CN101624684A - 一种渗碳贝氏体钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种渗碳贝氏体钢及其制造方法。其技术方案是：铸坯的化学成分及其含量是：C为0.04～0.12wt％，Si为1.20～1.80wt％，Mn为1.60～2.20wt％，Cr为1.00～1.60wt％，Mo为0.10～0.60wt％，Al为0.05～1.20wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。经炼钢和精炼后，进行热轧，冷却，将冷却后的钢板在850～1050℃条件下奥氏体化0.2～0.6小时，再以氮气和甲醇为气氛在700～900℃条件下表面渗碳60.0～100.0小时；然后200～500℃条件下于氮气气氛中保温10.0～240.0小时，或在上述气氛和温度及8～12T强磁场的条件下保温1.0小时～4.0小时，随炉冷却至室温。本发明具有种表面硬度高，心部韧性好的特点。

Description

一种渗碳贝氏体钢及其制造方法
技术领域
本发明属于贝氏体钢技术领域。尤其涉及一种渗碳贝氏体钢及其制造方法。
背景技术
合金钢经渗碳和热处理后，其渗碳层具有高的硬度，耐磨性、较高的抗弯强度和疲劳强度，而心部具有较高的韧性和足够的屈服强度，以防止零件由于过渡区和心部产生变形而破坏。
目前在开发渗碳钢方面，为了提高强度和硬度，通常利用马氏体作为主要的基体组织，同时利用各种细化手段和方法，期望得到高的韧性。国内外对此已经进行了很多有益的探索和开发，已经形成了多项的研究成果和专利技术。分析这类研究成果和专利技术所开发的高强度渗碳钢及相关的制造方法可以发现，对钢材的强度、硬度和韧度都有了极大的提高，但存在如下问题：
公开的渗碳钢在利用细化马氏体组织强化时，表面组织为高碳马氏体，少量残留奥氏体和碳化物，表面渗碳层具有高的硬度，耐磨性和疲劳极限；心部组织为低碳马氏体或低碳马氏体和铁素体，韧性和塑性不是很好。如“饱和渗碳钢”(CN101429622)、“一种超饱和渗碳钢”(CN101058865)、“表面渗碳钢”(CN1203959)、“冷锻性和低渗碳变形特性优良的表面渗碳钢”(CN101397631)等专利技术。
发明内容
本发明旨在克服上述技术缺陷，目的是提供一种表面硬度高，心部韧性好的渗碳贝氏体钢及其制造方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：或将铁水、或将废钢、或将铁水和废钢经炼钢和精炼后，进行模铸或连铸，热轧，渗碳与热处理。
铸坯的化学成分及其含量是：C为0.04～0.12wt％，Si为1.20～1.80wt％，Mn为1.60～2.20wt％，Cr为1.00～1.60wt％，Mo为0.10～0.60wt％，Al为0.05～1.20wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
其中：Si、Mn、Cr、Mo和Al在的铸坯中的含量之和小于6.00wt％。
热轧是先将铸坯在1150～1250℃条件下均热2.0～3.0小时，再进行轧制，自然冷却。
渗碳与热处理的工艺是：将冷却后的钢板在850～1050℃条件下奥氏体化0.2～0.6小时，再以氮气和甲醇为气氛在700～900℃条件下进行表面渗碳60.0～100.0小时，氮气的体积含量为35～45％，甲醇的体积含量为55～65％；然后200～500℃条件下于氮气气氛中保温10.0～240.0小时，随炉冷却至室温，或在200～500℃、氮气气氛和8～12T强磁场的条件下保温1.0小时～4.0小时，随炉冷却至室温。
由于采用上述技术方案，本发明是以价格低廉的Si、Mn、Cr元素为主，及含少量Mo、Al等元素，故成本低廉；用轧制+正火+渗碳+淬火的热轧，渗碳与热处理的工艺，工艺简单。
本发明制造的渗碳贝氏体钢的表面渗碳层组织为高碳贝氏体铁素体及残留奥氏体，心部组织为低碳贝氏体铁素体及残留奥氏体。贝氏体铁素体为过饱和碳的固溶体，类似于马氏体组织，具有很高的强韧度和破断抗力；奥氏体为韧度相，分布在贝氏体铁素体板条上或板条之间，在受到外力作用下会发生塑性变形，吸收和消耗能量，延缓裂纹的扩展，对提高板材的韧度极其有利，应力作用较大时会发生相变诱发塑性效应(TRIP效应)，进一步提高了钢的强韧度。因碳的固溶强化、位错强化、贝氏体板条强化、诱发塑性强化等，贝氏体钢的力学性能在轧制态就可以达到较高的强度级别。
