CN115820992A - 一种法兰用高强度耐磨钢材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钢材制备技术领域，具体为一种法兰用高强度耐磨钢材及其制备方法，包括以下制备工艺：（1）热处理：取钢材依次进行固溶处理、退火；（2）表面处理：依次进行渗钛、渗碳工艺；所述钢材为低碳含氮不锈钢。本发明通过在304不锈钢中加入氮、铬元素，实现钢材的高强度；并依次进行渗钛、渗碳处理，利用高温将钢材中的铬的氮化物分解，提高钢材的抗晶界腐蚀性能，然后生成钛的氮化物、钛的碳化物、钛铝化合物等以提高钢材的耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及钢材制备技术领域，具体为一种法兰用高强度耐磨钢材及其制备方法。
背景技术
法兰是管子与管子之间相互连接的零件，用于管端之间或两个设备之间进出口上的连接。法兰上有孔眼，螺栓使两法兰紧连。法兰间用衬垫密封。作为连接设备的关键部件，其受力复杂，在极限工况下，法兰发生屈服或几项强度破坏，会对设备造成致命损害，引起巨大的经济损失。根据实际应用，法兰的材料多种多样。作为不锈钢中常见的一种材质，304不锈钢在法兰制造中有着广泛的应用。但304不锈钢的屈服强度、硬度偏低，耐晶间腐蚀性不高，耐磨性能不够优异，使得所制法兰无法应对一些极限工况。因此，我们提出一种法兰用高强度耐磨钢材及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种法兰用高强度耐磨钢材及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种法兰用高强度耐磨钢材的制备方法，包括以下制备工艺：
（1）热处理：取钢材依次进行固溶处理、退火；
（2）表面处理：依次进行渗钛、渗碳工艺。
进一步的，所述钢材为低碳含氮不锈钢，包括以下化学成分：碳C：≤0.08%，锰Mn：≤1.50%，硅Si：≤0.75%，铬Cr：18.0～20.0%，镍Ni：8.0～10.5%，磷P：≤0.03%，硫S：≤0.02%，氮N：0.10～0.16%，钼Mo：2.0～3.0%，余量为Fe。
进一步的，固溶处理的具体工艺为：处理温度980～1050℃，保温时间2.0～2.5h，快冷。
进一步的，退火具体工艺为：处理温度300～400℃，保温时间1.0～3.0h。
在上述技术方案中，选择低碳含氮不锈钢作为钢材原料。碳原子和氮原子在钢中主要以间隙原子的形式存在，在奥氏体不锈钢（上述钢材）中，氮原子和碳原子主要存在于八面体间隙位置。与碳原子相比，氮原子能够在奥氏体不锈钢的晶格中产生更大的晶格膨胀，使得位错运动的阻力增大，从而能够提高钢材的强度。同时由于氮原子与位错的结合焓较高，使得氮原子对位错有着强烈的钉扎作用；并由于位错的核心由于缺少自由电子，而氮原子附近的自由电子较多，使得氮原子与位错之间存在静电相互作用，对钢材的强化效应增强。
氮原子还能够降低原子间电子交换的方向性，促进电子在晶体结构内的更均匀分布，利于氮的弥散强化。由于电子交换方向性降低，原子键合在位错滑移过程中并未发生减弱或受到破坏，含氮的奥氏体不锈钢能够保持较高的断裂韧性。在氮促进钢材获得高强度的同时，由于氮在奥氏体中的扩散系数高于碳、磷、硅等其他元素，碳的偏聚受到抑制，导致钢中碳化物形核的延迟，沉淀析出时间延长。杂质元素在晶界偏聚同样受到抑制；同时氮与铬形成铬的氮化物析出，提高了晶界腐蚀性能。随着氮含量的提高，会促进氮化物沿晶界析出，导致晶界铬的贫化，钢材的塑性、晶间腐蚀性能有所降低。为了使钢材获得高强度和优秀的表面性能，我们需要进行后续处理。
进一步的，所述渗钛具体包括以下工艺：
取海绵钛、氧化铝、氯化铵、碳酸钇研磨混合，得到包埋粉末；
将上一步骤中得到的钢材置于包埋粉末中，密封；加热至150～180℃，除水3h；
升温至900～1020℃，保温3～6h，空冷至室温，取出试样；
3000#砂纸将渗钛层表面疏松结构打磨去除，于丙酮中超声清洗。
