專利名稱：一種合金氮化鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合金鋼及其制造方法，尤其涉及一種耐熱滲氮鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車、船舶、艦艇、航空航天器、工程機(jī)械等動(dòng)力器械的心臟部件。燃油噴射器又是各類發(fā)動(dòng)機(jī)的最為關(guān)鍵的組件，其功能是在瞬間將燃油以高壓噴入氣缸，使燃油與空氣的充分混合和，燃燒。燃油噴射器的性能決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、燃油燃燒效率， 尾氣排放和噪音等發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。因此，無(wú)論是在材質(zhì)質(zhì)量、制造技術(shù)與調(diào)整精度等方面，還是在與整機(jī)的匹配等方面對(duì)燃油噴射器的要求都十分嚴(yán)格。燃油噴射器中的高精度元件包括柱塞偶件、出油閥與閥座偶件、針閥偶件，這三對(duì)偶件的材質(zhì)、制造緊密程度、月艮役過(guò)程中的穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能起著至關(guān)重要的影響，俗稱其為發(fā)動(dòng)機(jī)“心臟”。在服役過(guò)程中，燃油噴射器承受著燃油的高速摩擦，并承受著300°C左右的循環(huán)工作溫度，所以對(duì)關(guān)鍵偶件的表面硬度、強(qiáng)度和韌性，熱穩(wěn)定性都有很高的要求。三對(duì)精密偶件的故障或失效形式主要表現(xiàn)為柱塞偶件的過(guò)度磨損、拉毛、卡緊、 咬死以及穴蝕等；閥與閥座偶件的密封面磨損、閥桿卡緊或咬死；針閥偶件的故障主要有密封面磨損及針閥卡緊咬死。目前我國(guó)采用滲氮鋼38CrMoAl制造高性能燃油噴射器，調(diào)質(zhì)后經(jīng)一周左右的超長(zhǎng)時(shí)間滲氮處理，表面硬度達(dá)到900HV(62HRC)以上，滲氮層深度達(dá)到0. 2mm以上。滲氮處理形成具有高殘余應(yīng)力、高硬度的表面梯度組織賦予了燃油噴射器優(yōu)良的耐磨性和接觸疲勞抗力，心部的38CrMoAl調(diào)質(zhì)組織提供了強(qiáng)有力的支撐和優(yōu)良的韌性，從而保證了燃油噴射器的高壽命和高可靠性。但上述38CrMoAl鋼制造的燃油噴射器并不能滿足我國(guó)近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一些高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面1.調(diào)質(zhì)38CrMoAl鋼的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性滿足不了基體支撐強(qiáng)度要求；2.滲氮時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不僅成本高，且長(zhǎng)時(shí)間的滲氮處理也降低了基體的支撐強(qiáng)度。另外，38CrMoAl鋼還存在以下不足淬透性不高，界面直徑小于30mm時(shí)才可在油中淬透，尺寸直徑60mm的零件油冷淬火后，表面與中心的硬度差可達(dá)60HB左右；此鋼的臨界點(diǎn)較高，故其正火和淬火的溫度亦相應(yīng)地較高；由于含鋁鐵素體穩(wěn)定性高，不易溶入奧氏體中，所以保溫時(shí)間要比一般合金結(jié)構(gòu)鋼長(zhǎng)1. 5倍左右。此外，38CrMoAl鋼在冶金制造時(shí)還存在下述問(wèn)題由于鋼中鋁含量高，在冶煉時(shí)， 鋁元素極易氧化，使其收得率很不穩(wěn)定，造成不合格率極高；38CrMoAl鋼的低倍點(diǎn)狀偏析問(wèn)題較嚴(yán)重。所以，國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)迫切需要一種高性能、通用性強(qiáng)的新型滲氮鋼，滿足先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)制造的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種合金氮化鋼及其制造方法，該合金氮化鋼淬透性較高， 經(jīng)熱處理后應(yīng)當(dāng)具有良好的強(qiáng)韌性；氮化后和含鋁滲氮鋼相比，滲層深度、心部硬度均應(yīng)當(dāng)高于含鋁滲氮鋼，應(yīng)當(dāng)具有優(yōu)于現(xiàn)有滲氮鋼的耐熱性；此外，該合金氮化鋼還應(yīng)當(dāng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。