CN118703906B - 一种轴系用钢合金金属材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于低温钢技术领域，具体涉及一种轴系用钢合金金属材料及其制备方法和应用。该方法包括以下步骤：1)按照轴系用钢合金金属材料的组成，通过原料制备钢坯；2)对步骤1)得到的钢坯依次进行锻造、扩氢、热处理和油冷淬火，然后进行回火处理；3)对钢材先在Ac1与Ac3的温度区间内进行退火处理，再进行高温回火，最后低温回火处理。本发明在铁合金金属材料中合理添加金属元素，冶炼出具有良好疲劳性能的铁合金材料，该铁合金材料能应用到高强、高硬、低温、腐蚀性等生产环境中，适用范围广。

Description

一种轴系用钢合金金属材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于低温钢技术领域，具体涉及一种轴系用钢合金金属材料及其制备方法和应用。

背景技术

材料的疲劳是指材料在循环载荷作用下局部产生损伤，随着循环进行损伤累积导致材料失效的行为。近几十年来材料疲劳破坏引起的事故频繁发生，按照传统的常规设计方法所设计的构件在要求高可靠度的领域内已远远不能满足现代工业发展的需要，这使得人们对设备疲劳破坏产生的影响越发重视。而且随着常规可开采能源逐渐枯竭，开发利用海洋资源已经成为未来能源利用的必然趋势；极地及深海区域具有丰富的能源储量，受到越来越多的关注。同时，随着北极航线的逐渐开通，对海洋资源的开采逐渐由浅海向深海区域、极地高寒区域发展，将极大促进高冰级破冰船舶的需求与发展。

极地自然条件恶劣，存在低温考验、海冰阻碍、冰山袭击、暴风雪袭击、生态环境脆弱、极夜困扰、能见度差等挑战，对相关装备、材料性能要求较高。极地的超低温环境对材料的耐低温、耐腐蚀、耐磨损、易焊接、高韧性等关键技术提出了需求。根据英国劳氏船级社对近700条极地船舶长达40年的跟踪调查，57％极地船舶在平均13年船龄后船体钢结构出现裂纹或断裂现象。高冰级大功率轴系用钢通常采用特殊低温钢，必须具备足够的低温韧性、强度、疲劳强度等综合性能。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种轴系用钢合金金属材料及其制备方法和应用。

本发明所提供的技术方案如下：

一种轴系用钢合金金属材料，包括以下质量分数的各成分：

碳0.3-0.38％；

硅0.17-0.37％；

锰0.5-0.8％；

铬1.3-1.7％；

镍1.3-1.7％；

钼0.2-0.3％；

铜小于或等于0.25％；

磷小于或等于0.025％；

硫均小于或等于0.025％；

铁为余量。

上述技术方案中：

上述技术方案采用中碳低合金钢的设计思路，碳含量≤0.45％，碳的降低可显著提高相变温度，有利于针状铁素体的形成；降低碳可有效减少偏析以保证厚样棒组织的均匀性，减少后期固态相变带来的有害组织；碳含量降低可焊性增加，可保证一般在寒冷地区施焊时不用预处理和后处理。

Mn添加过多会带来钢种的Mn偏析造成的M/A组织的产生，因此Mn含量控制在0.5-0.8％。

Si含量过高对于焊接热影响区的韧性不利，因此，将钢中的Si控制在≤0.37％。

Cr可以显著提高合金的耐腐蚀性能，形成一层致密的氧化铬膜来保护合金表面。

Ni可以提高合金的低温韧性和强度，并改善合金的耐腐蚀性和抗磨性能。

Mo和V可以显著提高合金的强度和硬度，并且能够提高合金的耐腐蚀性，有助于抑制晶界腐蚀和应力腐蚀开裂。

该金属材料屈服强度大于480MPa。

进一步的，在合金中添加0.7-0.9％的Zr元素，优选的，为0.8％，进一步提高抵抗疲劳的性能。

进一步的，在合金中添加0.11％-0.13％的Ti元素，优选的，为0.12％，进一步提高抵抗疲劳的性能。

本发明还提供了轴系用钢合金金属材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照轴系用钢合金金属材料的组成，通过原料制备钢坯；

2)对步骤1)得到的钢坯依次进行锻造、扩氢、热处理和油冷淬火，然后进行回火处理；

3)对钢材先在Ac1与Ac3的温度区间内进行退火处理，再进行高温回火，最后低温回火处理。

上述技术方案中：

步骤3)中，在相变点Ac1与Ac3的温度区间内进行退火处理，再进行低温回火处理，组织更加均匀细化。

步骤3)中，高温回火使保留的奥氏体体积分布更均匀，具有中等的稳定性，从而提高了延性和冲击韧性，而额外的回火通过控制沉淀物的二次沉淀来补偿强度的下降。

步骤3)中，低温回火的温度的降低，实验钢的抗拉强度和屈服强度增加，奥氏体回火温度对冲击吸收的能量有显著影响。特别是，随着奥氏体加热温度的降低，冲击吸收的能量显著增加。

