利用混合硬化對馬氏體鋼進行的低溫處理的製作方法

2023-08-03 04:09:41 2

專利名稱：利用混合硬化對馬氏體鋼進行的低溫處理的製作方法
技術領域：
本發明涉及馬氏體鋼的製造方法，馬氏體鋼包括其它金屬含量從而使得鋼可以由金屬間化合物和碳化物析出而得到硬化，其中，Al含量在0. 4%和3%之間，馬氏體相變溫度Mf在0°C以下，該熱處理方法包括如下步驟(a)將鋼整體加熱到奧氏體化溫度AC3以上；(b)將所述鋼冷卻至大約環境溫度；(c)將所述鋼放入任意低溫介質中。
背景技術：
對於特定應用，尤其是渦輪機傳動軸，需要使用直至400°C都具有非常高機械強度 (屈服強度和斷裂負荷)且同時對脆性斷裂(高剛性和韌性)具有良好抗性的鋼。這些鋼具有良好的疲勞行為。在文獻FR 2，885，142中如下地給出了對這種鋼的組分(重量百分比)的描述 0. 18至0. 3%的C、5至7%的Co、2至5%的Cr、l至2%的Al、l至4%的Mo+W/2、微量至 0. 3%的V、微量至0. 的Nb、微量至50ppm的B、10. 5至15%的Ni其中Ni彡7+3. 5A1、微量至0. 4%的Si、微量至0. 4%的Mn、微量至500ppm的Ca、微量至500ppm的稀土、微量至 500ppm的Ti、微量至50ppm的0(熔融金屬的產物)或者微量至200ppm的0(粉末冶金的產物)、微量至IOOppm的N、微量至50ppm的S、微量至1 %的Cu、微量至200ppm的P，其餘為Fe。這種鋼具有非常高的機械強度(斷裂負荷在2000至2500Mpa之間)，同時還具有非常良好的彈性(180 · IO3J/m2)和韌度(40至60 MPa.『)以及良好的疲勞行為。這些機械特徵由於鋼所經受的熱處理而獲得。具體地說，鋼經歷如下處理加熱鋼並將其保持在奧氏體化溫度AC3以上直至其溫度大致均質為止，然後將鋼冷卻至大約環境溫度，接著將鋼放置在並保持在低溫封閉物中。「低溫」指的是0°C以下的溫度。將這種鋼放置到低溫封閉物中的目的是為了使鋼中的剩餘奧氏體含量最少，即為了將奧氏體最大地轉變成鋼中的馬氏體。事實上，鋼的機械強度特性與其奧氏體含量相反地增大。對於本發明所涵蓋的鋼，馬氏體相變溫度Mf包括在根據熱動平衡條件下所估算的-30°C和-40°C之間。為了保證奧氏體最大地轉變成馬氏體，通常認為低溫封閉物中的溫度必須稍微低於馬氏體相變溫度Mf。從而，考慮到奧氏體轉變成馬氏體的固有性質，允許的是低溫封閉物中的溫度必須低於-40°C並且在鋼的溫度最高的部分到達該溫度時會發生最大地轉變成馬氏體的情況。然後從低溫封閉物中移除鋼。然而，對經過這種低溫處理的該鋼進行的機械硬度和張力測試的結果表明鋼的機械特性具有大的分散性，這是一種不理想的狀況。此外，這些結果在低溫處理參數方面不遵循正態統計規律，相反地，這些結果根據熱處理條件而基於多個正態規律的總合分布，尤其在放入低溫介質時。這種傳遞行為還增強了計算出的分散性(當一個覆蓋同一族中的所有這些結果時)並降低了平均值。於是更進一步降低了規格曲線的最小值(根據小於平均值三個標準偏差計算得到)。

發明內容
本發明旨在解決這些缺陷。本發明的目的在於提出可以降低機械特性分散性的這種類型鋼處理方法，產生遵循正態統計定律的分散性並且平均地提高這些機械特性。由於以下事實而實現了本發明的目的溫度T1基本上低於馬氏體相變溫度Mf，並且從鋼的溫度最高的部分達到低於馬氏體相變溫度Mf的溫度時在溫度T1將所述鋼保持在所述低溫介質中的時間t至少等於非零的時間、。由於這些條件，放入低溫介質中的鋼中的可能轉變成馬氏體的所有奧氏體發生最大轉變。最大轉變意味著鋼中的殘餘奧氏體含量在所有鋼中最小。由於奧氏體含量在所有鋼中是均質的，因此降低了機械特性值的分散性。此外，這些值平均地增大，這是因為鋼中的奧氏體含量最小。例如，溫度T1 (以。C表示，公差為士5°C )和時間、(以小時表示，公差為士5% ) 基本上以如下等式聯繫起來T1 = Mt1),其中，f (t) = 57. 666 X (1-1/(t0.3_0· 14) L 5) -97. 389。有利地，在步驟(b)的冷卻過程中，當部件的表面溫度達到溫度80°C之後，將所述鋼放入所述低溫介質中小於70小時。這樣，通過將鋼放入低溫介質中而可以期望鋼中的奧氏體轉變成馬氏體的最大轉化率儘可能的高。


