CN116024483B - 一种低合金高强度的Cr-Mo钢材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及Cr‑Mo钢制备的领域，特别涉及一种低合金高强度的Cr‑Mo钢材料及其制备方法，主要包括如下步骤：S1：将低碳钢、铬、钼、铁、锰、钒和增强剂混合制备成预混合料；所述增强剂由碳化锑和氧化镧共同组成；各个所述原料的质量百分比为：铬0.8‑1.3%，钼0.1‑0.3%；铁1‑2%；锰0.3‑0.5%，钒0.2‑0.4%，增强剂3‑5%，其余为低碳钢；S2：将步骤S1中制得的预混合料进行真空烧结，锻造制备成预成品；S3：将步骤S2中制得的预成品淬火冷却，回火，锻造冷却即得。本申请具有提高Cr‑Mo钢材料在长期使用后的抗拉强度的优点。

Description

一种低合金高强度的Cr-Mo钢材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及Cr-Mo钢制备的领域，特别涉及一种低合金高强度的Cr-Mo钢材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着我国经济的高速发展，造船业、桥梁业、航空业等对紧固类的零件大量需求，为了保证施工质量，同时对紧固类零件的抗拉强度的要求也更高，目前在国内的紧固件的生产过程中，大多采用Cr-Mo钢材料，Cr-Mo钢材料是在中碳钢或者低碳钢中添加金属铬和金属钼，使得制备的合金材料具有良好的高温力学性能、抗高温氧化性能、抗腐蚀性能，还具有良好的韧性，从而提升制备的紧固件的综合性能，使得制备的紧固类零件的应用范围更加的广泛，使用效果更好。

上述相关技术中，发明人认为：现有的Cr-Mo钢材料内部晶粒细致度不高，致密度有待提升，长期使用空气易进入材料内部对材料造成腐蚀，进而使得Cr-Mo钢材料的抗拉强度下降。

发明内容

为了提高Cr-Mo钢材料在长期使用后的抗拉强度，本申请提供一种低合金高强度的Cr-Mo钢材料及其制备方法。

第一方面，本申请提供的一种低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法，采用如下的技术方案：

一种低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法，制备方法主要包括如下步骤：

S1：将低碳钢、铬、钼、铁、锰、钒和增强剂混合制备成预混合料；所述增强剂由碳化钛和氧化镧共同组成；各个所述原料的质量百分比为：铬0.8-1.3％，钼0.1-0.3％；铁1-2％；锰0.3-0.5％，钒0.2-0.4％，增强剂3-5％，其余为低碳钢；

S2：将步骤S1中制得的预混合料进行真空烧结，锻造制备成预成品；

S3：将步骤S2中制得的预成品淬火冷却，回火，锻造冷却即得。

通过采用上述技术方案，钼在高温时可以保持足够的强度，还可以细化钢材料内的晶粒，防止钢材料的过热倾向，但是含钼的钢材料在烧结的过程中，会促进低碳钢内的碳的聚集、析出，使得钢材料的性能下降，因此加入元素铬，使得铬在低碳钢的表面形成一层致密的氧化膜，减少碳的聚集析出，提高制备的钢材料的抗拉强度；将碳化钛和氧化镧共同组成增强剂，由于碳化钛具有高硬度、抗氧化、耐腐蚀和热稳定性好的物理化学性能，添加至钢材料中，在烧结的过程中，碳化钛的晶粒较小且大多呈圆形，可细化钢材料内部的结构；稀土具有活泼的化学活性，添加至钢材料中，可以消除钢材料中低熔点的有害杂质，同时细化钢材料中的晶粒尺寸，提高钢材料的抗拉强度；但是由于稀土的化学性质活泼，在空气中容易被氧化，因此通过选取稀土氧化物氧化镧，在烧结的过程中，氧化镧可以还原钢材料中的氧化铁，减少钢材料中碳量的损失，同时有助于钢材料中各个原子之间相互扩散，提高钢材料内部结构的致密化，减少钢材料内部的孔隙度，提高钢材料的抗拉强度；

同时氧化镧的添加阻碍了烧结过程中钢材料内部晶界的迁移，细化晶粒，增加晶界的数量，提供了更多合金元素扩散通道，从而使得钢材料的密度和抗拉强度进一步提高。

可选的，所述碳化钛在使用前经过改性处理，制备成改性碳化钛，所述改性碳化钛的制备方法包括如下步骤：

1)将铈与环烷酸混合，制备成成型剂，取丁苯橡胶汽油溶液与成型剂混合，制备成混合液；所述铈与环烷酸的质量比为(3-5):(75-95)；所述丁苯橡胶汽油溶液与成型剂的质量比为(1-2):(1-3)；

