[發明專利]一種低成本抗氫脆的超大截面直接切削用非調質鋼及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202211500098.8
• 申請日: 2022-11-28
• 公開（公告）號: CN115747674B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發明（設計）人: 吳萌;王章忠;張保森;張劉瑜;俞杰;高華耀;谷杰
• 申請（專利權）人: 南京工程學院;江蘇永鋼集團有限公司
• 主分類號: C22C38/16
• 分類號: C22C38/16;C22C38/02;C22C38/04;C22C38/12;C22C38/14;C22C33/04;C21D8/06
• 代理公司: 南京群邁知識產權代理有限公司 32690
• 代理人: 安士影

本發明公開了一種低成本抗氫脆的超大截面直接切削用非調質鋼及其制備方法和應用，通過添加適量Cu元素和控軋控冷，在未明顯提升合金成本的前提下，獲得更多捕獲氫能力更強的VCx析出相和B2結構的含銅析出相作為氫陷阱，減少內源氫的氫脆危害；通過在鋼件表面形成鈍化膜，同時提高其自愈合趨勢，阻止外源氫進入形成氫脆危害。從而提高截面直徑超過160mm的超大截面直接切削用非調質鋼的抗氫脆能力。

技術領域

本發明涉及一種低成本抗氫脆的超大截面直接切削用非調質鋼及其制備方法和應用，尤其涉及一種鐵素體-珠光體型低成本抗氫脆的超大截面直接切削用非調質鋼及其制備方法和應用，屬于非調質鋼技術領域。

背景技術

直接切削用非調質鋼可以在軋制后獲得所需的力學性能，進而在切削后直接使用，主要用于生產推桿、液壓立柱等零部件。相比于調質鋼，其省略了調質處理工序，大大節約了能耗和生產成本，也更加綠色環保。隨著零部件橫截面的增大，調質鋼淬透性不足，從表面到心部顯微組織由回火索氏體逐漸轉變為鐵素體-珠光體。不僅組織變化大、截面力學性能也差異明顯。而直接切削用非調質鋼均為鐵素體-珠光體組織，力學性能均勻，使用安全性更高。但是隨著非調質鋼棒材橫截面增大，其產生氫脆斷裂的風險不斷增大。尤其是在弱酸性環境中使用的零部件，內源氫和外源氫共同作用下，更易產生氫脆斷裂。

氫脆是氫和應力共同作用下導致金屬材料產生脆斷的現象，對鋼件尤其是高強度鋼的危害極大。鋼中的氫分為內源和外源兩部分。鋼鐵冶煉凝固時不可避免帶來少量的氫元素，隨溫度下降氫的溶解度降低，來不及擴散出去的氫就會在鋼中聚集，成為內源氫。鋼件在后續處理和使用過程時，在富氫環境中，氫離子等還會從鋼件表面擴散至鋼內部，成為外源氫，與內源氫共同造成氫脆。超大截面直接切削用非調質鋼橫截面積大，成型后不再經歷熱鍛、熱處理等熱加工過程，內源氫向外擴散的距離遠、時間短，氫脆風險大。如果鋼件工作環境酸性偏大，氫脆的可能性還會進一步增加。因此，在合理的成本控制條件下，降低氫脆風險是進一步開發更高強度、更大截面積直接切削用非調質鋼的安全保證。

除嚴格控制煉鋼凝固過程帶來的氫外，在鋼中添加Nb、V、Ti等微合金元素的碳氮化物以增加氫陷阱數量是避免氫脆的重要方法。位錯、晶界、第二相粒子與基體的相界都是常見的氫陷阱，利用這些晶格缺陷可以捕獲、固定氫原子，從而避免氫原子結合成為氫分子聚集造成鋼開裂。晶格缺陷越大、數量越多，氫陷阱的作用就越強。第二相粒子，尤其是與基體錯配度更大的非共格析出相帶來的缺陷密度大，氫陷阱多，避免氫脆的作用最強。中國專利公開號CN114645222A通過添加質量比≤1.0％的微合金元素并控制Nb、V元素比例，獲得高密度納米微合金析出物，同時提高40CrNiMo調質鋼的力學性能和抗氫脆性能。中國專利公開號CN114908302A通過添加1.3～2.0％的銅和0.9～1.3％的鋁，形成2-10nm的B2結構NiAl、BCC結構Cu來提高高強度彈簧鋼的強度和抗氫脆性能。中國專利公開號CN112522610A通過調控鍛造工藝優化控制V、Ti析出相的尺寸，優化貝氏體非調質鋼的抗氫脆性能。但是尚未發現有關于提高鐵素體-珠光體型非調質鋼抗氫脆性能的報道。此外，上述專利均添加了超過0.4％的微合金元素或1％的Cu、Al等雜質元素，既顯著提高了成本，又使得鋼的工藝性能與力學性能穩定性難以保證。中國專利ZL201410200432.7發現添加0.1％～0.3％Cu的硅鋼中可以析出納米尺寸的B2結構含Cu析出相，提高無取向硅鋼的磁性能。說明鋼中添加較少的雜質Cu元素也有可能形成第二相來提高抗氫脆性能。

鋼件表面氧化生成致密的保護膜可以一定程度阻止外源氫進入。不銹鋼即通過添加至少10.5％的Cr來形成致密氧化膜起到防銹防氫的作用，但是成本太高。耐候鋼中通常添加0.15％～0.25％的Cu，在鋼件表面形成鈍化膜進而起到耐普通大氣腐蝕的作用，并且Cu通常為鋼中的雜質元素，成本很低。但是尚未見利用Cu易在鋼件表面形成耐候鈍化膜這一作用來起到防止氫脆的作用。

因此，本發明針對超大截面鐵素體-珠光體型直接切削非調質鋼提供一種既節約成本、又能有效避免其發生氫脆的方法。

發明內容