步骤3)中，高温回火后，在边界处沉淀的回化碳化物的形态受基质碳含量和板条马氏体子结构尺寸的控制。较高的基质碳含量和边界密度增加了成核速率，促进了球形碳化物的形成。

步骤2)的调质+步骤3)的低温回火冶炼方式提高材料洁净度，以便抑制疲劳裂纹的形成，同时采用微合金化的方法细化渗碳层晶粒，提高疲劳裂纹萌生及扩展抗力。

步骤2)的调质+步骤3)的低温回火热处理工艺，试样中的表层残留奥氏体含量较原样低，且分布更为均匀，有利于获得更好的疲劳性能。

上述步骤中，调质为步骤3)中的退火处理和高温回火。

具体的，步骤1)中，锻造的条件为：在840-860℃的温度下进行锻造，优选在850℃下进行锻造。

基于上述条件的锻造，可以使材料产生塑性变形，以获得具有一定机械性能、形状和尺寸。

具体的，步骤2)中，扩氢的条件为：在650-670℃的温度下保温20-40分钟，优选在660℃下保温半小时。

基于上述条件的扩氢，可以杜绝锻材的白点缺陷。

具体的，步骤2)中，热处理的条件为：在860-880℃的温度下保温20-40分钟，再以油冷的方式进行淬火。优选的，在870℃下保温半小时，再油冷至室温。

基于上述条件的热处理，可以避免产生淬硬组织和减小应力与变形，获得一定的机械性能，是防止产生裂纹的有效方法。

具体的，步骤2)中，回火处理的条件为：在570-590℃的温度下进行回火，保温1.5-2.5小时，然后冷却至室温。优选的，在580℃下保温2小时。

基于上述条件的回火处理，可以减小应力与变形，获得一定的机械性能。

具体的，步骤3)中：

Ac1的值为681-690℃；

Ac3的值为782-793℃；

退火处理的条件为：先加热到840-860℃，保温20-40分钟，然后降温至740-760℃，保温20-40分钟，进行亚临界退火，然后水冷至室温。优选的，先加热到850℃，保温30分钟，然后降温至750℃，保温30分钟，进行亚临界退火，然后水冷至室温。

基于上述条件的退火处理，可以改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸。

具体的，步骤3)中：高温回火的条件为：在590-610℃下保温1.5-2.5小时。优选的，在580℃下保温2小时。

基于上述条件的高温回，得到良好的综合机械性能。

具体的，步骤2)中：低温回火的条件为：在290-310℃下保温20-40分钟。优选的，在300℃下保温半小时。

基于上述条件的低温回火，可以消除淬火产生的内应力，以取得预期的力学性能。

本发明还提供了根据上述制备方法制备得到的轴系用钢合金金属材料。钢中发现了铁素体相和马氏体相在厚度方向上交替排列的微层压微观结构。马氏体保证了钢材较高的拉伸强度，铁素体则保证了较好的韧性，相互交替排列可以阻碍位错，从而获得更好的强化效果。

34CrNiMo钢在-10℃低温下冲击值不低于27J，且单次冲击值都大于19J，符合船舶行业标准CB/T4312-2013种对冰区航行的船舶，螺旋桨轴、舵轴(杆)和舵销在低温冲击韧性中的行业要求。

34CrNiMo钢经180°弯曲变形后，试件完好、未见裂纹，具有良好的冷弯塑性。

34CrNiMo钢泊松比均值为0.277，杨氏模量均值为201.8775GPa，剪切模量均值为79.836GPa，具有好的刚度和韧性以及对剪切变形的抵抗力。

本发明还提供了轴系用钢合金金属材料的应用，作为低温环境下工作的轴系用钢。

本发明的有益效果是：

本发明铁合金金属材料中合理添加金属元素，冶炼出具有良好疲劳性能的铁合金材料，该铁合金材料能应用到高强、高硬、低温、腐蚀性等生产环境中，适用范围广。

附图说明

图1是为本发明实施1提供的34CrNiMo金属材料表面微观形貌图。

图2为本发明实施1提供的34CrNiMo金属材料的SEM图。

图3为本发明实施1提供的34CrNiMo金属材料的疲劳性能试验结果。

图4为本发明实施1提供的34CrNiMo金属材料的CCT图。

图5为本发明实施1提供的34CrNiMo金属材料的TTT图。

图6为本发明实施1的热处理过程图。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

化学成分及重量百分比为：碳0.36％；硅0.27％；锰0.59％；铬1.63％；镍1.59％；钼0.25％；铜0.10％；磷0.003％；硫0.005％；铁为余量。

