專利名稱：一種低合金超高強度鋼及其熱處理工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料，特別提供了可用于制作各種精密軸承零件和有超高強度要求的結構件的金屬材料。
背景技術：
為了滿足用戶應用的需要，要求開發一種新型的低成本、高強度低合金鋼。其指標要求材料的抗拉強度在2000MPa以上，并且要求具有良好的機加工性能和一定的韌塑性。一些硬質合金材料具有較高的硬度，但卻由于制備的過程中不可避免地出現大量孔隙，而使得材料的韌塑性和機加工性能極差，不能滿足要求。典型的超高強度結構鋼有中碳鋼40CrNiMo和40CrNiMoA，典型40CrNiMo鋼的化學成分(質量百分比)
有資料表明這種材料在經過熱處理后抗拉強度可達到2000MPa左右。但經發明人研究后發現，40CrNiMo和40CrNiMoA在經(淬火+低溫回火)熱處理后的抗拉強度不經液氮深冷處理時不能達到2000MPa，因此其性能不能滿足應用的要求。
發明內容
本發明的目的在于提供一種新的低成本的低合金超高強度鋼，該種低合金超高強度鋼可以通過簡單的熱處理，使得它具有超高的強度和一定的韌塑性，因而具備較低的成本。
本發明具體提供了一種低合金超高強度馬氏體鋼，其特征在于成分范圍如下，質量百分比C0.3～0.6、Mn0.8～2.0、Si0.1～0.4、Cr0.8～2.0、Mo0.1～0.4、Al1.0～2.5、S＜0.01、P＜0.01、Fe余量。
本發明還提供了上述低合金超高強度馬氏體鋼的熱處理方法，其特征在于采用淬火+低溫回火后，進行穩定化時效處理的工藝，其中淬火溫度850～1000℃回火溫度150～350℃回火時間1～2h時效溫度100～180℃時效時間5～15h本發明的發明人通過對40CrNiMo鋼的前期研究發現，由于Ni元素在鋼中是強烈的奧氏體形成元素，會增加熱處理后鋼中的殘余奧氏體含量，使得材料的強度在一定程度上有所降低。因此在新材料的成分設計中沒有添加Ni元素。但是眾所周知，一定含量的Al元素能很好地改善材料的韌性，因此為了減小材料的過熱傾向，并細化晶粒，提高材料的韌性，在鋼中增加了Al的含量。
通常情況下超高強度結構鋼被用作精密的軸承材料，因而要求具有較高的尺寸穩定性，而導致材料出尺寸出現波動的因素主要是組織中的殘余奧氏體含量和殘余應力。因為殘余奧氏體在材料中是不穩定的組織，在隨后的使用過程中可能轉變成馬氏體，造成材料的體積膨脹，使材料的尺寸發生變化。殘余應力在使用過程會釋放，從而會導致材料尺寸發生微小變化。因此傳統的精密軸承材料的熱處理方法一般是淬火+深冷處理+低溫回火+穩定化時效(120～150℃保溫5～15h)。其中深冷處理安排在材料淬火之后，用來消除淬火殘留下來的奧氏體。穩定化時效有兩個作用，一是進一步穩定組織，二就是釋放殘余應力，穩定材料的尺寸。
通過對本發明材料的熱處理方法進行研究發現，深冷處理沒有改變本材料的力學性能，表明材料具有良好的淬透性和較高的臨界冷卻速率。這種新型材料由于具有較好的淬透性，經水淬后沒有發生開裂，能獲得全部的馬氏體組織，殘余奧氏體含量極低，以至于深冷處理對材料在減少殘余奧氏體含量上沒有作用。因此本發明材料的熱處理工藝中可省去深冷處理，這樣材料不必進行深冷處理也能獲得較好的性能，省去了傳統材料在熱處理時要求進行液氮深冷處理的工藝要求。
圖1為材料的良好的塑性變形能力；圖2為材料的彎曲斷裂照片。
具體實施例方式實施例1材料采用真空感應爐進行純凈化冶煉，材料成分為C0.35、Mn2.0、Si0.4、Cr2.0、Mo0.4、Al2.0、S0.005、P0.008、Fe余量。對鑄錠鍛造后進行熱處理，采用淬火+低溫回火，再進行穩定化時效處理的工藝，淬火溫度850℃，淬火介質為水，回火溫度150℃，回火時間1.5h，時效溫度100℃，時效時間5h。熱處理后的拉伸性能σb＝2018MPa，σs＝1780MPa，δ(％)＝10.2，φ(％)＝48.3，沖擊功αk＝30J。在具有高強度的同時，材料在彎曲到接近120度角時才發生斷裂(如圖1、2所示)，說明材料還具有良好的塑性。將鑄錠鍛成各種規格的棒材，鍛造過程表明，材料具有良好的可鍛性，可獲得較高的鍛造質量，為鍛后材料的性能提供了保障。鍛造后的材料進行600℃退火處理，退火后的硬度為HRC30～34，可以保證很好的機加工性能。