进一步的，所述包埋粉末包括以下质量成分：47～77%海绵钛、13～47%高温焙烧氧化铝、1～3%氯化铵、5～7%碳酸钇。
在上述技术方案中，采用固体粉末包埋进行原位化学气相沉积其中，被渗物质为海绵钛，填充剂为高温焙烧氧化铝，催化剂为氯化铵。为了防止钢材、包埋物被氧化，需要隔绝氧气，在包埋粉末上层放置玻璃粉末。氯化铵在高温下分解并产生HCl，HCl与包埋粉末中的金属钛反应，并产生金属的气态氯化物。通过包埋粉末中的孔洞运动到钢材表面，在高温下，氯化物在钢材的表面分解，产生活性原子，以原子态传递金属钛。活性钛原子在不锈钢表面扩散并形成渗钛层。在工艺设置的高温下，钢材中的富铬相分解，活性钛与其中的氮反应，生成了细晶粒钛的氮化物，具有较高的稳定性，交错形成多重孪晶，能够阻碍位错运动，对钢材进行进一步的强化，其含量在钢材的表面至内芯呈梯度分布，且分散均匀性较高，能够避免金属钛在钢材中的直接加入造成TiO2和TiN以夹杂物存在，影响钢材的纯净度和表面质量；有助于改善钢材的表面的抗晶间腐蚀性能，提高钢材的表面强韧性和耐磨性能；同时富铬相中的元素铬析出，能够改善钢材的强度和硬度，缓解晶界铬的贫化，进一步提高钢材的晶间腐蚀性能。包埋粉末中还含有组分稀土元素（碳酸钇），能够吸附于钢材的表面，降低表面能，能够促进活性钛原子在钢材中的渗入与扩散；稀土元素能够盐晶界、位错等渗入钢材中，能够诱导钢材中的晶格发生畸变，与钛原子发生交互作用，使得稀土原子周围富集钛原子，受浓度差作用，使得钛原子在钢材中扩散，使得钛原子在钢材中的扩散加速，渗钛层的深度增加。稀土元素还能够参与钢材表面的合金化，改善钢材的表面硬度、强韧性、耐磨性等。
进一步的，所述渗碳具体包括以下工艺：
将上一步骤中得到钢材置于等离子渗碳炉中进行渗碳，通入氩气和甲烷，在900～980℃，碳化处理2～3h。
进一步的，所述氩气和甲烷的流量比为1:（1～4），氩气的气体流量为15～35sccm。
进一步的，源级材料为铝板，纯度为99.99%。
进一步的，控制炉内气压至35～40Pa，输出电压150～200V，占空比40%。
在上述技术方案中，钢材表面受到氩离子轰击，形成大量空位、位错等晶体缺陷，利于源级材料铝元素在钢材中由表及里的扩散；受轰击作用，钢材表面难以形成钝化膜，不会对碳原子的吸附、扩散造成妨碍，从而形成具有TiC、Ti2AlC、TiAl、Ti2Al、Ti3Al等金属间化合物的渗碳层，能够显著提高所制高强度耐磨钢材的耐腐蚀和耐磨性能。同时受渗钛层中氮化钛强韧性的影响，有助于改善渗碳层高硬度造成的脆性，提高所制高强度耐磨钢材的抗冲蚀耐磨性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明的法兰用高强度耐磨钢材及其制备方法，通过在304不锈钢中加入氮、铬元素，实现钢材的高强度；并依次进行渗钛、渗碳处理，利用高温将钢材中的铬的氮化物分解，提高钢材的抗晶界腐蚀性能，然后生成钛的氮化物、钛的碳化物、钛铝化合物等以提高钢材的耐磨性。
具体实施方式
下面将对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
海绵钛：粒径300目，纯度99.8%，来源于宝鸡市恒创金属制品有限公司；
氧化铝：α-Al2O3，粒径3000目，纯度99.9%，来源于北京兴荣源科技有限公司；
实施例1
（1）热处理：取钢材进行固溶处理，工艺为：处理温度980℃，保温时间2h，快冷；退火，工艺为：处理温度300℃，保温时间1h；
钢材为低碳含氮不锈钢，包括以下化学成分：碳C：0.06%，锰Mn：1.20%，硅Si：0.64%，铬Cr：18.0%，镍Ni：8.0%，磷P：0.025%，硫S：0.018%，氮N：0.10%，钼Mo：2.0%，余量为Fe；
（2）表面处理：
2.1渗钛：
取海绵钛、氧化铝、氯化铵、碳酸钇研磨混合，得到包埋粉末；
将上一步骤中得到的钢材置于包埋粉末中，密封；加热至150℃，除水3h；
升温至900～1020℃，保温3～6h，空冷至室温，取出试样；
3000#砂纸将渗钛层表面疏松结构打磨去除，于丙酮中超声清洗；