经过渗碳与热处理和强磁场处理，稳态强磁场能够将高强度的能量无接触地传递到物质的原子尺度，改变原子的排列、匹配和迁移等，可以加速贝氏体的转变，对贝氏体的组织和性能产生影响，从而得到表面渗碳层硬度为530～680HV、心部抗拉强度为1000～1500MPa、心部延伸率为17～28％和心部断口韧性为20～30MPam1/2的渗碳贝氏体钢。
因此，本发明具有表面硬度高，心部韧性好的特点，广泛应用于制造性能要求较高或截面尺寸较大，且在承受较强烈的冲击作用和磨损条件下工作的零件，也广泛应用于车辆、船舶、矿山设备、工程机械及水泥设备等方面。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本发明保护范围的限制。
实施例1
一种渗碳贝氏体钢的制造方法。铸坯的化学成分及其含量是：C为0.08～0.12wt％，Si为1.50～1.80wt％，Mn为1.60～1.90wt％，Cr为1.30～1.60wt％，Mo为0.30～0.60wt％，Al为0.05～0.60wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。Si、Mn、Cr、Mo和Al在的铸坯中的含量之和小于6.00wt％。
将铁水经炼钢和精炼后，进行模铸，热轧，渗碳与热处理。热轧是先将铸坯在1200～1250℃条件下均热2.0～3.0小时，再进行轧制，自然冷却；渗碳与热处理的工艺是：先将冷却后的钢板在850～950℃条件下奥氏体化0.4～0.6小时；再以氮气和甲醇为气氛在800～900℃条件下进行表面渗碳60.0～80.0小时，氮气的体积含量为35～40％，甲醇的体积含量为60～65％；然后在200～350℃条件下和氮气气氛中保温120.0～240.0小时，随炉冷却至室温。
本实施例所制造的渗碳贝氏体钢：表面渗碳层硬度为650～680HV；心部抗拉强度为1300～1500MPa；心部延伸率为21～24％；心部断口韧性为23～30MPam1/2。
实施例2
一种渗碳贝氏体钢的制造方法。铸坯的化学成分及其含量是：C为0.08～0.12wt％，Si为1.50～1.80wt％，Mn为1.60～1.90wt％，Cr为1.30～1.60wt％，Mo为0.30～0.60wt％，Al为0.60～1.20wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。Si、Mn、Cr、Mo和Al在的铸坯中的含量之和小于6.00wt％。
将废钢经炼钢和精炼后，进行模铸，热轧，渗碳与热处理。热轧是先将铸坯在1200～1250℃条件下均热2.0～3.0小时，再进行轧制，自然冷却；渗碳与热处理的工艺是：先将冷却后的钢板在850～950℃条件下奥氏体化0.4～0.6小时；再以氮气和甲醇为气氛在800～900℃条件下进行表面渗碳60.0～80.0小时，氮气的体积含量为35～40％，甲醇的体积含量为60～65％；然后在200～350℃、氮气气氛和10～12T强磁场的条件下保温2.0小时～4.0小时，随炉冷却至室温。
本实施例所制造的渗碳贝氏体钢：表面渗碳层硬度为610～640HV；心部抗拉强度为1200～1400MPa；心部延伸率为17～20％；心部断口韧性为20～25MPam1/2。
实施例3
一种渗碳贝氏体钢的制造方法。铸坯的化学成分及其含量是：C为0.04～0.08wt％，Si为1.20～1.50wt％，Mn为1.90～2.20wt％，Cr为1.00～1.30wt％，Mo为0.10～0.30wt％，Al为0.05～0.60wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。Si、Mn、Cr、Mo和Al在的铸坯中的含量之和小于6.00wt％。
将铁水经炼钢和精炼后，进行模铸，热轧，渗碳与热处理。热轧是先将铸坯在1150～1200℃条件下均热2.0～3.0小时，再进行轧制，自然冷却；渗碳与热处理的工艺是：先将冷却后的钢板在950～1050℃条件下奥氏体化0.2～0.4小时；再以氮气和甲醇为气氛在700～800℃条件下进行表面渗碳80.0～100.0小时，氮气的体积含量为40～45％，甲醇的体积含量为55～60％；然后350～500℃条件下和氮气气氛中保温10.0～120.0小时，随炉冷却至室温。
