光，进行金相组织观察。如图2所示，试样的平均晶粒尺寸为2μm，比常见40CrNiMo钢细小，且存在一定体积分数的残余奥氏体。
实施例3
一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢，按质量分数计，40CrNiMo钢内添加有0.85％Nb元素和0.15％V元素。
上述成分的40CrNiMo钢的具体热处理步骤如下：
S1:一次奥氏体化，将厚50mmNb-V微合金化40CrNiMo钢加热至1050℃，保温1h；
S2:冷却，将高温状态的40CrNiMo钢水淬100℃；
S3:循环淬火，将冷却后的40CrNiMo钢以100℃/s的加热速率加热到950℃，保温5min后，再以100℃/s的冷却速率冷却到100℃，作为一个热处理循环；
S4：重复步骤S3进行3次热处理循环；
S5：二次奥氏体化，将40CrNiMo钢在电阻炉中加热900℃，保温10min，进行完全奥氏体化；
S6：低温淬火，将完全奥氏体化的40CrNiMo钢以100℃/s的冷却速率冷却至220℃；
S7：元素配分，将低温淬火后40CrNiMo钢放入电阻炉中快速加热至450℃并在450℃热环境中保温10min，随后水淬至室温，即得到目标产品。
实施例4
一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢，按质量分数计，40CrNiMo钢内添加有0.84％Nb元素和0.16％V元素。
上述成分的40CrNiMo钢的具体热处理步骤如下：
S1:一次奥氏体化，将厚5mmNb-V微合金化40CrNiMo钢加热至950℃，保温10min；
S2:冷却，将高温状态的40CrNiMo钢水淬170℃；
S3:循环淬火，将冷却后的40CrNiMo钢以80℃/s的加热速率加热到950℃，保温5min后，再以80℃/s的冷却速率冷却到170℃，作为一个热处理循环；
S4：重复步骤S3进行3次热处理循环；
S5：二次奥氏体化，将40CrNiMo钢在电阻炉中加热950℃，保温10min，进行完全奥氏体化；
S6：低温淬火，将完全奥氏体化的40CrNiMo钢以100℃/s的冷却速率冷却至230℃；
S7：元素配分，将低温淬火后40CrNiMo钢放入电阻炉中快速加热至450℃并在450℃热环境中保温10min，随后水淬至室温，即得到目标产品。
实施例5
一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢，按质量分数计，40CrNiMo钢内添加有0.84％Nb元素和0.16％V元素。
S1:一次奥氏体化，将厚5mm的Nb-V微合金化40CrNiMo钢加热至950℃，保温10min；
S2:冷却，将高温状态的40CrNiMo钢水淬170℃；
S3:循环淬火，将冷却后的40CrNiMo钢以80℃/s的加热速率加热到950℃，保温5min后，再以80℃/s的冷却速率冷却到170℃，作为一个热处理循环；
S4：重复步骤S3进行5次热处理循环；
S5：二次奥氏体化，将40CrNiMo钢在电阻炉中加热950℃，保温10min，进行完全奥氏体化；
S6：低温淬火，将完全奥氏体化的40CrNiMo钢以100℃/s的冷却速率冷却至230℃；
S7：元素配分，将低温淬火后40CrNiMo钢放入电阻炉中快速加热至450℃并在450℃热环境中保温10min，随后水淬至室温，即得到目标产品5。
对实施例5中经循环淬火+Q-P工艺(低温淬火)后的40CrNiMo钢采用线切割制备10mm×10mm的试样，用不同型号的砂纸将试样逐级研磨至光亮，在电解抛光后进行XRD测试，其XRD结果如图3所示，试样中残余奥氏体体积分数为15％。
拉伸性能测试
利用线切割将热处理后的实施例1-5得到的目标产品按照ASTM-E8-E8M标准和沿轧制方向加工成热拉伸试样，随后按照1.5mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试，测试结果如表1所示。
冲氢处理后的拉伸性能测试
将实施例3-5的部分目标产品在0.05M H2SO4和0.5g/l硫脲溶液中和800℃冲氢1h，采用线切割将热处理后的实验钢按照ASTM-E8-E8M标准和沿轧制方向加工成热拉伸试样，随后按照1.5mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试，测试结果如表1所示。
表1为各实施例目标产品冲氢前及部分目标产品冲氢后的测试结果
Figure BDA0003559954560000091
目前常规40CrNiMo钢(上海津豹)的力学性能为：屈服强度约1500MPa，抗拉强度1650MPa，延伸率约8％，而从表1可知，与常规40CrNiMo钢相比，本发明制得的Nb-V微合金化40CrNiMo钢的力学性能具有显著优势。此外，从表1可知，本发明制得的Nb-V微合金化40CrNiMo钢具有优异的抗氢脆性能，尤其是Nb-V微合金化40CrNiMo钢的屈服强度和抗拉强度在冲氢前后的变化均在0.1％左右，说明本发明制得的Nb-V微合金化40CrNiMo钢实现了力学性能和抗氢脆性能同时提高的目的。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的两种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢，其特征在于，40CrNiMo钢内添加有Nb元素和V元素，且Nb元素与V元素的质量比为4-6，且所述Nb元素和V元素的含量之和≤1.0%，按质量分数计，所述40CrNiMo钢内的残余奥氏体含量为3-8%，所述40CrNiMo钢内含有高密度纳米(Nb,V)C析出物，且纳米(Nb,V)C析出物的体积分数≥10-3，其中，Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢的具体热处理步骤如下：
S1:一次奥氏体化，将Nb-V微合金化的 40CrNiMo钢加热至950℃-1150℃，保温一定时间；
S2: 冷却，将S1处理后的高温状态的40CrNiMo钢水淬到≤170℃；
S3: 循环淬火，将冷却后的40CrNiMo钢以一定的加热速率加热到830℃-950℃，保温3min-10min后，再以一定的冷却速率冷却到170℃以下，作为一个热处理循环；
S4：重复步骤S3进行3-5次热处理循环；
S5：二次奥氏体化，将40CrNiMo钢放入电阻炉中加热至830℃-950℃，保温5min-15min，进行完全奥氏体化；
S6：低温淬火，将完全奥氏体化的40CrNiMo钢以一定的冷却速率冷却至210℃-230℃；
S7：元素配分，将低温淬火后40CrNiMo钢放入电阻炉中以一定的加热速率加热至450℃并在450℃热环境中保温5-10min，随后水淬至室温。
2.根据权利要求1所述的Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢的制备方法，其特征在于，所述S1中，所述40CrNiMo钢的厚度为0.1mm-100mm。
3.根据权利要求1所述的Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢的制备方法，其特征在于，所述S1中，所述保温时间为10min-4h。
4.根据权利要求1所述的Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢的制备方法，其特征在于，所述S3中，所述加热速率和冷却速率均≥60℃/s以上。
5.根据权利要求1所述的Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢的制备方法，其特征在于，所述S6中的冷却速率以及S7中的加热速率均≥50℃/s 。
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