包埋粉末包括以下质量成分：47%海绵钛、47%高温焙烧氧化铝、1%氯化铵、5%碳酸钇；
2.2渗碳：
将上一步骤中得到钢材置于等离子渗碳炉中进行渗碳，通入氩气和甲烷，在900℃，碳化处理2h。
氩气和甲烷的流量比为1:1，氩气的气体流量为35sccm。
源级材料为铝板，纯度为99.99%。
控制炉内气压至35Pa，输出电压150V，占空比40%。
实施例2
（1）热处理：取钢材进行固溶处理，工艺为：处理温度1010℃，保温时间2.2h，快冷；退火，工艺为：处理温度350℃，保温时间2h；
钢材为低碳含氮不锈钢，包括以下化学成分：碳C：0.06%，锰Mn：1.40%，硅Si：0.67%，铬Cr：19.0%，镍Ni：9.2%，磷P：0.028%，硫S：0.018%，氮N：0.14%，钼Mo：2.4%，余量为Fe；
（2）表面处理：
2.1渗钛：
取海绵钛、氧化铝、氯化铵、碳酸钇研磨混合，得到包埋粉末；
将上一步骤中得到的钢材置于包埋粉末中，密封；加热至160℃，除水3h；
升温至960℃，保温4h，空冷至室温，取出试样；
3000#砂纸将渗钛层表面疏松结构打磨去除，于丙酮中超声清洗；
包埋粉末包括以下质量成分：67%海绵钛、25%高温焙烧氧化铝、2%氯化铵、6%碳酸钇；
2.2渗碳：
将上一步骤中得到钢材置于等离子渗碳炉中进行渗碳，通入氩气和甲烷，在940℃，碳化处理2.5h。
氩气和甲烷的流量比为1:3，氩气的气体流量为25sccm。
源级材料为铝板，纯度为99.99%。
控制炉内气压至36Pa，输出电压180V，占空比40%。
实施例3
（1）热处理：取钢材进行固溶处理，工艺为：处理温度1050℃，保温时间2.5h，快冷；退火，工艺为：处理温度400℃，保温时间3.0h；
钢材为低碳含氮不锈钢，包括以下化学成分：碳C：0.06%，锰Mn：1.50%，硅Si：0.74%，铬Cr：19.9%，镍Ni：10.4%，磷P：0.026%，硫S：0.017%，氮N：0.16%，钼Mo：3.0%，余量为Fe；
（2）表面处理：
2.1渗钛：
取海绵钛、氧化铝、氯化铵、碳酸钇研磨混合，得到包埋粉末；
将上一步骤中得到的钢材置于包埋粉末中，密封；加热至180℃，除水3h；
升温至1020℃，保温6h，空冷至室温，取出试样；
3000#砂纸将渗钛层表面疏松结构打磨去除，于丙酮中超声清洗；
包埋粉末包括以下质量成分：77%海绵钛、13%高温焙烧氧化铝、3%氯化铵、7%碳酸钇；
2.2渗碳：
将上一步骤中得到钢材置于等离子渗碳炉中进行渗碳，通入氩气和甲烷，在980℃，碳化处理3h。
氩气和甲烷的流量比为1:4，氩气的气体流量为15sccm。
源级材料为铝板，纯度为99.99%。
控制炉内气压至40Pa，输出电压200V，占空比40%。
对比例1
（1）热处理：取钢材进行固溶处理，工艺为：处理温度1080℃，保温时间2h，快冷；退火，工艺为：处理温度300℃，保温时间1h；
钢材为低碳含氮不锈钢，包括以下化学成分：碳C：0.06%，锰Mn：1.20%，硅Si：0.64%，铬Cr：18.0%，镍Ni：8.0%，磷P：0.025%，硫S：0.018%，钼Mo：2.0%，余量为Fe；
（2）表面处理：
2.1渗钛：
取海绵钛、氧化铝、氯化铵、碳酸钇研磨混合，得到包埋粉末；
将上一步骤中得到的钢材置于包埋粉末中，密封；加热至150℃，除水3h；
升温至900～1020℃，保温3～6h，空冷至室温，取出试样；
3000#砂纸将渗钛层表面疏松结构打磨去除，于丙酮中超声清洗；
包埋粉末包括以下质量成分：50%海绵钛、49%高温焙烧氧化铝、1%氯化铵；
2.2渗碳：
将上一步骤中得到钢材置于等离子渗碳炉中进行渗碳，通入氩气和甲烷，在900℃，碳化处理2h。
氩气和甲烷的流量比为1:1，氩气的气体流量为35sccm。
源级材料为铝板，纯度为99.99%。
控制炉内气压至35Pa，输出电压150V，占空比40%。
对比例2
（1）热处理：取钢材进行固溶处理，工艺为：处理温度980℃，保温时间2h，快冷；退火，工艺为：处理温度300℃，保温时间1h；