本实施例所制造的渗碳贝氏体钢：表面渗碳层硬度为570～600HV；心部抗拉强度为1100～1300MPa；心部延伸率为25～28％；心部断口韧性为24～29MPam1/2。
实施例4
一种渗碳贝氏体钢的制造方法。铸坯的化学成分及其含量是：C为0.04～0.08wt％，Si为1.20～1.50wt％，Mn为1.90～2.20wt％，Cr为1.00～1.30wt％，Mo为0.10～0.30wt％，Al为0.60～1.20wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。Si、Mn、Cr、Mo和Al在的铸坯中的含量之和小于6.00wt％。
将铁水经炼钢和精炼后，进行模铸，热轧，渗碳与热处理。热轧是先将铸坯在1150～1200℃条件下均热2.0～3.0小时，再进行轧制，自然冷却。渗碳与热处理的工艺是：先将冷却后的钢板在950～1050℃条件下奥氏体化0.2～0.4小时；再以氮气和甲醇为气氛在700～800℃条件下进行表面渗碳80.0～100.0小时，氮气的体积含量为40～45％，甲醇的体积含量为55～60％；然后在350～500℃、氮气气氛和8～10T强磁场的条件下保温1.0小时～3.0小时，随炉冷却至室温。
本实施例所制造的渗碳贝氏体钢：表面渗碳层硬度为530～560HV；心部抗拉强度为1500～1700MPa；心部延伸率为21～24％；心部断口韧性为25～30MPam1/2。
本具体实施方式是以价格低廉的Si、Mn、Cr元素为主，及含少量Mo、Al等元素，故成本低廉；用轧制+正火+渗碳+淬火的热轧，渗碳与热处理的工艺，工艺简单。
本具体实施方式制造的渗碳贝氏体钢的渗碳层组织为高碳贝氏体铁素体及残留奥氏体，心部组织为低碳贝氏体铁素体及残留奥氏体。贝氏体铁素体为过饱和碳的固溶体，类似于马氏体组织，具有很高的强韧度和破断抗力；奥氏体为韧度相，分布在贝氏体铁素体板条上或板条之间，在受到外力作用下会发生塑性变形，吸收和消耗能量，延缓裂纹的扩展，对提高板材的韧度极其有利，应力作用较大时会发生相变诱发塑性效应，进一步提高了钢的强韧度。经过渗碳与热处理和强磁场处理，得到表面渗碳层硬度为530～680HV、心部抗拉强度为1000～1500MPa、心部延伸率为17～28％和心部断口韧性为20～30MPam1/2的渗碳贝氏体钢。
因此，本具体实施方式具有成本低廉和工艺简单的特点，所制备的钢板性能优良，广泛应用于制造性能要求较高或截面尺寸较大，且在承受较强烈的冲击作用和磨损条件下工作的零件，也广泛应用于车辆、船舶、矿山设备、工程机械及水泥设备等方面。

Claims (6)

1、一种渗碳贝氏体钢的制造方法，其特征在于或将铁水、或将废钢、或将铁水和废钢经炼钢和精炼后，进行模铸或连铸，热轧，渗碳与热处理；
铸坯的化学成分及其含量是：C为0.04～0.12wt％，Si为1.20～1.80wt％，Mn为1.60～2.20wt％，Cr为1.00～1.60wt％，Mo为0.10～0.60wt％，Al为0.05～1.20wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
2、根据权利要求1所述的渗碳贝氏体钢的制造方法，其特征在于所述的热轧是先将铸坯在1150～1250℃条件下均热2.0～3.0小时，再进行轧制，自然冷却。
3、根据权利要求1所述的渗碳贝氏体钢的制造方法，其特征在于所述的渗碳与热处理的工艺是：将冷却后的钢板在850～1050℃条件下奥氏体化0.2～0.6小时，再以氮气和甲醇为气氛在700～900℃条件下进行表面渗碳60.0～100.0小时；然后200～500℃条件下于氮气气氛中保温10.0～240.0小时，随炉冷却至室温，或在200～500℃、氮气气氛和8～12T强磁场的条件下保温1.0小时～4.0小时，随炉冷却至室温。
4、根据权利要求3所述的渗碳贝氏体钢的制造方法，其特征在于所述的氮气的体积含量为35～45％，甲醇的体积含量为55～65％。
5、根据权利要求1所述的渗碳贝氏体钢的制造方法，其特征在于所述的Si、Mn、Cr、Mo和Al在的铸坯中的含量之和小于6.00wt％。
6、根据权利要求1、2、3和5项中任一项所述渗碳贝氏体钢的制造方法所制造的渗碳贝氏体钢。
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