[发明专利]一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Nb‑V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢及其制备方法，40CrNiMo钢内添加有Nb元素和V元素，且Nb元素与V元素的质量比为4‑6，且所述Nb元素和V元素的含量之和≤1.0%。本发明通过Nb‑V微合金化设计、循环淬火晶粒细化和低温Q‑P热处理工艺奥氏体组织调控，获得高密度纳米微合金析出物、超细和含奥氏体40CrNiMo钢，实现40CrNiMo钢力学性能和抗氢脆性能同时提高的目的。

技术领域

本发明属于钢铁技术领域，具体涉及一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢及其制备方法。

背景技术

随着汽车、风电、高铁和基础设施等快速发展，齿轮作为关键部件得到了越来越多的重视。40CrNiMo钢作为齿轮的常用钢种，具有强度高、韧性和淬透性好、表面硬化耐磨性高、渗碳淬火后韧性好等特点，广泛应用于机械设备齿轮的设计制造中。

目前，40CrNiMo钢的热处理工艺通常为淬火+回火。淬火可以使齿轮钢获得高强度的马氏体，回火则使齿轮钢在马氏体基体内析出碳化物并消除应力。在随后的塑性变形过程中，基体马氏体提高齿轮钢的强度；残余奥氏体能够在疲劳服役过程中发生马氏体相变，产生表面硬化和残余压应力，抑制裂纹产生和扩展，提高齿轮钢的塑性和寿命；硬质碳化物则能够钉扎位错运动，提高材料的加工硬化能力和耐磨性。因此尺寸钢的良好强韧性匹配与基体马氏体、残余奥氏体和碳化物的形态、分布和体积分数密切相关。因此，探索一种调控齿轮钢中残余奥氏体相分数的热处理工艺，对于进一步提高齿轮钢的强韧性意义重大。

此外，40CrNiMo钢由于较高的强度和特殊的服役环境，氢脆也是其断裂失效的一种形式。目前解决氢脆的途径主要是：(1)添加微合金元素(Nb、V、Ti等)，引入纳米级析出物，这些析出物能够对氢原子形成氢陷阱，起到钉扎作用；(2)优化微观组织结构，降低氢脆倾向，如细晶或引入稳定残余奥氏体等。然而目前的40CrNiMo钢中微合金析出物密度低，且常用的热处理工艺细晶能力有限。因此，开发一种抗氢脆高强韧40CrNiMo钢及其制备工艺具有重要意义。

发明内容

为了解决这个难题，本发明提供了一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢及其制备方法，通过Nb-V微合金化设计、循环淬火晶粒细化和低温Q-P热处理工艺奥氏体组织调控，获得高密度纳米微合金析出物、超细和含奥氏体40CrNiMo钢，实现40CrNiMo钢力学性能和抗氢脆性能同时提高的目的。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢，40CrNiMo钢内添加有Nb元素和V元素，且Nb元素与V元素的质量比为4-6，且所述Nb元素和V元素的含量之和≤1.0％。

优选地，按质量分数计，所述40CrNiMo钢内的残余奥氏体含量为3-8％。

优选地，所述40CrNiMo钢内含有高密度纳米(Nb,V)C析出物，且纳米(Nb,V)C析出物的体积分数≥10^-3。

一种Nb-V微合金化抗氢脆高强韧40CrNiMo钢的制备方法，具体步骤如下：

S1:一次奥氏体化，将Nb-V微合金化的40CrNiMo钢加热至950℃-1150℃，保温一定时间；

S2:冷却，将S1处理后的高温状态的40CrNiMo钢水淬到≤170℃；

S3:循环淬火，将冷却后的40CrNiMo钢以一定的加热速率加热到830℃-950℃，保温一定时间后，再以一定的冷却速率冷却到170℃以下，作为一个热处理循环；

S4：重复步骤S3进行3-5次热处理循环；

S5：二次奥氏体化，将40CrNiMo钢放入电阻炉中加热至830℃-950℃，保温一定时间，进行完全奥氏体化；