CN101104906A - 低碳贝氏体钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低碳贝氏体钢及其制备方法，低碳贝氏体钢包括(质量百分比)：0.12～0.43％的碳，1.0～2.6％的锰，1～2％的硅，0～0.8％的铬，0～0.05％的硫、0～0.05％的磷、铁；制备步骤：(1)配料：(2)熔炼温度1500－1600℃，电磁搅拌，浇铸；(3)碱性水溶液中余热淬火处理，淬火温度880～940℃；碱性水溶液pH值9～14，密度1.00～1.65；本发明低碳贝氏体钢具有高强韧性和高耐磨性，广泛应用于工程机械、桥梁、舰船、集装箱、压力容器等诸多领域。方法操作简单，成本低，效率高，适合工业化生产。

Description

低碳贝氏体钢及其制备方法

技术领域

本发明属贝氏体钢领域，特别是涉及一种低碳贝氏体钢及其制备方法。

背景技术

贝氏体组织自20世纪20年代末，Robertso首次发现以来，国内外材料科学工作者就致力于贝氏体组织和贝氏体相变理论的研究及贝氏体钢的开发应用。50年代出现了Mo-B系贝氏体钢，70年代出现了Mn-B系贝氏体钢。因它既具有优良的耐磨性，又有高的强韧性，在矿山、冶金、电力、建材、化工等领域得到了初步应用，尤其是在耐磨钢球、刮板、耐磨传输管材等零件上取得了较好的应用效果。目前贝氏体钢的制备方法主要有等温热处理法和合金化法，前者生产工序多、工艺复杂、生产效率低；后者因为要加入较多的贵重金属，使得成本大大增加。而且在既有高耐磨性要求，又有高强度、高韧性要求时，普通贝氏体钢还是不能满足要求。低碳贝氏体钢是近几十年来发展的新钢系，被誉为环保型绿色钢种，已广泛应用于工程机械、桥梁、舰船、集装箱、压力容器等诸多领域。它成分上采用低碳，复合加入合金元素。因此，钢的强度除了依靠碳含量以外，还通过位错强化和微合金强化来完成，获得高密度位错亚结构的均匀细小的贝氏体组织，具有高强度、超韧性和良好的焊接性能。传统的贝氏体钢中，一般加入的是V、Mo、Mn、B、Cr等合金元素，由于Mo、B等合金价格昂贵，使低碳贝氏体钢的制造成本相对较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低碳贝氏体钢及其制备方法，低碳贝氏体钢具有高强韧性和高耐磨性，广泛应用于工程机械、桥梁、舰船、集装箱、压力容器等诸多领域。方法操作简单，成本低，效率高，适合工业化生产。

本发明的一种低碳贝氏体钢，含有质量百分比：0.12～0.43％的碳，1.0～2.6％的锰，1～2％的硅，0～0.8％的铬，0～0.05％的硫或磷，余量为铁。

本发明的一种低碳贝氏体钢的制备方法，包括如下步骤：

(1)配料

按照上述质量百分比配料；

(2)熔炼

将配好的原料在中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1500-1600℃，等原料熔化后，再进行10-20min的电磁搅拌，以使合金成分更加均匀。等电磁搅拌结束之后进行浇铸，浇铸温度在1500-1580℃；

(3)热处理

利用工件浇注时的余热进行淬火处理，淬火温度为880～940C；淬火液为碱性水溶液，PH值为9～14，密度为1.00～1.65；

(4)金相观察：

用线切割机分别取外部和心部Φ4×10mm的小样进行镶嵌，采用不同粒度砂纸打磨，然后进行抛光，最后用4％的硝酸酒精进行表面腐蚀。在奥林巴斯光学显微镜或者其它高倍率光学显微镜下面进行相界面观察分析，并做TEM确认其组织。最后观察分析得出金相组织由90％的针状下贝氏体和少部分马氏体组成。

(5)性能测试：

在万能试验机上进行机械性能测定并计算，最后得出屈服强度σ_0.2＞800MPa，抗拉强度σ_b：800～2000MPa，延伸率δ：15～20％，冲击韧性A_k＞50J/cm²，断面收缩率ψ＞45％。

