法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2015-04-22
授权
授权
2012-08-08
实质审查的生效 IPC(主分类):C22C38/44 申请日:20100702
实质审查的生效
2012-05-23
公开
公开
技术领域
本发明涉及马氏体钢的制造方法，马氏体钢包括其它金属含量 从而使得钢可以由金属间化合物和碳化物析出而得到硬化，其中， Al含量在0.4％和3％之间，马氏体相变温度Mf在0℃以下，该热 处理方法包括如下步骤：
(a)将钢整体加热到奥氏体化温度AC3以上；
(b)将所述钢冷却至大约环境温度；
(c)将所述钢放入任意低温介质中。
背景技术
对于特定应用，尤其是涡轮机传动轴，需要使用直至400℃都 具有非常高机械强度(屈服强度和断裂负荷)且同时对脆性断裂(高 刚性和韧性)具有良好抗性的钢。这些钢具有良好的疲劳行为。
在文献FR 2,885,142中如下地给出了对这种钢的组分(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、1 至2％的Al、1至4％的Mo+W/2、微量至0.3％的V、微量至0.1％的 Nb、微量至50ppm的B、10.5至15％的Ni其中Ni≥7+3.5Al、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O(熔融 金属的产物)或者微量至200ppm的O(粉末冶金的产物)、微量至 100ppm的N、微量至50ppm的S、微量至1％的Cu、微量至200ppm 的P，其余为Fe。
这种钢具有非常高的机械强度(断裂负荷在2000至2500Mpa 之间)，同时还具有非常良好的弹性(180·103J/m2)和韧度以及良好的疲劳行为。
这些机械特征由于钢所经受的热处理而获得。具体地说，钢经 历如下处理：加热钢并将其保持在奥氏体化温度AC3以上直至其温 度大致均质为止，然后将钢冷却至大约环境温度，接着将钢放置在并 保持在低温封闭物中。“低温”指的是0℃以下的温度。
将这种钢放置到低温封闭物中的目的是为了使钢中的剩余奥氏 体含量最少，即为了将奥氏体最大地转变成钢中的马氏体。事实上， 钢的机械强度特性与其奥氏体含量相反地增大。对于本发明所涵盖的 钢，马氏体相变温度Mf包括在根据热动平衡条件下所估算的-30℃ 和-40℃之间。为了保证奥氏体最大地转变成马氏体，通常认为低温 封闭物中的温度必须稍微低于马氏体相变温度Mf。从而，考虑到奥 氏体转变成马氏体的固有性质，允许的是低温封闭物中的温度必须低 于-40℃并且在钢的温度最高的部分到达该温度时会发生最大地转变 成马氏体的情况。然后从低温封闭物中移除钢。
然而，对经过这种低温处理的该钢进行的机械硬度和张力测试 的结果表明钢的机械特性具有大的分散性，这是一种不理想的状况。 此外，这些结果在低温处理参数方面不遵循正态统计规律，相反地， 这些结果根据热处理条件而基于多个正态规律的总合分布，尤其在放 入低温介质时。这种传递行为还增强了计算出的分散性(当一个覆盖 同一族中的所有这些结果时)并降低了平均值。于是更进一步降低了 规格曲线的最小值(根据小于平均值三个标准偏差计算得到)。
发明内容
本发明旨在解决这些缺陷。
本发明的目的在于提出可以降低机械特性分散性的这种类型钢 处理方法，产生遵循正态统计定律的分散性并且平均地提高这些机械 特性。
由于以下事实而实现了本发明的目的：温度T1基本上低于马氏 体相变温度Mf，并且从钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温 度Mf的温度时在温度T1将所述钢保持在所述低温介质中的时间t 至少等于非零的时间t1。
由于这些条件，放入低温介质中的钢中的可能转变成马氏体的 所有奥氏体发生最大转变。最大转变意味着钢中的残余奥氏体含量在 所有钢中最小。由于奥氏体含量在所有钢中是均质的，因此降低了机 械特性值的分散性。此外，这些值平均地增大，这是因为钢中的奥氏 体含量最小。
例如，温度T1(以℃表示，公差为±5℃)和时间t1(以小时表示， 公差为±5％)基本上以如下等式联系起来
T1＝f(t1)，
其中，
f(t)＝57.666×(1-1/(t0.3-0.14)1.5)-97.389。
有利地，在步骤(b)的冷却过程中，当部件的表面温度达到温 度80℃之后，将所述钢放入所述低温介质中小于70小时。
