一种高强度合金钢的扩散多元节制备方法

本发明属于合金钢，具体涉一种高强度合金钢的扩散多元节制备方法。

背景技术：

1、高强度钢材因其极高的强度、韧性和耐磨性，在许多工业领域具有广泛的应用。例如，汽车制造、航空航天、建筑和能源等领域都需要高强度钢材作为结构材料，在这些领域的应用中，就要求高强钢必须具备高强度、高韧性、耐腐蚀等特点。然而，高强钢的氢脆问题仍然是一个严重的挑战。

2、钢材的氢脆性能取决于其化学成分和组织结构。通过控制钢材中的多个元素的含量和分布，可以调节钢材的力学性能和耐腐蚀性等特性。传统的钢材制备方法如铸造、热处理和合金添加等，无法精确控制多个元素的分布，难以实现梯度成分变化，且针对氢脆性能测量的钢材，其待扩散元素的含量低，基本在1wt％以下。因此，需要开发新的制备方法来满足高强钢材料的特殊要求。

3、近年来，通过合金设计和添加特定微合金元素来改善高强钢的氢脆敏感性逐渐成为一个重要的研究方向。通过添加微合金元素(如钒、钛、铌等)或特殊合金元素(如镍、钼等)，可以有效地提高高强钢对氢脆的抵抗能力。这些合金元素可以与氢原子形成稳定的化合物或提供有效的氢捕捉位点，从而减缓氢在晶界的扩散和聚集。然而，当前在高强钢氢脆研究领域，多组元合金元素的选择以及成分配比仍然是一个相对困难和复杂的问题。传统上，这种选择和配比是依靠经验法则、试错法和实验结果进行的，这需要大量的时间和精力。

4、高通量的合金制备方法是扩大合金设计空间和加速合金研究的关键，利用高通量试验、自动化合金制备技术，可以高效地合成和评估大量的合金样品，加速寻找氢脆抗性高强钢的合金组分。利用扩散多元节制备高通量试验样品实现快速搜寻最佳元素抗氢脆配比成了一项新型技术，扩散多元节制备方法利用高温下的原子扩散作用，通过调控扩散速率和温度梯度，在材料中实现多个元素的梯度分布控制，这种方法可以精确控制高强钢材料中多个元素的含量和变化范围。但将扩散多元节直接应用于高强钢抗氢脆的研究中需要克服以下问题：首先，合金钢强度较高，通常为2000mpa以上，且待扩散元素的含量低，如何成功制备出扩散多元节；其次，针对抗氢脆的研究，要求扩散距离达到至少300μm，才能有效研究元素对氢脆、腐蚀以及疲劳性能的研究，如何保证扩散距离达到300μm以上；最后，合金钢强度高，热等静压压力大，处理过程中容易产生压裂影响成功率。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种高强度合金钢的扩散多元节制备方法。通过在研磨抛光前对所述合金铸锭进行淬火处理，使得所制备的样品表面粗糙度ra值为0.03±0.01μm，表面平整度在0.05mm以内，满足后续工艺要求。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、本发明提供一种高强度合金钢的扩散多元节制备方法，所述高强度合金钢的抗拉强度至少为2000mpa，包括：按要求制备合金铸锭，所述合金铸锭中的待扩散元素的质量百分含量小于1.0％；将所述合金铸锭切割、打磨抛光后按照预设布置与密封套进行组装、焊接，所述合金铸锭在打磨抛光前进行淬火处理；将组装好的多元节进行热等静压及退火处理，得到样品。

4、进一步的，所述待扩散元素的质量百分含量小于0.6％。

5、进一步的，所述打磨抛光依次包括物理抛光和化学机械抛光，在化学机械抛光前对所述合金铸锭进行真空退火处理。

6、进一步的，所述物理抛光包括采用砂纸将淬火后的合金铸锭抛光至5000目，采用金刚石抛光膏抛光至表面粗糙度为2.5～1.0μm，采用震动抛光至表面粗糙度为0.2-0.4μm。

7、进一步的，所述震动抛光工艺为：以碳化硼为磨料，粒径为50-100μm，料液比为0.6～0.8的研磨液中，以3000-5000hz的频率，1～1.5mm的振幅抛光10-15min。

8、进一步的，经过化学机械抛光后，合金铸锭表面粗糙度为0.02～0.04μm。

9、进一步的，所述化学机械抛光工艺为：采用15～25wt％二氧化硅悬浮液，调节ph值为7～9，加入0.1～0.5wt％密度为0.6-0.7g/ml的羟乙基纤维素，抛光至少4h。