为了降低低碳贝氏体钢的制造成本，本发明采用廉价的Si、Mn、Cr元素，合金总量控制在5％以内，在保证低成本的同时，获得良好的高强韧性贝氏体钢。

该高强韧性贝氏体钢的成分设计如下：

碳含量的设计

C是钢强化的主要元素，但较易产生脆性和应力，为了满足一定的硬度和韧性，C含量定为：0.18～0.35％(质量分数)。

锰含量的设计

Mn在一定含量时，使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的上下C曲线分离，适量的Mn在中温下的相界处富集时，对相界迁移起拖曳作用，同时显著降低贝氏体的相变驱动力，使贝氏体相变温度降低，是保证获得小贝氏体尺寸的主要因素。Mn与Si共同作用可获得高强度、高硬度的同时，仍具有较高的韧性，但含量过高将增加碳含量，因此Mn含量定为：1.0～2.6％(质量分数)。

硅含量的设计

Si在贝氏体转变过程中有强烈抑制碳化物析出的特点，使贝氏体不易析出碳化物。但含量过高，会促使自由铁素体的析出，将对强韧性产生负面作用，因此Si含量定为：1～2％(质量分数)。

铬含量的设计

Cr能提高基体的抗磨性和提高淬透性，且能扩大CCT曲线的贝氏体相变区，提高了过冷奥氏体的稳定性，因Cr较昂贵，为了节约成本，固将Cr含量定为：0～0.8％(质量分数)。

硫、磷含量的确定

S、P元素有助于改善切削加工性能，但如果S、P含量超过0.05％，将产生严重的偏析，影响钢的均质性，因此S、P的含量控制在0.05％之内。

低碳贝氏体钢的化学成分W(B)/％

元素	C	Mn	Si	Cr	S	P
							含量	0.12～0.43	1.0～2.6	1～2	0～0.8	≤0.05	≤0.05

为了减少生产工序并使工艺简单化，提高生产效率，同时获得贝氏体组织，热处理方式采用工件浇注时的余热进行淬火处理，淬火温度控制在880～940℃，淬火介质为碱性水溶液，PH值为9～14，密度为1.00～1.65。

最后选择组份生产一种低碳贝氏体钢，含有质量百分比：0.36％的碳，1.8％的锰，1.46％的硅，0.6％的铬，0.02％的硫，0.02％的磷，余量为铁。

有益效果

1.低碳贝氏体钢集高强韧性、高耐磨性等优良性能于一身，很好的化解了强度和韧性之间的关系。

2，低碳贝氏体钢的制造方法简单，成本低，效率高，十分适合工业化生产。

3.低碳贝氏体钢用途广泛，应用于工程机械、桥梁、舰船、集装箱、压力容器等诸多领域。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

1、配料：

按照下表质量百分比进行配料，其余为Fe。

元素	C	Mn	Si	Cr	S	P
							含量(％)	0.12	1.0	1	0.2	≤0.05	≤0.05

2、熔炼：

所配好的原料在中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1600℃，等原料熔化后，再进行10min的电磁搅拌，以使合金成分更加均匀。等电磁搅拌结束之后进行浇铸，浇铸温度在1550℃。

3、热处理：

浇铸后所得的试样温度冷却到920℃时，直接置于PH值为10，比重密度为1.05之间的碱性水溶液中淬火。

4、金相观察：

用线切割机分别取外部和心部Φ4×10mm的小样进行镶嵌，采用不同粒度砂纸打磨，然后进行抛光，最后用4％的硝酸酒精进行表面腐蚀。在奥林巴斯光学显微镜或者其它高倍率光学显微镜下面进行相界面观察分析，并做TEM确认其组织。最后观察分析得出金相组织由90％的针状下贝氏体和少部分马氏体组成。

5、性能测试：

在万能试验机上进行机械性能测定并计算，最后得出屈服强度σ_0.2＞800MPa，抗拉强度σ_b：800～2000MPa，延伸率δ：15～20％，冲击韧性A_k＞50J/cm²，断面收缩率ψ＞45％。