2)将步骤1)中制得的混合液与碳化钛混合制备成预混料，干燥，烧结即得。

通过采用上述技术方案，碳化钛添加至钢材料内部时，由于碳化钛难融且为硬质相，低碳钢可作为软质相起到粘结剂的作用，但是硬质相与软质相之间的润湿性较差，界面结合强度低，会影响制备的Cr-Mo钢材料的抗拉强度；通过将铈添加至环烷酸中制备成成形剂，并通过将成型剂与丁苯橡胶的汽油溶液充分混合，制成复式成形剂，并通过与碳化钛混合，由于铈元素具有活泼的性质，烧结过程中可以主动吸附在碳化钛的表面，降低碳化钛颗粒与低碳钢之间的界面能以及宏观表面应力，使得改性后的碳化钛添加至钢材料内后，与低碳钢的相容性提高，不易在钢材料内部发生团聚，使得钢材料内部的孔隙度进一步减小，致密度提高，抗拉强度提高。

可选的，步骤1)中所述铈与碳化钛的质量比为(1-3):(80-100)。

通过采用上述技术方案，调节铈与碳化钛的质量比，适量铈元素的添加可以提高碳化钛与其他元素之间的相容性和碳化钛在钢材料内部分布的均匀性，改善低碳钢相相对于碳化钛的润湿性，提高制备的钢材料的抗拉强度；但是铈元素添加量过多时，铈元素会在钢材料内部发生偏聚，削弱相界间的结合强度，降低钢材料的力学性能。

可选的，步骤2)中烧结的过程中，将预混料升温至400-600℃，保温40-60min；然后加热至1100-1300℃，保温100-150min，然后再加热至1400-1450℃，保温50-80min即得。

通过采用上述技术方案，调节烧结过程的温度，先将碳化钛升温至400-600℃，这一过程为脱胶阶段，将丁苯橡胶的汽油溶液进行消除，并通过保温一段时间，使得改性碳化钛表面的丁苯橡胶的汽油溶液被充分去除，然后通过升温至1100-1300℃，并进行保温100-150min，这一过程使得改性碳化钛内的硬质相开始逐步形成硬质相骨架，继续加温，将多余的液相进行烧结，使得硬质相充分反应生成，进而使得制备的改性碳化钛对钢材料的抗拉强度有着更加良好的增强效果。

可选的，步骤S1中所述增强剂中碳化钛和氧化镧的质量比为(3-5):(9-11)。

通过采用上述技术方案，调节碳化钛与氧化镧的质量比，适量添加氧化镧，在烧结的过程中，氧化镧可以使得氧化铁还原，减少钢材料内部的碳量的损失，同时还促进原子之间的相互扩散，加速钢材料内部致密化进程，减少钢材料内部的孔隙，使得制备的Cr-Mo钢材料的强度和密度得到提高；但是当氧化镧的添加量过多时，氧化镧易在合金内部的晶界内聚集，恶化基体内的连续性，降低钢材料的致密性，进而影响制备的Cr-Mo钢材料的抗拉强度。

可选的，步骤S1中低碳钢、铬、钼、铁、锰、钒和增强剂混合时，采用在氮气环境下球磨的方式，所述球磨的时间为10-30min。

通过采用上述技术方案，采用球磨的方式，在氮气的保护下，可以使得低碳钢、铬、钼、铁、锰、钒和增强剂等粉末在球磨时不易被氧化，原料表面氧化膜的减少有助于烧结时表面的润湿性，进而提高制备的Cr-Mo钢材料的强度和密度；但是需要控制球磨的时间，当球磨的时间过短时，导致各个原料之间混合的不均匀，使得增强剂在Cr-Mo钢材料中分布不均匀；但是球磨时间过长时，由于长时间原料粉末之间的碰撞会导致粉末粒度过细，并且粉末不断产生裸露在外部的新鲜表面，同时在球磨的过程中转速过高产生局部升温，使得粉末颗粒易被高温氧化，从而阻碍Cr-Mo钢材料致密化的进程，影响制备的钢材料的抗拉强度。

