CN102560261A

CN102560261A - 一种贝氏体钢及其制备方法

Info

Publication number: CN102560261A
Application number: CN2012100810724A
Authority: CN
Inventors: 孙伟; 严峻; 薛会锋
Original assignee: Sany Heavy Equipment Co Ltd
Current assignee: Yiyang science and Technology Achievement Transformation Service Center
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: CN102560261B

Abstract

本发明提供了一种贝氏体钢，包括：0.1wt％～0.3wt％的C，1.5wt％～3.0wt％的Mn，1.0wt％～2.0wt％的Si，0.003wt％～0.006wt％的B，0.05wt％～0.15wt％的Ti，大于零且小于等于1.0wt％的Cr，大于零且小于等于0.03wt％的RE，0～0.01wt％的S，0～0.01wt％的P和余量的Fe。本发明还提供了上述贝氏体钢的制备方法。本发明提供的贝氏体钢中添加了Mn、Si、Cr和B等合金元素，并且通过对热处理工艺进行调整，提高了贝氏体钢强度的稳定性，延长了其在摩擦磨损工况条件下的使用寿命。

Description

一种贝氏体钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种贝氏体钢及其制备方法。

背景技术

自二十世纪二十年代末，E.C.Bain首次在钢中发现贝氏体相变以来，关于贝氏体理论及应用的研究已有半个多世纪了。国内学者对贝氏体相变做了诸多研究，研发出了一系列贝氏体钢。贝氏体钢由于兼具优良的强度、韧性和耐磨性，在冶金、电力、建材和化工等领域得到了广泛应用，其作为球磨机耐磨钢球、矿山机械刮板和耐磨传输管材等的零部件应用效果较好。

贝氏体钢按合金成分划分，可分为Mo-B系贝氏体钢和Mn-B系贝氏体钢。研究表明，Mo-B系贝氏体钢中Mo与B结合可使钢在相当宽的连续冷却速度范围内获得贝氏体组织，但原料Mo的价格高，且Mo-B钢的贝氏体组织转变温度高，最终产品的强度和韧性低，因此Mo-B系贝氏体合金钢的发展受到限制。Mn-B系贝氏体钢中原料Mn的价格比Mo低，在Mn-B系贝氏体钢中添加Cr、Si和V等合金元素，在空冷过程中即可形成贝氏体组织，因此Mn-B系贝氏体钢发展迅速，成为贝氏体钢发展的主要方向。

对于Mn-B系贝氏体钢的研究，近年来主要集中于合金化与工艺改进方面。例如公开号为101104906A的中国专利公开了一种低碳贝氏体钢及其制备方法。该专利公开的低碳贝氏体钢包括：0.12wt％～0.43wt％的C，1.0wt％～2.6wt％的Mn，1.0wt％～2.0wt％的Si，0～0.8wt％的Cr，0～0.05wt％的P，0～0.05wt％的S和余量的Fe；其热处理工艺为：(1)将上述成分的原料熔炼，熔炼温度为1500℃～1600℃，原料熔化后电磁搅拌，浇铸，浇铸温度为1500℃～1580℃；(2)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1.00g/cm³～1.65g/cm³，淬火后得到低碳贝氏体钢。此专利的低碳贝氏体钢通过调节合金元素Cr、Mn和Si的含量，同时采用了利用工件浇铸时的余热进行热处理的方法，获得了下贝氏体和马氏体的混合组织，但是该低碳贝氏体钢的强度不稳定，强度波动范围大。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种贝氏体钢及其制备方法，由该方法制备的贝氏体钢强度稳定性好，即材料的强度波动范围较小。