實施例2材料采用真空感應爐進行純凈化冶煉，材料成分為C0.40、Mn1.5、Si0.27、Cr1.5、Mo0.33、Al1.8、S0.003、P0.0021、Fe余量。對鍛態試樣進行熱處理，采用淬火+低溫回火，再進行穩定化時效處理的工藝，淬火溫度880℃，淬火介質為水，回火溫度200℃，回火時間2h，時效溫度120℃，時效時間5h。熱處理后的拉伸性能σb＝2120.3MPa，σs＝1856MPa，δ(％)＝10.8，φ(％)＝47.4，沖擊功αk＝22J。。將鑄錠鍛成各種規格的棒材，鍛造過程表明，材料具有良好的可鍛性，可獲得較高的鍛造質量，為鍛后材料的性能提供了保障。鍛造后的材料進行600℃退火處理，退火后的硬度為HRC36～37，可以保證很好的機加工性能。
實施例3材料采用真空感應爐進行純凈化冶煉，材料成分為C0.45、Mn1.2、Si0.3、Cr0.79、Mo0.25、Al1.5、S0.0031、P0.0022、Fe余量。對鍛態試樣進行熱處理，采用淬火+低溫回火，再進行穩定化時效處理的工藝，淬火溫度900℃，淬火介質為油，回火溫度250℃，回火時間1.5h，時效溫度150C，時效時間5h。熱處理后的拉伸性能σb＝2017MPa，σs＝1774MPa，δ(％)＝9.8，φ(％)＝42.4，沖擊功αk＝24J。。將鑄錠鍛成各種規格的棒材，鍛造過程表明，材料具有良好的可鍛性，可獲得較高的鍛造質量，為鍛后材料的性能提供了保障。鍛造后的材料進行600℃退火處理，退火后的硬度為HRC36～37，可以保證很好的機加工性能。
實施例4
材料采用真空感應爐進行純凈化冶煉，材料成分為C0.54、Mn0.97、Si0.32、Cr1.08、Mo0.23、Al1.23、S0.0033、P0.0018、Fe余量。對鍛態試樣進行熱處理，采用淬火+液氮深冷2h+低溫回火，再進行穩定化時效處理的工藝，淬火溫度850℃，淬火介質為油，回火溫度200℃，回火時間2h，時效溫度180℃，時效時間5h。熱處理后的拉伸性能σb＝2139MPa，σs＝1850MPa，δ(％)＝9.2，φ(％)＝47.3，沖擊功αk＝22J。。將鑄錠鍛成各種規格的棒材，鍛造過程表明，材料具有良好的可鍛性，可獲得較高的鍛造質量，為鍛后材料的性能提供了保障。鍛造后的材料進行600℃退火處理，退火后的硬度為HRC36～37，可以保證很好的機加工性能。
實施例5材料采用真空感應爐進行純凈化冶煉，材料成分為C0.54、Mn0.97、Si0.32、Cr1.08、Mo0.23、Al1.23、S0.0033、P0.0018、Fe余量(與實施例4中成分相同)。對鍛態試樣進行熱處理，，采用淬火+低溫回火，不進行液氮深冷處理，再進行穩定化時效處理的工藝，淬火溫度850℃，淬火介質為油，回火溫度200℃，回火時間2h，時效溫度180℃，時效時間5h。熱處理后的拉伸性能σb＝2132.3MPa，σs＝1846MPa，δ(％)＝10.8，φ(％)＝47.4，沖擊功αk＝23J。。將鑄錠鍛成各種規格的棒材，鍛造過程表明，材料具有良好的可鍛性，可獲得較高的鍛造質量，為鍛后材料的性能提供了保障。鍛造后的材料進行600℃退火處理，退火后的硬度為HRC36～37，可以保證很好的機加工性能實施例6材料采用真空感應爐進行純凈化冶煉，材料成分為C0.57、Mn0.8、Si0.1、Cr1.0、Mo0.15、Al1.6、S0.0021、P0.0022、Fe余量。對鍛態試樣進行熱處理，采用淬火+低溫回火，再進行穩定化時效處理的工藝，淬火溫度850℃，淬火介質為油，回火溫度200℃，回火時間1h，時效溫度120℃，時效時間5h。熱處理后的拉伸性能σb＝2143.9MPa，σs＝1888MPa，δ(％)＝9.6，φ(％)＝47.8，沖擊功αk＝23J。。將鑄錠鍛成各種規格的棒材，鍛造過程表明，材料具有良好的可鍛性，可獲得較高的鍛造質量，為鍛后材料的性能提供了保障。鍛造后的材料進行600℃退火處理，退火后的硬度為HRC36～37，可以保證很好的機加工性能。