可选的，步骤S3中将预成品进行淬火冷却，回火的温度为500-800℃。

通过采用上述技术方案，调节回火的温度，当回火的温度过低时，易使得制备钢材料基体中的碳化物的颗粒较大，分布不均匀，在锻造过程外力的冲击下，基体产生塑性形变，由于碳化物的尺寸较大，会在两相界面之间塞积，导致应力的集中分布，使得钢材料的内部产生微裂纹同时微裂纹会向周围的碳化物扩展，进而产生较大的裂纹，导致制备的钢材料的韧性变差，抗拉强度也下降。

可选的，步骤S3中将预成品进行回火冷却后，将成品打磨后，放置在纯铝镀液中浸渍3-7min，取出，冷却即得。

通过采用上述技术方案，将预成品打磨后，浸渍在纯铝镀液中，使得纯铝镀液包覆在成品的表面，同时基体内的铁原子会在纯铝镀液界面发生扩散，产生界面反应，从而形成中间的合金层铁-铝层，使得铝层与钢材料连接的更加紧密，同时铝液在冷却过程中氧化生成氧化铝，氧化铝作为致密的涂层可有效阻碍空气进入钢材料内部对钢材料造成腐蚀，提高钢材料长期使用后的力学性能；调节预成品在铝镀液中的浸渍时间，当浸渍时间较短时，铝液在钢材料上形成的镀层较薄，且镀层与钢材料的结合不牢固，易发生脱落；但是当浸渍的时间过长时，制备的镀层的厚度增加，但是同时镀层上的孔洞也增多，镀层也开始不均匀，进而影响制备的Cr-Mo钢材料的抗拉强度。

第二方面，本申请提供一种低合金高强度的Cr-Mo钢材料；

一种低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法制备得到的低合金高强度的Cr-Mo钢材料。

通过采用上述技术方案，通过在低碳钢内部添加钼元素和铬元素，细化钢材料内的晶粒尺寸，减少钢材料在烧结的过程中碳的聚集析出，使得钢材料内部原子分布的更加均匀，提高制备的钢材料的抗拉强度；并通过添加由碳化钛和氧化镧组成的增强剂，由于碳化钛具有高硬度、抗氧化、耐腐蚀的特点，添加至钢材料中提高钢材料的抗拉强度；氧化镧在烧结的过程中可以使得氧化铁还原，减少钢材料中碳量的损失，有助于原子之间的相互扩散，提高钢材料内部结构的致密化，减少钢材料内部孔隙度，进一步提高制备的Cr-Mo钢材料的抗拉强度。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

本申请制备的钢材料中通过添加钼元素和铬元素，细化钢材料内的晶体粒径，提高制备的钢材料的密度和强度；并通过在原料中添加由碳化钛和氧化镧组成的增强剂，碳化钛增强制备的钢材料的硬度、抗氧化和耐腐蚀性能，氧化镧在烧结过程中使得氧化铁还原，减少钢材料中碳量的损失，有助于原子互相扩散，提高钢材料的致密化，进而提高制备的Cr-Mo钢材料的抗拉强度。

具体实施方式

以下结合实施例和对比例对本申请作进一步详细说明；

本申请实施例及对比例的原料除特殊说明以外均为普通市售。

制备例

改性碳化钛制备例1

1)取混合桶，将铈添加至环烷酸中，混合均匀制备成成型剂，取丁苯橡胶汽油溶液与成型剂进行混合，制备成混合液；所用丁苯橡胶汽油溶液中丁苯橡胶的含量为10％；所用铈与环烷酸的质量比为4:85；所用丁苯橡胶汽油溶液与成型剂的质量比为1.5:2；

2)将步骤1)中制得的混合液与碳化钛进行混合制备成预混料，干燥，然后将预混料升温至400℃，保温40min；然后加热至1100℃，保温100min，然后再加热至1420℃，保温65min，自然冷却，即得；步骤1)中所用铈与碳化钛的质量比为1:100。

改性碳化钛制备例2

本制备例中改性碳化钛与改性碳化钛制备例1中的不同之处在于，步骤2)中所用铈与碳化钛的质量比为3:80。

改性碳化钛制备例3

本制备例中改性碳化钛与改性碳化钛制备例1中的不同之处在于，步骤2)中所用铈与碳化钛的质量比为2:90。

改性碳化钛制备例4

本制备例中改性碳化钛与改性碳化钛制备例3中的不同之处在于，步骤2)中烧结过程中，将预混料至600℃，保温60min；然后继续加热至1300℃，保温150min，然后再加热至1420℃，保温65min，自然冷却即得。