在閱讀下文對示為非限制性實例的實施例的詳細說明之後，可以更好地理解本發明並且更加清楚本發明的優點。下文的說明參考了附圖，其中圖1示出了在根據本發明的方法中，在鋼的溫度最高的部分達到了低於馬氏體轉換溫度Mf的溫度之後將鋼保持在低溫封閉物中的時間、與低溫封閉物中的溫度T1之間的等式 T1 = fa)。圖2示出了作為低溫封閉物中的溫度T1的函數的殘留於鋼中的奧氏體的水平隨著不同的時間、的變化，其中，時間、是鋼的溫度最高的部分達到低於馬氏體相變溫度Mf 的溫度之後將鋼保持在低溫封閉物中的時間。圖3示出了作為低溫封閉物中的溫度T1的函數的鋼的硬度隨著不同時間、的變化，其中，時間、是鋼的溫度最高的部分達到低於馬氏體相變溫度Mf的溫度之後將鋼保持在低溫封閉物中的時間。圖4示出了的變化作為鋼從奧氏體化溫度到冷卻結束的時間間隔和所述鋼在低溫封閉物中的位移的函數的殘留於鋼中的奧氏體的水平隨不同時間、的變化，其中，、是鋼的溫度最高的部分達到低於馬氏體相變溫度Mf的溫度之後將鋼保持在低溫封閉物中的時間。
具體實施例方式如上文所述，為了使殘留奧氏體含量最小，對本申請所涵蓋的鋼進行如下處理將該鋼加熱並將其保持在奧氏體化溫度以上直到其溫度大致均質為止，然後將鋼冷卻至大約環境溫度，接著將鋼放置並保持在低溫主導的封閉物中。本發明的發明人對已經過上述處理的這些鋼進行了測試。這些鋼具有以下組分 0. 200%至 0. 250% 的 C、12. 00%至 14. 00% 的 Ni、5. 00%至 7. 00% 的 Co、2. 5%至 4. 00% 的 CrU. 30 至 1. 70%的 Α1、1· 00%至 2. 00%的 Mo。根據這些測試結果，圖2示出了作為低溫封閉物中的溫度T1的函數的殘留於鋼中的奧氏體的水平隨著不同時間、的變化，其中，時間、是鋼的溫度最高的部分達到低於馬氏體相變溫度Mf的溫度之後將所述鋼保持在所述低溫封閉物中的時間。這些結果表明，如果在鋼的溫度最高的部分達到低於馬氏體相變溫度Mf的溫度之後將鋼保持在低溫封閉物中達兩個小時，為了使殘餘奧氏體水平最低，則需要封閉物的溫度低於或等於-90°C。高於-90°C，殘餘奧氏體水平較高。低於-90°C，殘餘奧氏體水平基本上保持恆定並且等於其最小值，在該情況下大約為2. 5% (其測量考慮到測量的自散)。相似地，如果在鋼的溫度最高的部分達到低於馬氏體相變溫度Mf的溫度之後將鋼保持在低溫封閉物中達五個或八個小時，為了使殘餘奧氏體水平最低，則需要封閉物的溫度分別低於或等於-71°C和-67°C。 結果表明，在所有情況下，殘餘奧氏體水平基本上相同。更通常的是，在時間、和溫度T1位於圖1給出的曲線T1 = f U1)下方時，殘餘奧氏體含量最小並大致恆定。該曲線的等式為f (t) = 57. 666 X (1-1/(t°. 3_0· 14) L 5) -97. 389。曲線T1 = Mt1)給出了低溫室內的溫度1\(以。C來表示)，其中，在鋼的溫度最高的部分達到低於馬氏體相變溫度Mf的溫度之後必須將鋼保持在低溫室中達一定時長 、(以小時來表示)從而使鋼的所有區域儘可能地轉變為馬氏體，因此具有最小且均質的殘餘奧氏體含量。曲線T1 = f U1)通過下表1給出的實驗結果的統計近似值獲得。因此，應該理解至|J，對於鋼的溫度最高的部分達到低於馬氏體相變溫度Mf的溫度之後將鋼保持在低溫室中的預定時間、，該室中的溫度必須大約等於或小於曲線T1 = f(t》所給出的溫度。函數 f對t的一階導數f' (t)為正，f對t的二階導數f" (t)為負。該曲線的形狀對於該族中的所有鋼均適用，並且作為鋼的化學成分的函數在豎直方向(溫度變化)上平移。該等式的水平漸近線(需要無窮保持時間、的溫度T1,即封閉物的最高可能溫度)取決於鋼的化學成分(該成分直接影響起始馬氏體相變溫度Ms和結束馬氏體相變溫度Mf)。對於所討論的鋼，該溫度大約等於-40°C。所需的最小保持時間、 大約等於1個小時，並且對於該族中的所有鋼均大致恆定。