合金氮化鋼氮化前的調(diào)質(zhì)處理，能夠使其心部具有相當(dāng)好的強(qiáng)韌性組合，而且與其它許多強(qiáng)化層不同，高硬度的滲氮層與基體有著良好的過(guò)度，因而賦予了零件優(yōu)良的綜合性能。但目前氮化鋼還存在一些問(wèn)題，如 強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性滿足不了基體支撐強(qiáng)度要求； 滲氮時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不僅成本高，且長(zhǎng)時(shí)間的滲氮處理也降低了基體的支撐強(qiáng)度等。本發(fā)明所述的技術(shù)方案摒棄傳統(tǒng)的以鋁元素為主要元素來(lái)實(shí)現(xiàn)滲氮強(qiáng)化的合金化思路，不采用鋁元素，而是以Cr、Mo、Mn為主要合金化元素，輔以V、Nb作為微合金元素， 并控制其配比，同時(shí)控制鋼種中S、P元素的含量和殘余元素含量，以提高滲氮鋼的力學(xué)性能和滲氮工藝性能，充分發(fā)揮微合金元素的作用，使鋼種的晶粒細(xì)小，從而提高鋼種的耐熱性能(即熱穩(wěn)定性)。根據(jù)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種合金氮化鋼，其各化學(xué)元素的質(zhì)量百分比為碳0. 30 0. 36wt% ；硅0. 60 0. 80wt% ；猛0. 60 0. 90wt% ；鉻2. 90 3. 40wt%； 鉬0. 40 0. 60wt% ；釩0. 15 0. 25wt% ；鈮0. 02 0. 06wt% ；硫彡 0. 015wt% ；磷 彡0. 020wt% ；銅彡0. 15wt% ；鎳彡0. 15wt% ；余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。本技術(shù)方案的化學(xué)組分設(shè)計(jì)原理如下(1)碳元素是不利于滲氮的元素，它會(huì)降低氮的擴(kuò)散系數(shù)，降低滲氮速度。但碳元素是保證鋼強(qiáng)度的基本元素，心部強(qiáng)度不足對(duì)氮化層性能尤其是對(duì)疲勞性能有不利影響， 因此對(duì)心部調(diào)質(zhì)強(qiáng)度有一定要求的零件，碳含量不宜過(guò)低。故本技術(shù)方案中碳元素含量為 0. 30 0. 36wt%。(2)鉻元素是優(yōu)良的氮化物促進(jìn)元素，是滲氮鋼的主要合金元素。在不含鋁滲氮鋼中，鉻是最重要的元素。鉻元素與釩或鈦或鉬元素配合，形成Cr-Mo-V鋼。(3)鉬元素屬于縮小Y相區(qū)的元素，鉬在鋼中存在于固溶體相和碳化物相中。鉬能提高鋼的淬透性、提高熱強(qiáng)性、防止回火脆性。鉬在增加鋼淬透性的作用方面較鉻強(qiáng)，含鉬元素較高的鋼，在575°C上下回火時(shí)，由于有鉬的特殊碳化物沉淀析出，彌散分布，出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象。鉬是提高鋼熱強(qiáng)性最有效的合金元素，能顯著使形變強(qiáng)化后的軟化和恢復(fù)穩(wěn)定、以及再結(jié)晶溫度提高，能有效地抑制滲碳體在工作溫度(400 600°C )下的聚集，促進(jìn)特殊碳化物的析出，從而進(jìn)一步的起到了強(qiáng)化作用。因此，為使鋼在500 580°C之間長(zhǎng)時(shí)間氮化保溫而保持強(qiáng)度，鉬元素及釩元素是有效的合金元素。為了防止或減輕合金鋼發(fā)生第二類回火脆性，往往需要在鋼中加入適量的鉬元素。(4)錳元素能顯著地降低鋼的Arl溫度和奧氏體分解速度，能強(qiáng)烈提高鋼的淬透性，隨著錳含量的增加，除了鋼的Ms點(diǎn)降低以外，由于淬透性的增加，鋼淬火后，其中的殘余奧氏體含量也急劇增加，而這對(duì)于精密零件來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，負(fù)面效應(yīng)凸現(xiàn)。發(fā)明人綜合考慮上述因素，將本技術(shù)方案中錳元素含量設(shè)計(jì)為0. 60 0. 90wt%。 (5)在調(diào)質(zhì)鋼中，硅元素不僅增加鋼的淬透性，還由于硅降低碳在鐵素體中的擴(kuò)散速度，使回火時(shí)所析出的碳化物不易聚集，從而增加鋼淬火后的回火穩(wěn)定性。因此本技術(shù)方案中控制硅元素含量為0. 60 0. 80wt%。 (6)釩元素形成穩(wěn)定的氮化物，其能起提高氮化層硬度的作用，雖然其形成的氮化層表面硬度略遜于含鋁滲氮鋼，可是其韌性良好，且可強(qiáng)烈細(xì)化奧氏體晶粒度，適用于易受磨損又受一定沖擊負(fù)荷的精密零部件。