改性碳化钛制备例5

本制备例中改性碳化钛与改性碳化钛制备例3中的不同之处在于，步骤2)中烧结过程中，将预混料升温至500℃，保温50min；然后继续加热至1200℃，保温120min，然后再加热至1420℃，保温65min，自然冷却即得。

实施例

实施例1

本实施例中的低合金高强度Cr-Mo钢材料包括如下重量百分比的原料：1％铬，0.2％钼，1.5％铁，0.4％锰，0.3％钒，4％增强剂；余量为低碳钢；所用增强剂由碳化钛和氧化镧按照质量比为3:11组成；

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法包括如下步骤：

S1：将上述重量百分比的铬、钼、铁、锰、钒、增强剂和低碳钢混合均匀在氮气环境下进行球磨10min，制备成预混合料；

S2：将步骤S1中制得的预混合料放入真空炉中进行真空烧结，锻造制备成预成品；

S3：将步骤S2中制得的预成品取出，进行淬火冷却，回火，回火的温度为500℃，锻造冷却即得。

实施例2

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例1中的不同之处在于，步骤S1中球磨的时间为30min。

实施例3

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例1中的不同之处在于，步骤S1中球磨的时间为20min。

实施例4

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例3中的不同之处在于，步骤S1所用增强剂由碳化钛和氧化镧按照质量比为5:9组成。

实施例5

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例3中的不同之处在于，步骤S1所用增强剂由碳化钛和氧化镧按照质量比为4:10组成。

实施例6

本实施例中低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例5中的不同之处在于，步骤S3中回火的温度为800℃。

实施例7

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例5中的不同之处在于，步骤S3中回火的温度为650℃。

实施例8

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例7中的不同之处在于，步骤S1中所用碳化钛为改性碳化钛，由改性碳化钛制备例1中制得。

实施例9

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例7中的不同之处在于，步骤S1中所用碳化钛为改性碳化钛，由改性碳化钛制备例2中制得。

实施例10

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例7中的不同之处在于，步骤S1中所用碳化钛为改性碳化钛，由改性碳化钛制备例3中制得。

实施例11

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例7中的不同之处在于，步骤S1中所用碳化钛为改性碳化钛，由改性碳化钛制备例4中制得。

实施例12

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例7中的不同之处在于，步骤S1中所用碳化钛为改性碳化钛，由改性碳化钛制备例5中制得。

实施例13

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料包括如下重量百分比的原料：1％铬，0.2％钼，1.5％铁，0.4％锰，0.3％钒，4％增强剂；余量为低碳钢；所用增强剂由碳化钛和氧化镧按照质量比4:10组成；

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法包括如下步骤：

S1：将上述重量百分数的铬、钼、铁、锰、钒、增强剂和低碳钢混合均匀在氮气环境下进行球磨20min，制备成预混合料；

S2：将步骤S1中制得的预混合料放入真空炉中进行真空烧结，锻造制备成预成品；

S3：将步骤S2中制得的预成品进行淬火冷却，回火，回火的温度为650℃，锻造、降温后将预成品表面用砂纸进行打磨，打磨后放置在纯铝镀液中进行浸渍，浸渍时间为3min，取出，待纯铝镀液在预成品表面固化即得。

实施例14

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例13中的不同之处在于，步骤S3中预成品放置在纯铝镀液中浸渍的时间为7min。

实施例15

本实施例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例13中的不同之处在于，步骤S3中预成品放置在纯铝镀液中浸渍的时间为5min。

对比例

对比例1

本对比例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例1中的不同之处在于，步骤S1中所用增强剂为碳化钛。

对比例2

本对比例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例1中的不同之处在于，步骤S1中所用增强剂为氧化镧。

对比例2

本对比例中的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法与实施例1中的不同之处在于，步骤S1中所用原料中不含有增强剂。

检测方法

按照实施例1-15和对比例1-3中低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法制备出低合金高强度Cr-Mo钢材料，作为测试样品，将测试样品按照ASTMA370规范加工成拉伸性能试验棒，试样棒的尺寸为10*10*50(mm)；将制备的试验棒自然环境下放置1个月后，然后以微机控制电液伺服万能试验机WAW-600E进行拉伸试验；记录样品的抗拉强度，将数据记录得到表1：