權利要求
1.馬氏體鋼的製造方法，所述馬氏體鋼包括其它金屬含量從而使得鋼可以由金屬間化合物和碳化物析出而得到硬化，Al含量在0. 4%和3%之間，馬氏體相變溫度Mf在0°C以下，該熱處理方法包括如下步驟將鋼整體加熱到奧氏體化溫度以上； 將所述鋼冷卻至大約環境溫度； 將所述鋼放入任意低溫介質中； 所述方法的特徵在於，溫度T1基本上低於馬氏體相變溫度Mf，當鋼的溫度最高的部分達到低於馬氏體相變溫度Mf的溫度時將所述鋼保持在所述低溫介質中的時間至少等於非零的時間、，以。C為單位的溫度T1和以小時為單位的時間、基本上由等式T1 = f U1)聯繫在一起，函數f基本上由下式表示f (t) = 57. 666 X (1-1/(t0.3-0· 14) L 5) -97. 389 或由相對於f(t)的溫度相變曲線表示。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述鋼具有如下成分0.18至0.3%的C、 5至7 %的Co、2至5%的Cr、1至2 %的Al、1至4%的Mo+W/2、微量至0. 3%的V、微量至0.的Nb、微量至50ppm的量B、10. 5至15 %的Ni，其中Ni彡7+3. 5A1、微量至0. 4%的 Si、微量至0. 4%的Mn、微量至500ppm的Ca、微量至500ppm的稀土、微量至500ppm的Ti、 作為熔融金屬的產物的微量至50ppm的0或者作為粉末冶金的產物的微量至200ppm的0、 微量至IOOppm的N、微量至50ppm的S、微量至的Cu、微量至200ppm的P，其餘為狗。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述鋼具有如下成分0.200%至0. 250% 的 C、12. 00% M 14. 00 % 的 Ni、5. 00 % 至 7. 00 % 的 Co,2. 5 % 至 4. 00 % 的 Cr、1. 30 % M1.70%的 Α1、1· 00%至 2. 00%的 Mo。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於，需要的所述最小保持時間、 長於1個小時。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特徵在於，在步驟(b)中，通過將鋼在淬火性能至少與空氣的淬火性能相同的介質中淬火以將所述鋼冷卻至大約環境溫度。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特徵在於，在步驟(b)的冷卻過程中， 當部件的表面溫度達到溫度80°C之後，將所述鋼放入所述低溫介質中的時間小於70小時。
7.一種使用根據以上權利要求中任一項的方法獲得的鋼所製得的部件，其特徵在於， 所述鋼中的殘餘奧氏體水平小於3 %。
8.一種根據權利要求1至6中任一項的方法獲得的鋼所製得的渦輪機傳動軸，其特徵在於，所述鋼中的殘餘奧氏體水平小於3 %。
全文摘要
本發明涉及馬氏體鋼的製造方法，馬氏體鋼包括其它金屬含量從而使得鋼可以由金屬間化合物和碳化物析出而得到硬化，其中，Al含量在0.4％和3％之間，該熱處理方法包括如下步驟(a)將鋼整體加熱到奧氏體化溫度以上；(b)將所述鋼冷卻至大約環境溫度；(c)將所述鋼放入低溫介質中。溫度T1基本上低於馬氏體相變溫度Mf，當鋼的溫度最高的部分達到低於馬氏體相變溫度Mf的溫度時在溫度T1將所述鋼保持在所述低溫介質中的時間t至少等於非零的時間t1，以℃為單位的溫度T1和以小時為單位的時間t1基本上由等式T1＝f(t1)聯繫在一起，函數f對t的一階導數f′(t)為正，f對t的二階導數f″(t)為負。
文檔編號C22C38/44GK102471854SQ201080030278
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月2日 優先權日2009年7月3日
發明者勞倫特·費勒 申請人:斯奈克瑪