钢材为低碳含氮不锈钢，包括以下化学成分：碳C：0.06%，锰Mn：1.20%，硅Si：0.64%，铬Cr：18.0%，镍Ni：8.0%，磷P：0.025%，硫S：0.018%，氮N：0.10%，钼Mo：2.0%，余量为Fe；
（2）表面处理：
2.1渗钛：
取海绵钛、氧化铝、氯化铵、碳酸钇研磨混合，得到包埋粉末；
将上一步骤中得到的钢材置于包埋粉末中，密封；加热至150℃，除水3h；
升温至900～1020℃，保温3～6h，空冷至室温，取出试样；
3000#砂纸将渗钛层表面疏松结构打磨去除，于丙酮中超声清洗；
包埋粉末包括以下质量成分：50%海绵钛、49%高温焙烧氧化铝、1%氯化铵；
2.2渗碳：
将上一步骤中得到钢材置于等离子渗碳炉中进行渗碳，通入氩气和甲烷，在900℃，碳化处理2h。
氩气和甲烷的流量比为1:1，氩气的气体流量为35sccm。
源级材料为铝板，纯度为99.99%。
控制炉内气压至35Pa，输出电压150V，占空比40%。
对比例3
（1）热处理：取钢材进行固溶处理，工艺为：处理温度980℃，保温时间2h，快冷；退火，工艺为：处理温度300℃，保温时间1h；
钢材为低碳含氮不锈钢，包括以下化学成分：碳C：0.06%，锰Mn：1.20%，硅Si：0.64%，铬Cr：18.0%，镍Ni：8.0%，磷P：0.025%，硫S：0.018%，氮N：0.10%，钼Mo：2.0%，余量为Fe；
（2）表面处理——渗碳：
将上一步骤中得到钢材置于等离子渗碳炉中进行渗碳，通入氩气和甲烷，在900℃，碳化处理2h。
氩气和甲烷的流量比为1:1，氩气的气体流量为35sccm。
源级材料为铝板，纯度为99.99%。
控制炉内气压至35Pa，输出电压150V，占空比40%。
对比例4
（1）热处理：取钢材进行固溶处理，工艺为：处理温度980℃，保温时间2h，快冷；退火，工艺为：处理温度300℃，保温时间1h；
钢材为低碳含氮不锈钢，包括以下化学成分：碳C：0.06%，锰Mn：1.20%，硅Si：0.64%，铬Cr：18.0%，镍Ni：8.0%，磷P：0.025%，硫S：0.018%，氮N：0.10%，钼Mo：2.0%，余量为Fe；
（2）表面处理——渗钛：
取海绵钛、氧化铝、氯化铵、碳酸钇研磨混合，得到包埋粉末；
将上一步骤中得到的钢材置于包埋粉末中，密封；加热至150℃，除水3h；
升温至900～1020℃，保温3～6h，空冷至室温，取出试样；
3000#砂纸将渗钛层表面疏松结构打磨去除，于丙酮中超声清洗；
包埋粉末包括以下质量成分：47%海绵钛、47%高温焙烧氧化铝、1%氯化铵、5%碳酸钇。
对比例5
（1）热处理：取钢材进行固溶处理，工艺为：处理温度1080℃，保温时间2h，快冷；退火，工艺为：处理温度300℃，保温时间1h；
钢材为低碳含氮不锈钢，包括以下化学成分：碳C：0.06%，锰Mn：1.20%，硅Si：0.64%，铬Cr：18.0%，镍Ni：8.0%，磷P：0.025%，硫S：0.018%，钼Mo：2.0%，余量为Fe；
（2）表面处理——渗碳：
将上一步骤中得到钢材置于等离子渗碳炉中进行渗碳，通入氩气和甲烷，在900℃，碳化处理2h。
氩气和甲烷的流量比为1:1，氩气的气体流量为35sccm。
源级材料为铝板，纯度为99.99%。
控制炉内气压至35Pa，输出电压150V，占空比40%。
实验
取实施例1-3、对比例1-5中得到的高强度耐磨钢材，制得试样，分别对其性能进行检测并记录检测结果：采用显微维氏硬度计测试试样的表面硬度，试验载荷为0.025N，饱荷时间15s；
采用极化测试试样方法测试试样的耐蚀性，试验温度25℃，相对湿度35%，中性腐蚀环境为3.5%的NaCl溶液，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，电位扫描速率1mV/s，选择自腐蚀电位来表征试样的耐蚀性；
采用王府摩擦磨损试验机，对试样的耐磨性进行测试，摩擦副为直径4.16mm的刚玉球，法向载荷5N，频率2Hz，往复距离5mm总化冻形成30cm，试验温度25℃，相对湿度65%；