制备方法具体如下：

1)按照轴系用钢合金金属材料的组成，通过原料制备钢坯；

2)对步骤1)得到的钢坯依次进行锻造、扩氢、热处理和油冷淬火，然后进行回火处理；

3)对钢材先在Ac1与Ac3的温度区间内进行退火处理，再进行高温回火，最后低温回火处理。

步骤2)中，锻造的条件为：在850℃下进行锻造。

步骤2)中，扩氢的条件为：在660℃左右的温度下保温半小时。

步骤2)中，热处理的条件为：在870℃的温度下保温半小时，再以油冷的方式进行淬火。

步骤2)中，回火处理的条件为：在580℃下进行回火，保温两小时。

步骤3)中：Ac1的值为690℃；Ac3的值为793℃；退火处理的条件为：先加热到850℃，保温30分钟，然后降温至740℃，保温30分钟，进行亚临界退火，然后水冷至室温。

步骤3)中：高温回火的条件为：在600℃下保温2小时。

步骤3)中：低温回火的条件为：在300℃下保温半小时。

热处理过程如图6所示。

所测得的性能数据具体如下：

实施例2

化学成分及重量百分比为：碳0.34％；硅0.26％；锰0.58％；铬1.61％；镍1.57％；钼0.25％；铜0.10％；磷0.003％；硫0.005％；铁为余量。

制备方法具体如下：

1)按照轴系用钢合金金属材料的组成，通过原料制备钢坯；

2)对步骤1)得到的钢坯依次进行锻造、扩氢、热处理和油冷淬火，然后进行回火处理；

3)对钢材先在Ac1与Ac3的温度区间内进行退火处理，再进行高温回火，最后低温回火处理。

步骤2)中，锻造的条件为：在850℃下进行锻造。

步骤2)中，扩氢的条件为：在660℃左右的温度下保温半小时。

步骤2)中，热处理的条件为：在870℃的温度下保温半小时，再以油冷的方式进行淬火。

步骤2)中，回火处理的条件为：在580℃下进行回火，保温两小时。

步骤3)中：Ac1的值为688℃；Ac3的值为791℃；退火处理的条件为：先加热到850℃，保温30分钟，然后降温至750℃，保温30分钟，进行亚临界退火，然后水冷至室温。

步骤3)中：高温回火的条件为：在600℃下保温2小时。

步骤3)中：低温回火的条件为：在300℃下保温半小时。

所测得的性能数据具体如下：

实施例3

化学成分及重量百分比为：碳0.32％；硅0.25％；锰0.57％；铬1.59％；镍1.55％；钼0.25％；铜0.10％；磷0.003％；硫0.005％；铁为余量。

制备方法具体如下：

1)按照轴系用钢合金金属材料的组成，通过原料制备钢坯；

2)对步骤1)得到的钢坯依次进行锻造、扩氢、热处理和油冷淬火，然后进行回火处理；

3)对钢材先在Ac1与Ac3的温度区间内进行退火处理，再进行高温回火，最后低温回火处理。

步骤2)中，锻造的条件为：在850℃下进行锻造。

步骤2)中，扩氢的条件为：在660℃左右的温度下保温半小时。

步骤2)中，热处理的条件为：在870℃的温度下保温半小时，再以油冷的方式进行淬火。

步骤2)中，回火处理的条件为：在580℃下进行回火，保温两小时。

步骤3)中：Ac1的值为681℃；Ac3的值为782℃；退火处理的条件为：先加热到850℃，保温30分钟，然后降温至750℃，保温30分钟，进行亚临界退火，然后水冷至室温。