表1实施例1-15与对比例1-3制备的低合金高强度Cr-Mo钢材料的抗拉强度

序号	抗拉强度(Mpa)
		实施例1	414
实施例2	402
		实施例3	428
实施例4	436
		实施例5	455
实施例6	458
		实施例7	475
实施例8	499
		实施例9	490
实施例10	515
		实施例11	528
实施例12	542
		实施例13	565
实施例14	562
		实施例15	590
对比例1	380
		对比例2	365
对比例3	336

结合实施例1-7、对比例1-3和表1可以看出，通过将原料进行混合，球磨，并控制球磨的时间，当球磨时间为20min时，各个原料之间混合的更加均匀，同时也减少原料在球磨过程中产生的高温氧化，提高制备的钢材料的致密性，进而提高钢材料抗拉强度；同时调节回火的温度，当回火的温度为650℃时，制备的合金内部碳化物的颗粒较为细致，分布也更加均匀，同时制备的钢材料内微裂纹的数量也减少，钢材料的抗拉强度也提高；对比对比例中的数据可以看出，将碳化钛和氧化镧进行配合制备成增强剂，可以消除钢材料内部的杂质，细化钢材料内的晶粒，帮助钢材料内部原子的扩散，促进钢材料内部的致密化，有效提高钢材料的抗拉强度；

结合实施例8-15和表1可以看出，通过对碳化钛进行改性，将铈与碳化钛按照质量比2:90进行复配，改善碳化钛与低碳钢之间的润湿性和相容性，提高制备的钢材料的抗拉强度；并调节改性碳化钛在烧结过程的温度，使得铈和碳化钛充分结合，改性碳化钛在烧结过程中生成硬质相骨架，对钢材料的抗拉强度起到更好的增强效果；对比实施例13-15，通过将制备的预成品表面打磨，放入纯铝镀液中进行浸渍，使得纯铝镀液在预成品的表面固化，并且在空气中形成氧化铝薄膜，由于氧化铝薄膜较为致密，使得钢材料内部不易受到空气氧化造成的腐蚀，提高钢材料在长时间存放使用后的力学性能，进而制备的钢材料在存放一个月后仍具有良好的抗拉强度。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法，其特征在于：制备方法主要包括如下步骤：

S1：将低碳钢、铬、钼、铁、锰、钒和增强剂混合制备成预混合料；所述增强剂由碳化钛和氧化镧共同组成；各个所述原料的质量百分比为：铬0.8-1.3%，钼0.1-0.3%；铁1-2%；锰0.3-0.5%，钒0.2-0.4%，增强剂3-5%，其余为低碳钢；

S2：将步骤S1中制得的预混合料进行真空烧结，锻造制备成预成品；

S3：将步骤S2中制得的预成品淬火冷却，回火，锻造冷却即得。

2.根据权利要求1所述的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法，其特征在于：所述碳化钛在使用前经过改性处理，制备成改性碳化钛，所述改性碳化钛的制备方法包括如下步骤：

1)将铈与环烷酸混合，制备成成型剂，取丁苯橡胶汽油溶液与成型剂混合，制备成混合液；所述铈与环烷酸的质量比为(3-5):(75-95)；所述丁苯橡胶汽油溶液与成型剂的质量比为(1-2):(1-3)；

2)将步骤1)中制得的混合液与碳化钛混合制备成预混料，干燥，烧结即得。

3.根据权利要求2所述的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述铈与碳化钛的质量比为(1-3):(80-100)。

4.根据权利要求2所述的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中烧结的过程中，将预混料升温至400-600℃，保温40-60min；然后加热至1100-1300℃，保温100-150min，然后再加热至1400-1450℃，保温50-80min，冷却即得。

5.根据权利要求1所述的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述增强剂中碳化钛和氧化镧的质量比为(3-5):(9-11)。

6.根据权利要求1所述的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中将低碳钢、铬、钼、铁、锰、钒和增强剂混合时，采用在氮气环境下球磨的方式，所述球磨的时间为10-30min。

7.根据权利要求1所述的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中将预成品进行淬火冷却，回火的温度为500-800℃。

8.根据权利要求7所述的低合金高强度Cr-Mo钢合金的制备方法，其特征在于：步骤S3中将预成品进行回火冷却后，将成品打磨后，放置在纯铝镀液中浸渍3-7min，取出，冷却即得。

9.一种根据权利要求1所述的低合金高强度的Cr-Mo钢材料的制备方法制备得到的低合金高强度的Cr-Mo钢材料。