实施例2

3、配料：

按照下表质量百分比进行配料，其余为Fe。

元素	C	Mn	Si	Cr	S	P
							含量(％)	0.43	2.6	2	0.8	≤0.05	≤0.05

4、熔炼：

所配好的原料在中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1500℃，等原料熔化后，再进行20min的电磁搅拌，以使合金成分更加均匀。等电磁搅拌结束之后进行浇铸，浇铸温度在1580℃。

3、热处理：

浇铸后所得的试样温度冷却到940℃时，直接置于PH值为12，密度为1.15之间的碱性水溶液中淬火。

4、金相观察：

用线切割机分别取外部和心部Φ4×10mm的小样进行镶嵌，采用不同粒度砂纸打磨，然后进行抛光，最后用4％的硝酸酒精进行表面腐蚀。在奥林巴斯光学显微镜或者其它高倍率光学显微镜下面进行相界面观察分析，并做TEM确认其组织。最后观察分析得出金相组织由90％的针状下贝氏体和少部分马氏体组成。

5、性能测试：

在万能试验机上进行机械性能测定并计算，最后得出屈服强度σ_0.2＞800MPa，抗拉强度σ_b：800～2000MPa，延伸率δ：15～20％，冲击韧性A_k＞50J/cm²，断面收缩率ψ＞45％。

实施例3

5、配料：

按照下表质量百分比进行配料，其余为Fe。

元素	C	Mn	Si	Cr	S	P
							含量(％)	0.38	2.1	1.5	0.5	≤0.05	≤0.05

6、熔炼：

所配好的原料在中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1550℃，等原料熔化后，再进行15min的电磁搅拌，以使合金成分更加均匀。等电磁搅拌结束之后进行浇铸，浇铸温度在1500℃。

3、热处理：

浇铸后所得的试样温度冷却到880℃时，直接置于PH值为14，密度为1.65之间的碱性水溶液中淬火。

4、金相观察：

用线切割机分别取外部和心部Φ4×10mm的小样进行镶嵌，采用不同粒度砂纸打磨，然后进行抛光，最后用4％的硝酸酒精进行表面腐蚀。在奥林巴斯光学显微镜或者其它高倍率光学显微镜下面进行相界面观察分析，并做TEM确认其组织。最后观察分析得出金相组织由90％的针状下贝氏体和少部分马氏体组成。

5、性能测试：

在万能试验机上进行机械性能测定并计算，最后得出屈服强度σ_0.2＞800MPa，抗拉强度σ_b：800～2000MPa，延伸率δ：15～20％，冲击韧性A_k＞50J/cm²，断面收缩率ψ＞45％。

Claims (5)

1.一种低碳贝氏体钢，含有质量百分比：0.12～0.43％的碳，1.0～2.6％的锰，1～2％的硅，0～0.8％的铬，0～0.05％的硫、0～0.05％的磷，余量为铁。

2.根据权利要求1所述的一种低碳贝氏体钢，其特征在于：含有质量百分比：0.36％的碳，1.8％的锰，1.46％的硅，0.6％的铬，0.02％的硫，0.02％的磷，余量为铁。

3.一种低碳贝氏体钢的制备方法，包括如下步骤：

(1)配料

按照上述质量百分比配料；

(2)熔炼

将配好的原料在中频感应熔炼炉中进行熔炼，温度1500-1600℃，原料熔化后，10-20min的电磁搅拌，浇铸，温度1500-1580℃；

(3)热处理

利用工件浇注时的余热进行淬火处理，淬火温度为880～940℃，淬火液为碱性水溶液，PH值为9～14，密度为1.00～1.65；

4.根据权利要求3所述的一种低碳贝氏体钢的制备方法，其特征在于：采用金相观察，金相组织由90％的针状下贝氏体和少部分马氏体组成。

5.根据权利要求3所述的一种低碳贝氏体钢的制备方法，其特征在于：低碳贝氏体钢的性能测试为屈服强度σ_0.2＞800MPa，抗拉强度σ_b：800～2000MPa，延伸率δ：15～20％，冲击韧性A_k＞50J/cm²，断面收缩率ψ＞45％。