10、进一步的，所述合金铸锭包括36mnb5的基体，设置于所述基体两侧的ti、nb、v、cr、mo、c小锭，所述小锭通过在与基体相同成分的基础上添加质量百分含量小于1.0％的待扩散元素形成。

11、进一步的，所述ti、cr、c小锭位于所述基体一侧，且c小锭位于ti、cr小锭之间；所述nb、mo、v小锭位于所述基体另一侧，且mo小锭位于nb、v小锭之间。

12、进一步的，所述密封套与合金铸锭的基体材料相同。

13、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：本发明所提供的高强度合金钢的扩散多元节制备方法，针对抗拉强度为2000mpa以上、且待扩散元素的质量百分含量小于1.0％的钢种，提出了在打磨抛光前进行淬火处理，进一步提高了合金钢的硬度和耐磨性，使得在后续打磨抛光过程中，所制备的样品表面粗糙度ra值为0.03±0.01μm，表面平整度在0.05mm以内，以确保元素的扩散速率和均匀性。样品表面不平整，如平整度大于0.05mm，样品表面存在凸起、凹陷或其它不平整的缺陷，在进行热等静压过程中，压力会不均匀地作用于样品表面，会导致局部应力集中，进而引起裂纹的形成，影响制样的成功率；通过本发明提供的技术方案最终使得所制备的扩散多元节满足扩散距离达到300μm以上。

技术特征：

1.一种高强度合金钢的扩散多元节制备方法，所述高强度合金钢的抗拉强度至少为2000mpa，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高强度合金钢的扩散多元节制备方法，其特征在于，所述待扩散元素的质量百分含量小于0.6％。

3.根据权利要求1所述的高强度合金钢的扩散多元节制备方法，其特征在于，所述打磨抛光依次包括物理抛光和化学机械抛光，在化学机械抛光前对所述合金铸锭进行真空退火处理。

4.根据权利要求3所述的高强度合金钢的扩散多元节制备方法，其特征在于，所述物理抛光包括采用砂纸将淬火后的合金铸锭抛光至5000目，采用金刚石抛光膏抛光至表面粗糙度为1.0～2.5μm，采用震动抛光至表面粗糙度为0.2-0.4μm。

5.根据权利要求4所述的高强度合金钢的扩散多元节制备方法，其特征在于，所述震动抛光工艺为：以碳化硼为磨料，平均粒径为50-100μm，料液比为0.6～0.8的研磨液中，以3000-5000hz的频率，1～1.5mm的振幅抛光10-15min。

6.根据权利要求3所述的高强度合金钢的扩散多元节制备方法，其特征在于，经过化学机械抛光后，合金铸锭表面粗糙度为0.02～0.04μm。

7.根据权利要求6所述的高强度合金钢的扩散多元节制备方法，其特征在于，所述化学机械抛光工艺为：采用15～25wt％二氧化硅悬浮液，调节ph值为7～9，加入0.1～0.5wt％密度为0.6-0.7g/ml的羟乙基纤维素，抛光至少4h。

8.根据权利要求1所述的高强度合金钢的扩散多元节制备方法，其特征在于，所述合金铸锭包括36mnb5的基体，设置于所述基体两侧的ti、nb、v、cr、mo、c小锭，所述小锭通过在与基体相同成分的基础上添加质量百分含量小于1.0％的待扩散元素形成。

9.根据权利要求8所述的高强度合金钢的扩散多元节制备方法，其特征在于，所述ti、cr、c小锭位于所述基体一侧，且c小锭位于ti、cr小锭之间；所述nb、mo、v小锭位于所述基体另一侧，且mo小锭位于nb、v小锭之间。

10.根据权利要求1所述的高强度合金钢的扩散多元节制备方法，其特征在于，所述密封套与合金铸锭的基体材料相同。

技术总结
本发明提供了一种高强度合金钢的扩散多元节制备方法，属于合金钢技术领域，所述高强度合金钢的抗拉强度至少为2000MPa，包括：按要求制备合金铸锭，所述合金铸锭中的待扩散元素的质量百分含量小于1.0％；将所述合金铸锭切割、打磨抛光后按照预设布置与密封套进行组装、真空焊接，所述合金铸锭在打磨抛光前进行淬火处理；将组装好的多元节进行热等静压及退火处理，得到样品。通过在研磨抛光前对所述合金铸锭进行淬火处理，使得所制备的样品表面粗糙度Ra值为0.03±0.01μm，表面平整度在0.05mm以内，满足后续工艺要求。

技术研发人员：石荣建,吴宏辉,熊希临,董恒,商春磊,杨静静,耿璞,庞晓露
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17