这样，通过将钢放入低温介质中而可以期望钢中的奥氏体转变 成马氏体的最大转化率尽可能的高。
附图说明
在阅读下文对示为非限制性实例的实施例的详细说明之后，可 以更好地理解本发明并且更加清楚本发明的优点。下文的说明参考了 附图，其中：
图1示出了在根据本发明的方法中，在钢的温度最高的部分达 到了低于马氏体转换温度Mf的温度之后将钢保持在低温封闭物中的 时间t1与低温封闭物中的温度T1之间的等式T1＝f(t1)。
图2示出了作为低温封闭物中的温度T1的函数的残留于钢中的 奥氏体的水平随着不同的时间t1的变化，其中，时间t1是钢的温度 最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度之后将钢保持在低温 封闭物中的时间。
图3示出了作为低温封闭物中的温度T1的函数的钢的硬度随着 不同时间t1的变化，其中，时间t1是钢的温度最高的部分达到低于 马氏体相变温度Mf的温度之后将钢保持在低温封闭物中的时间。
图4示出了的变化作为钢从奥氏体化温度到冷却结束的时间间 隔和所述钢在低温封闭物中的位移的函数的残留于钢中的奥氏体的 水平随不同时间t1的变化，其中，t1是钢的温度最高的部分达到低于 马氏体相变温度Mf的温度之后将钢保持在低温封闭物中的时间。
具体实施方式
如上文所述，为了使残留奥氏体含量最小，对本申请所涵盖的 钢进行如下处理：将该钢加热并将其保持在奥氏体化温度以上直到其 温度大致均质为止，然后将钢冷却至大约环境温度，接着将钢放置并 保持在低温主导的封闭物中。
本发明的发明人对已经过上述处理的这些钢进行了测试。这些 钢具有以下组分：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Cr、1.30至1.70％的Al、1.00％ 至2.00％的Mo。
根据这些测试结果，图2示出了作为低温封闭物中的温度T1的 函数的残留于钢中的奥氏体的水平随着不同时间t1的变化，其中， 时间t1是钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度之 后将所述钢保持在所述低温封闭物中的时间。
这些结果表明，如果在钢的温度最高的部分达到低于马氏体相 变温度Mf的温度之后将钢保持在低温封闭物中达两个小时，为了使 残余奥氏体水平最低，则需要封闭物的温度低于或等于-90℃。高于 -90℃，残余奥氏体水平较高。低于-90℃，残余奥氏体水平基本上保 持恒定并且等于其最小值，在该情况下大约为2.5％(其测量考虑到 测量的自散)。
相似地，如果在钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度 Mf的温度之后将钢保持在低温封闭物中达五个或八个小时，为了使 残余奥氏体水平最低，则需要封闭物的温度分别低于或等于-71℃和 -67℃。
结果表明，在所有情况下，残余奥氏体水平基本上相同。
更通常的是，在时间t1和温度T1位于图1给出的曲线T1＝f(t1) 下方时，残余奥氏体含量最小并大致恒定。
该曲线的等式为：
f(t)＝57.666×(1-1/(t0.3-0.14)1.5)-97.389。
曲线T1＝f(t1)给出了低温室内的温度T1(以℃来表示)，其中， 在钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度之后必须 将钢保持在低温室中达一定时长t1(以小时来表示)从而使钢的所有 区域尽可能地转变为马氏体，因此具有最小且均质的残余奥氏体含 量。
曲线T1＝f(t1)通过下表1给出的实验结果的统计近似值获得。 因此，应该理解到，对于钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温 度Mf的温度之后将钢保持在低温室中的预定时间t1，该室中的温度 必须大约等于或小于曲线T1＝f(t1)所给出的温度。函数f对t的一阶 导数f′(t)为正，f对t的二阶导数f″(t)为负。
该曲线的形状对于该族中的所有钢均适用，并且作为钢的化学 成分的函数在竖直方向(温度变化)上平移。该等式的水平渐近线(需 要无穷保持时间t1的温度T1，即封闭物的最高可能温度)取决于钢 的化学成分(该成分直接影响起始马氏体相变温度Ms和结束马氏体 相变温度Mf)。对于所讨论的钢，该温度大约等于-40℃。所需的最 小保持时间t1大约等于1个小时，并且对于该族中的所有钢均大致 恒定。