實施例7材料采用真空感應爐進行純凈化冶煉，材料成分為C0.48、Mn1.48、Si0.12、Cr0.97、Mo0.34、Al1.2、S0.0031、P0.0021、Fe余量。對鍛態試樣進行熱處理，采用淬火+低溫回火，再進行穩定化時效處理的工藝，淬火溫度925℃，淬火介質為水，回火溫度250℃，回火時間1.5h，時效溫度120℃，時效時間5h。熱處理后的拉伸性能σb＝2065.3MPa，σs＝1770MPa，δ(％)＝9.2，φ(％)＝46.0，沖擊功αk＝20J。將鑄錠鍛成各種規格的棒材，鍛造過程表明，材料具有良好的可鍛性，可獲得較高的鍛造質量，為鍛后材料的性能提供了保障。鍛造后的材料進行600℃退火處理，退火后的硬度為HRC34～37，可以保證很好的機加工性能。
實施例8材料采用真空感應爐進行純凈化冶煉，材料成分為C0.44、Mn1.3、Si0.24、Cr1.4、Mo0.3、Al1.65、S0.0030、P0.0012、Fe余量。對鍛態試樣進行熱處理，采用淬火+低溫回火，再進行穩定化時效處理的工藝，淬火溫度950℃，淬火介質為油，回火溫度300℃，回火時間1.5h，時效溫度180℃，時效時間5h。熱處理后的拉伸性能σb＝2005MPa，σs＝1730MPa，δ(％)＝10.2，φ(％)＝49.3，沖擊功αk＝24J。。將鑄錠鍛成各種規格的棒材，鍛造過程表明，材料具有良好的可鍛性，可獲得較高的鍛造質量，為鍛后材料的性能提供了保障。鍛造后的材料進行600℃退火處理，退火后的硬度為HRC31～35，可以保證很好的機加工性能。
實施例9材料采用真空感應爐進行純凈化冶煉，材料成分為C0.45、Mn1.5、Si0.34、Cr1.40、Mo0.28、Al1.7、S0.0037、P0.0023、Fe余量。對鍛態試樣進行熱處理，采用淬火+低溫回火，再進行穩定化時效處理的工藝，淬火溫度950℃，淬火介質為油，回火溫度350℃，回火時間1.5h，時效溫度180℃，時效時間5h。熱處理后的拉伸性能σb＝2004MPa，σs＝1740MPa，δ(％)＝9.0，φ(％)＝42.4，沖擊功αk＝15J。將鑄錠鍛成各種規格的棒材，鍛造過程表明，材料具有良好的可鍛性，可獲得較高的鍛造質量，為鍛后材料的性能提供了保障。鍛造后的材料進行600℃退火處理，退火后的硬度為HRC31～35，可以保證很好的機加工性能。
實施例10材料采用真空感應爐進行純凈化冶煉，材料成分為C0.3、Mn0.8、Si0.12、Cr0.83、Mo0.13、Al1.2、S0.0020、P0.0017、Fe余量。對鍛態試樣進行熱處理，采用淬火+低溫回火，再進行穩定化時效處理的工藝，淬火溫度850℃，淬火介質為水，回火溫度200℃，回火時間1.5h，時效溫度120℃，時效時間5h。熱處理后的拉伸性能σb＝2008MPa，σs＝1783MPa，δ(％)＝11.2，φ(％)＝48.5，沖擊功αk＝25J。將鑄錠鍛成各種規格的棒材，鍛造過程表明，材料具有良好的可鍛性，可獲得較高的鍛造質量，為鍛后材料的性能提供了保障。鍛造后的材料進行600℃退火處理，退火后的硬度為HRC30～35，可以保證很好的機加工性能。
權利要求
1.一種低合金超高強度馬氏體鋼，其特征在于成分范圍如下，質量百分比C0.3～0.6、Mn0.8～2.0、Si0.1～0.4、Cr0.8～2.0、Mo0.1～0.4、Al1.0～2.5、S＜0.01、P＜0.01、Fe余量。
2.一種權利要求1所述低合金超高強度馬氏體鋼的熱處理方法，其特征在于采用淬火+低溫回火后，進行穩定化時效處理的工藝，其中淬火溫度850～950℃回火溫度150～350℃回火時間1～2h時效溫度100～180℃時效時間5～15h權利要求1所述超高強度結構鋼用于制作精密軸承。
全文摘要
一種低合金超高強度馬氏體鋼，其特征在于成分范圍如下，質量百分比C0.3～0.6、Mn0.8～2.0、Si0.1～0.4、Cr0.8～2.0、Mo0.1～0.4、Al1.0～2.5、S＜0.0l、P＜0.01、Fe余量。采用淬火+低溫回火后，進行穩定化時效處理的工藝。本發明低合金超高強度鋼可以通過簡單的熱處理，使得它具有超高的強度和一定的韌塑性，因而具備較低的成本。
文檔編號F16C33/00GK101078088SQ20061004669
公開日2007年11月28日 申請日期2006年5月26日 優先權日2006年5月26日
發明者嚴偉, 單以銀, 楊柯 申請人:中國科學院金屬研究所