步骤3)中：高温回火的条件为：在600℃下保温2小时。

步骤3)中：低温回火的条件为：在300℃下保温半小时。

所测得的性能数据具体如下：

上述各实施例采用中碳合金钢的设计思路，可有效减少偏析以保证厚样棒组织的均匀性，减少后期固态相变带来的有害组织；碳含量降低可焊性增加，可保证一般在寒冷地区施焊时不用预处理和后处理。锰的添加可补充由于降低碳带来的强化效果的损失，但是锰添加过多会带来钢种的锰偏析造成的M/A组织的产生，因此锰添加不易过高。Si是钢中的常用脱氧与合金化元素，Si含量过高对于焊接热影响区的韧性不利，因此，将钢中的Si控制在≤0.37％。，同时在此基础上对其进行不同的热处理也可以对其有不同的影响。高温临界间退火加速了渗碳体颗粒的溶解，促进了还原奥氏体的形成，进而增加了总伸长率和冲击能。在额外回火促进了马氏体中沉淀物的密集沉淀。沉淀物细，大小均匀，密度高，强化效果显著。强化补偿了高温退火的软化，使钢的屈服强度得到了提高。在热处理前轴向循环载荷的最大应力范围为450MPa～550MPa，在热处理后应力范围增加到了700MPa～800MPa。热处理后疲劳试样在700MPa处应力水平下均超过了10⁷次循环而未发生试样断裂。在700MPa～750MPa应力水平下疲劳试样的循环周期在靠近10⁷次循环而未发生试样断裂，在应力水平达到800MPa时试样的循环周期才有显著下降的趋势，且此时的疲劳寿命仍超过了10⁵次循环而未发生试样断裂。因此，可以确定热处理后34CrNiMo合金的疲劳极限强度在700MPa～750MPa。因此可见热处理后试样的疲劳强度得到了显著提升。

通过对比例可以看出，在700MPa～750MPa应力水平下疲劳试样的循环周期在靠近10⁷次循环而未发生试样断裂，在应力水平达到800MPa时试样的循环周期才有显著下降的趋势，且此时的疲劳寿命仍超过了10⁵次循环而未发生试样断裂。因此，可以确定热处理后34CrNiMo合金的疲劳极限强度在700MPa～750MPa。因此可见热处理后试样的疲劳强度得到了显著提升。

图1为本发明实施1提供的34CrNiMo金属材料表面微观形貌图。从图中可以看出，显微组织均为铁素体和珠光体复合组织，图中黑色区域为珠光体组织，白色区域为多边形铁素体组织。

图2为本发明实施1提供的34CrNiMo金属材料的SEM图。从图中可以看出有少量偏析组织。

图3为本发明实施1提供的34CrNiMo金属材料的疲劳性能试验结果。从图中可以看出在热处理前轴向循环载荷的最大应力范围为450MPa～550MPa，在热处理后应力范围增加到了700MPa～800MPa。

图4为本发明实施1提供的34CrNiMo金属材料的CCT图。从图中可以看出，不同的冷却速度下最终得到的组织是不同的，当冷却速度较快时(100K/s-10K/s)，有马氏体和贝氏体生成，在冷却速度适中时(10K/s-1K/s)，除了生成马氏体和贝氏体，还生成少量珠光体，当冷却速度较慢时(1K/s-0.1K/s)，生成组织种类较多，除了上述所提到的组织，还有铁素体生成。

图5为本发明实施1提供的34CrNiMo金属材料的TTT图。从图中可以看出，在不同的温度区间会发生不同的相变，在1033.6℃-1017℃范围内发生珠光体转变，转变产物主要为珠光体组织；在1017℃-812.4℃范围内不仅发生珠光体转变，还会发生奥氏体向铁素体的转变；在812.4-588.4℃范围内，发生贝氏体转变，会有大量的贝氏体组织生成；在588.4-469.7℃范围内发生马氏体转变。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种轴系用钢合金金属材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）按照轴系用钢合金金属材料的组成，通过原料制备钢坯；

2）对步骤1）得到的钢坯依次进行锻造、扩氢、热处理和油冷淬火，然后进行回火处理；

3）对钢材先进行退火处理，再进行高温回火，最后低温回火处理；

所述轴系用钢合金金属材料包括以下质量分数的各成分：

碳0.3-0.38%；

硅0.17-0.37%；

锰0.5-0.8%；

铬1.3-1.7%；

镍1.3-1.7%；

钼0.2-0.3%；

铜小于或等于0.25%；

磷小于或等于0.025%；

硫小于或等于0.025%

铁为余量；

步骤3）中：

退火处理的条件为：先加热到840-860℃，保温20-40分钟，然后降温至740-760℃，保温20-40分钟，然后水冷至室温；

高温回火的条件为：在590-610℃下保温1.5-2.5小时；

低温回火的条件为：在290-310℃下保温20-40分钟。

2.根据权利要求1所述的轴系用钢合金金属材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中，锻造的条件为：在840-860℃的温度下进行锻造。

3.根据权利要求1所述的轴系用钢合金金属材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中，扩氢的条件为：在650-670℃的温度下保温20-40分钟。

4.根据权利要求1所述的轴系用钢合金金属材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中，热处理的条件为：在860-880℃的温度下保温20-40分钟，再以油冷的方式进行淬火。

5.根据权利要求1所述的轴系用钢合金金属材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中，回火处理的条件为：在570-590℃的温度下进行回火，保温1.5-2.5小时，然后冷却至室温。

6.一种根据权利要求1至5任一项所述的制备方法制备得到的轴系用钢合金金属材料。

7.一种根据权利要求6所述的轴系用钢合金金属材料的应用，其特征在于：作为低温环境下工作的轴系用钢。