表1
应该注意到，意外的是，这些温度T1比通常允许为能够使奥氏 体最佳地转变成马氏体的温度-40℃低得多，并且保持时间t1不是0。 因此，本发明的发明人已经示出，使钢的温度最高的部分达到温度 Mf(或稍低的温度)来使这些部分最佳地转变成马氏体是不够的， 不过，还需要在这些温度最高的部分到达低于马氏体相变温度Mf的 温度至少t1的时长之后将这些部分保持在低温室(其中温度T1占主 导)。
根据本发明的发明人做出的其它测试的结果，图3示出了这种 钢的作为低温封闭物中的温度T1的函数的硬度随着不同时间t1的变 化，其中时间t1是钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf 的温度之后将所述钢保持在所述低温封闭物中的时长。
这些结果表明，当时间t1和温度T1位于图1中给出的曲线T1＝ f(t1)的下方时硬度最大且大致恒定。
通过比较图2和图3的曲线，由此可以建立钢中的残余奥氏体 水平与该钢的硬度之间的关系。由此可以得出结论，钢中的奥氏体含 量越低，钢的硬度越高。发明人对其它机械特性所做出的测试的结果 表明相似的趋势，即，随着奥氏体水平降低，机械特性提高。
由于根据本发明的方法，使钢中的奥氏体水平最小，从而平均 上提高了钢的机械特性。
此外，如图1中的曲线所示，只有在钢的部分区域达到低于温 度Mf的温度并保持足够长时间时，该区域的奥氏体含量达到最小。
在该情况下，在钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度 Mf的温度之后，该部件保持在低温封闭物中，其中，温度T1占主导 的时间t比满足等式T1＝f(t1)的时间t1短，于是，该部件的某些更靠 近中央的区域没有保持在温度Mf以下足够长的时间，而某些更靠近 部件表面的区域保持在Mf足够长时间。因此，残余奥氏体水平从这 些表面区域向所示中央区域增加。残余奥氏体水平的这种空间变化使 得在测试期间获得的机械特性值分散。
然而，在根据本发明的方法中，在钢的温度最高的部分达到低 于马氏体相变温度Mf的温度之后，将钢保持在低温封闭物中足够长 时间，这确保该部分最佳地转变成马氏体。因此，应该理解到，正如 本发明的发明人看到的，根据本发明的方法如何可以使得钢中的残余 奥氏体水平均质且最小，且机械特性值的分散最小。例如，应用根据 现有技术的处理方法，处理过的钢的平均硬度为560Hv，统计最小 值为535Hv且最大值为579Hv。使用根据本发明的方法，处理过的 钢的平均硬度为575Hv，统计最小值为570Hv且最大值为579Hv。
在将钢放入低温封闭物中之前，使其经过步骤(b)，在流体(介 质)中淬火以将钢冷却至环境温度。理想地，该流体的淬火性能 (drasticity)至少等于空气的淬火性能。例如，该流体是空气。
淬火介质的淬火性能指的是该介质吸收浸入其中的部件的最靠 近介质的层的热量并将热量传播到介质其余部分的能力。该能力调节 浸入该介质中的部件的表面冷却速度。
发明人进行的测试表明，在步骤(b)中的部件冷却过程中，当 部件的表面温度达到温度80℃之后，必须理想地将钢放入低温介质 中的时间小于70小时。
图4示出了这些测试的结果。在步骤(b)中的冷却过程中，当 部件的表面温度达到温度80℃时之后将钢放入低温介质(封闭物) 中不超过70小时，然后钢中的残余奥氏体含量可以在保持于根据本 发明条件的低温封闭物中之后到达其最小值。然后，在部件的表面温 度达到温度80℃之后将钢放入低温介质多于70小时的情况下，残 余奥氏体含量不能到达其最小值，这与在低温封闭物中的后续保持时 长以及低温封闭物中的温度无关。
对于在这些测试中测得的钢等级，残余奥氏体含量的最小值在 2.5％附近。更常见的是，对于根据本发明类型的钢，残余奥氏体含 量的最小值小于3％。
对于其它族的钢，最小时间值t1会出现变化。例如，时间t1可 以多于2个小时或多于3个小时或多于4个小时。
对于这些时间t1中的每一个，封闭物温度必须低于的温度T1为 例如等于-50℃或-60℃或-70℃。
本发明还涉及根据本发明方法获得的钢所制得的部件，该钢中 的残余奥氏体水平小于3％。
例如，该部件可以是涡轮机轴。
机译： 马氏体钢的低温处理，硬化混合物
机译： 马氏体钢的混合硬化深冷处理
机译： 混合硬化对马氏体钢的深冷处理
