[发明专利]一种低成本抗氢脆的超大截面直接切削用非调质钢及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种低成本抗氢脆的超大截面直接切削用非调质钢及其制备方法和应用，通过添加适量Cu元素和控轧控冷，在未明显提升合金成本的前提下，获得更多捕获氢能力更强的VCx析出相和B2结构的含铜析出相作为氢陷阱，减少内源氢的氢脆危害；通过在钢件表面形成钝化膜，同时提高其自愈合趋势，阻止外源氢进入形成氢脆危害。从而提高截面直径超过160mm的超大截面直接切削用非调质钢的抗氢脆能力。

技术领域

本发明涉及一种低成本抗氢脆的超大截面直接切削用非调质钢及其制备方法和应用，尤其涉及一种铁素体-珠光体型低成本抗氢脆的超大截面直接切削用非调质钢及其制备方法和应用，属于非调质钢技术领域。

背景技术

直接切削用非调质钢可以在轧制后获得所需的力学性能，进而在切削后直接使用，主要用于生产推杆、液压立柱等零部件。相比于调质钢，其省略了调质处理工序，大大节约了能耗和生产成本，也更加绿色环保。随着零部件横截面的增大，调质钢淬透性不足，从表面到心部显微组织由回火索氏体逐渐转变为铁素体-珠光体。不仅组织变化大、截面力学性能也差异明显。而直接切削用非调质钢均为铁素体-珠光体组织，力学性能均匀，使用安全性更高。但是随着非调质钢棒材横截面增大，其产生氢脆断裂的风险不断增大。尤其是在弱酸性环境中使用的零部件，内源氢和外源氢共同作用下，更易产生氢脆断裂。

氢脆是氢和应力共同作用下导致金属材料产生脆断的现象，对钢件尤其是高强度钢的危害极大。钢中的氢分为内源和外源两部分。钢铁冶炼凝固时不可避免带来少量的氢元素，随温度下降氢的溶解度降低，来不及扩散出去的氢就会在钢中聚集，成为内源氢。钢件在后续处理和使用过程时，在富氢环境中，氢离子等还会从钢件表面扩散至钢内部，成为外源氢，与内源氢共同造成氢脆。超大截面直接切削用非调质钢横截面积大，成型后不再经历热锻、热处理等热加工过程，内源氢向外扩散的距离远、时间短，氢脆风险大。如果钢件工作环境酸性偏大，氢脆的可能性还会进一步增加。因此，在合理的成本控制条件下，降低氢脆风险是进一步开发更高强度、更大截面积直接切削用非调质钢的安全保证。

除严格控制炼钢凝固过程带来的氢外，在钢中添加Nb、V、Ti等微合金元素的碳氮化物以增加氢陷阱数量是避免氢脆的重要方法。位错、晶界、第二相粒子与基体的相界都是常见的氢陷阱，利用这些晶格缺陷可以捕获、固定氢原子，从而避免氢原子结合成为氢分子聚集造成钢开裂。晶格缺陷越大、数量越多，氢陷阱的作用就越强。第二相粒子，尤其是与基体错配度更大的非共格析出相带来的缺陷密度大，氢陷阱多，避免氢脆的作用最强。中国专利公开号CN114645222A通过添加质量比≤1.0％的微合金元素并控制Nb、V元素比例，获得高密度纳米微合金析出物，同时提高40CrNiMo调质钢的力学性能和抗氢脆性能。中国专利公开号CN114908302A通过添加1.3～2.0％的铜和0.9～1.3％的铝，形成2-10nm的B2结构NiAl、BCC结构Cu来提高高强度弹簧钢的强度和抗氢脆性能。中国专利公开号CN112522610A通过调控锻造工艺优化控制V、Ti析出相的尺寸，优化贝氏体非调质钢的抗氢脆性能。但是尚未发现有关于提高铁素体-珠光体型非调质钢抗氢脆性能的报道。此外，上述专利均添加了超过0.4％的微合金元素或1％的Cu、Al等杂质元素，既显著提高了成本，又使得钢的工艺性能与力学性能稳定性难以保证。中国专利ZL201410200432.7发现添加0.1％～0.3％Cu的硅钢中可以析出纳米尺寸的B2结构含Cu析出相，提高无取向硅钢的磁性能。说明钢中添加较少的杂质Cu元素也有可能形成第二相来提高抗氢脆性能。

钢件表面氧化生成致密的保护膜可以一定程度阻止外源氢进入。不锈钢即通过添加至少10.5％的Cr来形成致密氧化膜起到防锈防氢的作用，但是成本太高。耐候钢中通常添加0.15％～0.25％的Cu，在钢件表面形成钝化膜进而起到耐普通大气腐蚀的作用，并且Cu通常为钢中的杂质元素，成本很低。但是尚未见利用Cu易在钢件表面形成耐候钝化膜这一作用来起到防止氢脆的作用。

因此，本发明针对超大截面铁素体-珠光体型直接切削非调质钢提供一种既节约成本、又能有效避免其发生氢脆的方法。

发明内容