专利名称：利用混合硬化对马氏体钢进行的低温处理的制作方法
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°C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°C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、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(熔融金属的产物)或者微量至200ppm的0(粉末冶金的产物)、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 · IO3J/m2)和韧度(40至60 MPa.‘)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°C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°C和-40°C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°C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、。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。C表示，公差为士5°C )和时间、(以小时表示，公差为士5% ) 基本上以如下等式联系起来T1 = Mt1),其中，f (t) = 57. 666 X (1-1/(t0.3_0· 14) L 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°C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。
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、与低温封闭物中的温度T1之间的等式 T1 = fa)。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、的变化，其中，时间、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、的变化，其中，时间、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、的变化，其中，、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。
具体实施例方式如上文所述，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 CrU. 30 至 1. 70%的 Α1、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、的变化，其中，时间、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°C。高于-90°C，残余奥氏体水平较高。低于-90°C，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°C和-67°C。 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、和温度T1位于图1给出的曲线T1 = f U1)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 X (1-1/(t°. 3_0· 14) L 5) -97. 389。曲线T1 = Mt1)给出了低温室内的温度1\(以。C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 、(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 U1)通过下表1给出的实验结果的统计近似值获得。因此，应该理解至|J，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、，该室中的温度必须大约等于或小于曲线T1 = f(t》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、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°C。所需的最小保持时间、 大约等于1个小时，并且对于该族中的所有钢均大致恒定。
权利要求
1.马氏体钢的制造方法，所述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，Al含量在0. 4%和3%之间，马氏体相变温度Mf在0°C以下，该热处理方法包括如下步骤将钢整体加热到奥氏体化温度以上； 将所述钢冷却至大约环境温度； 将所述钢放入任意低温介质中； 所述方法的特征在于，温度T1基本上低于马氏体相变温度Mf，当钢的温度最高的部分达到低于马氏体相变温度Mf的温度时将所述钢保持在所述低温介质中的时间至少等于非零的时间、，以。C为单位的温度T1和以小时为单位的时间、基本上由等式T1 = f U1)联系在一起，函数f基本上由下式表示f (t) = 57. 666 X (1-1/(t0.3-0· 14) L 5) -97. 389 或由相对于f(t)的温度相变曲线表示。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢具有如下成分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、 作为熔融金属的产物的微量至50ppm的0或者作为粉末冶金的产物的微量至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，其余为狗。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述钢具有如下成分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.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，需要的所述最小保持时间、 长于1个小时。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，通过将钢在淬火性能至少与空气的淬火性能相同的介质中淬火以将所述钢冷却至大约环境温度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(b)的冷却过程中， 当部件的表面温度达到温度80°C之后，将所述钢放入所述低温介质中的时间小于70小时。
7.一种使用根据以上权利要求中任一项的方法获得的钢所制得的部件，其特征在于， 所述钢中的残余奥氏体水平小于3 %。
8.一种根据权利要求1至6中任一项的方法获得的钢所制得的涡轮机传动轴，其特征在于，所述钢中的残余奥氏体水平小于3 %。
全文摘要
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，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以上；(b)将所述钢冷却至大约环境温度；(c)将所述钢放入低温介质中。温度T1基本上低于马氏体相变温度Mf，当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，以℃为单位的温度T1和以小时为单位的时间t1基本上由等式T1＝f(t1)联系在一起，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。
文档编号C22C38/44GK102471854SQ201080030278
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月2日 优先权日2009年7月3日
发明者劳伦特·费勒 申请人:斯奈克玛