以GB/T 228.1为参考标准，采用万能测试拉伸试验机对试样的屈服强度、抗拉强度进行测试。
根据上表中的数据，可以清楚得到以下结论：
实施例1-3中得到的高强度耐磨钢材与对比例1-5中得到的高强度耐磨钢材形成对比，检测结果可知，
与对比例相比，实施例1-3中得到的高强度耐磨钢材，具有更高的硬度、自腐蚀电位、屈服强度、抗拉强度数据和更低的磨损体积，这充分说明了本发明实现对所制高强度耐磨钢材耐磨性、强度和耐蚀性的提高。
与实施例1相比，对比例1中将钢材替换为304不锈钢，并删除了包埋粉末中的组分碳酸钇；对比例2中删除了包埋粉末中的组分碳酸钇；对比例3表面处理工艺仅为渗碳；对比例4表面处理工艺仅为渗钛；对比例5中将钢材替换为304不锈钢，表面处理工艺仅为渗碳；其硬度、自腐蚀电位、屈服强度、抗拉强度数据下降，磨损体积上升；可知本申请对工艺及所使用物料的设置，能够促进所制高强度耐磨钢材强度、耐磨性和耐蚀性的改善。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程方法物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程方法物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改等同替换改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种法兰用高强度耐磨钢材的制备方法，其特征在于：包括以下制备工艺：
（1）热处理：取钢材依次进行固溶处理、退火；
（2）表面处理：依次进行渗钛、渗碳工艺；
所述钢材为低碳含氮不锈钢。
2.根据权利要求1所述的一种法兰用高强度耐磨钢材的制备方法，其特征在于：所述钢材包括以下化学成分：C：≤0.08%，Mn：≤1.50%，Si：≤0.75%，Cr：18.0～20.0%，Ni：8.0～10.5%，P：≤0.03%，S：≤0.02%，N：0.10～0.16%，Mo：2.0～3.0%，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种法兰用高强度耐磨钢材的制备方法，其特征在于：所述固溶处理的具体工艺为：处理温度980～1050℃，保温时间2.0～2.5h。
4.根据权利要求1所述的一种法兰用高强度耐磨钢材的制备方法，其特征在于：所述退火具体工艺为：处理温度300～400℃，保温时间1.0～3.0h。
5.根据权利要求1所述的一种法兰用高强度耐磨钢材的制备方法，其特征在于：所述渗钛具体包括以下工艺：
取海绵钛、氧化铝、氯化铵、碳酸钇研磨混合，得到包埋粉末；
将步骤（1）中得到的钢材置于包埋粉末中，密封；
升温至900～1020℃，保温3～6h，空冷至室温。
6.根据权利要求5所述的一种法兰用高强度耐磨钢材的制备方法，其特征在于：所述包埋粉末包括以下质量成分：47～77%海绵钛、13～47%氧化铝、1～3%氯化铵、5～7%碳酸钇。
7.根据权利要求1所述的一种法兰用高强度耐磨钢材的制备方法，其特征在于：所述渗碳具体包括以下工艺：
将渗钛后得到的钢材置于等离子渗碳炉中进行渗碳，通入氩气和甲烷，在900～980℃，碳化处理2～3h。
8.根据权利要求7所述的一种法兰用高强度耐磨钢材的制备方法，其特征在于：所述氩气和甲烷的流量比为1:（1～4），氩气的气体流量为15～35sccm。
9.根据权利要求7所述的一种法兰用高强度耐磨钢材的制备方法，其特征在于：所述渗碳工艺中源级材料为铝板。
10.根据权利要求1-9任一项所述制备方法制得的一种法兰用高强度耐磨钢材。
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| 倪俊杰: "现代模具强化新技术新工艺", 机械工业出版社, pages: 206 * |
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