(7)鈮作為微合金元素之一，可以與碳交互作用，生成少量NbC并溶入其他碳化物中增加其穩(wěn)定性，并細(xì)小均勻分布，抑制動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，細(xì)化晶粒，從而對(duì)鋼的強(qiáng)韌化產(chǎn)生影響。此外，鈮元素以MC型碳化物彌散析出，能夠形成強(qiáng)烈的二次硬化效果。相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了上述合金氮化鋼的制造方法，其包括下列步驟(1)冶煉將原料經(jīng)過(guò)真空感應(yīng)冶煉和電渣重熔后，熔鑄成鋼錠。(2)鋼錠在均熱爐內(nèi)以80_90°C /h的升溫速度至800_820°C保溫80-100分鐘后， 以180-200°C /h的升溫速度加熱至1280-1290°C后保溫160-180分鐘。該工藝使得鋼種可以獲得較佳的熱變形塑性區(qū)間，從而順利進(jìn)行開(kāi)坯，避免熱加工過(guò)程中冶金缺陷的發(fā)生，穩(wěn)定提高材料的成坯收得率。(3)鋼錠初軋開(kāi)坯后緩冷，然后表面精整。由于該鋼種中Ni含量很低，因此緩冷不僅可以較好的擴(kuò)氫，而且充分釋放了鋼中的內(nèi)應(yīng)力，避免了氫致延遲裂紋的出現(xiàn)。(4)軋制加熱溫度1180 1220°C，均熱溫度1160 1200°C，總加熱時(shí)間(即加熱時(shí)間與均熱時(shí)間的總和)135-150分鐘；終軋溫度彡850°C，軋制完畢后，堆冷至室溫。由于上述均熱溫度和終軋溫度的控制范圍均處于合金滲氮鋼的奧氏體區(qū)域，因此使得鋼種具有良好的高溫延展性和可變形性，減少了變形抗力，不會(huì)導(dǎo)致該合金氮化鋼成材軋制時(shí)在熱變形過(guò)程中發(fā)生致裂傾向。軋制完畢后的堆冷冷卻方式，即鋼材冷卻時(shí)需要忌水避風(fēng)，并在空氣中自然冷卻至室溫。這種冷卻方式是為了在緩慢的自然冷卻過(guò)程中避免鋼材驟冷，從而用比較經(jīng)濟(jì)的工藝獲得平衡的組織，使得鋼材的內(nèi)應(yīng)力較少。此外，該工藝還使得鋼材橫截面的硬度均勻，便于進(jìn)行后續(xù)的精密機(jī)加工。(5)退火退火爐中以700-720°C保溫10 15小時(shí)后，隨爐冷卻至500-550°C出爐。優(yōu)選地，所述步驟(1)中熔鑄形成的鋼錠經(jīng)過(guò)750-780°C保溫5_6小時(shí)退火，以及表面冷精整后，再進(jìn)行步驟(2)。該鋼錠退火步驟使得該制造方法能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)元素的均勻精確控制，使得鋼中成份偏析小，各向性能差異小，鋼的致密度好，從而滿足偶件制造的需求；此外，精整工序提高了鋼錠的外在質(zhì)量，為后續(xù)的熱壓力加工做好了準(zhǔn)備。優(yōu)選地，所述步驟(3)中緩冷的時(shí)間為44_48h。發(fā)明人通過(guò)試驗(yàn)證明，將緩冷時(shí)間控制在這一范圍內(nèi)，可以有效杜絕中碳Cr-Mo-V鋼極易發(fā)生的白點(diǎn)內(nèi)裂缺陷。本發(fā)明通過(guò)采用上述技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有常用的滲氮鋼38CrMoAl相比，在相同的滲氮條件下1.本發(fā)明所述的合金氮化鋼雖然表面硬度略小，但其滲層深度、心部硬度均明顯高于含鋁滲氮鋼；2.本發(fā)明所述的合金氮化鋼的氮化物組織致密，氮化物細(xì)小，彌散分布；3.本發(fā)明所述的合金氮化鋼的沖擊韌性、強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性均有顯著提高，使其非常適宜于內(nèi)燃機(jī)偶件的制造和應(yīng)用。說(shuō)明書(shū)附圖


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中的合金氮化鋼的CCT曲線圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中的合金氮化鋼和對(duì)比鋼種38CrMoAl在離子氮化爐中進(jìn)行滲氮實(shí)驗(yàn)，得到的滲氮性能圖，滲氮工藝為520°C滲氮30小時(shí)。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中的合金氮化鋼在離子氮化爐中進(jìn)行滲氮實(shí)驗(yàn)滲氮后，得到的金相照片。圖4為對(duì)比鋼種38CrMoAl在離子氮化爐中進(jìn)行滲氮實(shí)驗(yàn)滲氮后，得到的金相照片。圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中的合金氮化鋼和對(duì)比鋼種38CrMoAl的熱穩(wěn)定性性能對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1-4按照下列步驟制造本發(fā)明所述的合金氮化鋼，各步驟中的具體工藝參數(shù)參見(jiàn)表2， 冶煉制得的鋼種的化學(xué)成分質(zhì)量百分配比參見(jiàn)表1 (1)冶煉將原料經(jīng)過(guò)真空感應(yīng)初煉成f 430mm的電極棒，然后用此電極棒進(jìn)行電渣重熔，熔鑄成# 600mm鋼錠，鋼錠經(jīng)過(guò)750_78(TC保溫5_6h退火，然后進(jìn)行表面冷精整。(2)鋼錠在均熱爐內(nèi)以80_90°C /h的升溫速度至800_820°C保溫80-100分鐘后， 以180-200°C /h的升溫速度加熱至1280-1290°C后保溫160-180分鐘。(3)鋼錠初軋開(kāi)坯成140方，緩冷44_48h，然后進(jìn)行表面研磨精整。(4)軋制加熱溫度1180 1220°C，均熱溫度1160 1200°C，總加熱時(shí)間135-150 分鐘；終軋溫度> 850°C，軋制完畢后，堆冷至室溫。(5)退火退火爐中以700-720°C保溫10 15小時(shí)后，隨爐冷卻至500-550°C出爐。表1本發(fā)明實(shí)施例1-4與對(duì)比鋼種38CrMoAl的化學(xué)成分配比)
權(quán)利要求
1.一種合金氮化鋼，其特征在于，其化學(xué)元素的質(zhì)量百分配比為碳0.30 0. 36wt% ；硅0. 60 0. 80wt% ；猛0. 60 0. 90wt% ；鉻2. 90 3. 40wt% ；鉬0. 40 0. 60wt%；釩0. 15 0. 25wt%；鈮0. 02 0. 06wt%;il ^ 0. 015wt%；磷彡 0. 020wt%； 銅彡0. 15wt% ；鎳彡0. 15wt% ；余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的合金氮化鋼的制造方法，其特征在于，包括下列步驟(1)冶煉將原料經(jīng)過(guò)真空感應(yīng)冶煉和電渣重熔后，熔鑄成鋼錠；(2)鋼錠在均熱爐內(nèi)以80-90°C/h的升溫速度至800-820°C保溫80-100分鐘后，以 180-2000C /h的升溫速度加熱至1280-1290°C后保溫160-180分鐘；(3)鋼錠初軋開(kāi)坯后緩冷，然后表面精整；(4)軋制加熱溫度1180 1220°C，均熱溫度1160 1200°C，總加熱時(shí)間135-150分鐘；終軋溫度> 850°C，軋制完畢后，堆冷至室溫；(5)退火退火爐中以700-720°C保溫10 15小時(shí)后，隨爐冷卻至500-550°C出爐。
3.如權(quán)利要求2所述的合金氮化鋼的制造方法，其特征在于，所述步驟(1)中熔鑄形成的鋼錠經(jīng)過(guò)750-780°C保溫5-6小時(shí)退火，以及表面冷精整后，再進(jìn)行步驟(2)。
4.如權(quán)利要求3所述的合金氮化鋼的制造方法，其特征在于，所述步驟(3)中緩冷的時(shí)間為 44-48h。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種合金氮化鋼，其各化學(xué)元素的質(zhì)量百分比為碳0.30～0.36wt％；硅0.60～0.80wt％；錳0.60～0.90wt％；鉻2.90～3.40wt％；鉬0.40～0.60wt％；釩0.15～0.25wt％；鈮0.02～0.06wt％；硫≤0.015wt％；磷≤0.020wt％；銅≤0.15wt％；鎳≤0.15wt％；余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。相應(yīng)地，本發(fā)明還通過(guò)了上述合金氮化鋼的制造方法。該合金氮化鋼淬透性較高；耐熱性好；經(jīng)熱處理后應(yīng)當(dāng)具有良好的強(qiáng)韌性；氮化后，其滲層深度、心部硬度均高于現(xiàn)有含鋁滲氮鋼。
文檔編號(hào)C21D8/00GK102443740SQ20101050739
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2010年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月14日
發(fā)明者廖建雄, 李陽(yáng), 胡俊輝, 閔永安, 黃澤民 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司