有鉴于此，本发明公开了一种贝氏体钢，包括：

0.1wt％～0.3wt％的C；

1.5wt％～3.0wt％的Mn；

1.0wt％～2.0wt％的Si；

0.003wt％～0.006wt％的B；

0.05wt％～0.15wt％的Ti；

大于零且小于等于1.0wt％的Cr；

大于零且小于等于0.03wt％的RE；

0～0.01wt％的S；

0～0.01wt％的P；

余量的Fe。

优选的，所述C的含量为0.15wt％～0.25wt％。

优选的，所述Mn的含量为1.5wt％～2.5wt％。

优选的，所述Cr的含量为0.2wt％～1.0wt％。

优选的，所述Ti的含量为0.10wt％～0.15wt％。

优选的，所述RE为La。

本发明还提供了一种贝氏体钢的制备方法，包括以下步骤：

a)、铸造如下成分的铸锭：

0.1wt％～0.3wt％的C，1.5wt％～3.0wt％的Mn，1.0wt％～2.0wt％的Si，0.003wt％～0.006wt％的B，0.05wt％～0.15wt％的Ti，大于零且小于等于1.0wt％的Cr，大于零且小于等于0.03wt％的RE，0～0.01wt％的S，0～0.01wt％的P和余量的Fe；

b)、将所述铸锭进行热处理，具体为：

b01)、加热至900℃～1000℃进行预正火处理；

b02)、将步骤b01)得到的铸锭加热至900℃～950℃进行二次正火处理；

b03)、将步骤b02)得到的铸锭加热至200℃～250℃进行回火处理，得到贝氏体钢。

优选的，步骤b01)中所述预正火处理的保温时间为60min～120min，冷却方式为空冷。

优选的，步骤b02)中所述二次正火处理的保温时间为30min～60min，冷却方式为空冷。

优选的，步骤b03)中所述回火处理的保温时间为90min～120min。

本发明提供了一种贝氏体钢，其包括：0.1wt％～0.3wt％的C，1.5wt％～3.0wt％的Mn，1.0wt％～2.0wt％的Si，0.003wt％～0.006wt％的B，0.05wt％～0.15wt％的Ti，大于零且小于等于1.0wt％的Cr，大于零且小于等于0.03wt％的RE，0～0.01wt％的S，0～0.01wt％的P和余量的Fe；本发明在贝氏体钢中添加了合金元素Mn，锰元素对Bs和Ms点的压低作用直接影响到贝氏体组织的形态和性能，Bs点越低，相转变组织中下贝氏体的量就越多，钢的强度和韧性配合就越好；同时在贝氏体钢中添加了对ΔBs/ΔMs比值压低最强的合金元素Cr，ΔBs/ΔMs的比值越低，贝氏体组织长大的范围就越窄，贝氏体组织就越细小，起到细晶强化的作用。在贝氏体钢中添加Mn、B和Cr等合金元素，能够使基体中获得更多的尺寸较小的贝氏体，同时能够细化晶粒，有效提高基体强度的稳定性。

本发明还提供了上述贝氏体钢的制备方法，其经过铸造工序和热处理工序后得到了贝氏体钢。在热处理过程中将铸造得到的铸锭加热至900℃～1000℃进行预正火处理，使铸锭组织初步奥氏体化；随后将预正火处理后的铸锭加热至900℃～950℃进行二次正火处理，此阶段用于细化晶粒，防止或消除残余铸态组织，使铸锭的综合性能提高；最后将二次正火处理后的铸锭加热至200℃～250℃进行回火处理，得到贝氏体钢，此阶段的回火处理用于消除正火过程中引入的残余应力，同时获得部分贝氏体组织，有助于提高贝氏体钢强度的稳定性。

综上所述，本发明通过合理设计贝氏体钢的配方和热处理工艺，得到的贝氏体钢强度指标稳定。实验证明，本发明提供的贝氏体钢的强度稳定性好，硬度超过37HRC。

附图说明

图1为本发明的热处理工艺图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种贝氏体钢，包括：

0.1wt％～0.3wt％的C；

1.5wt％～3.0wt％的Mn；

1.0wt％～2.0wt％的Si；

0.003wt％～0.006wt％的B；

0.05wt％～0.15wt％的Ti；

大于零且小于等于1.0wt％的Cr；

大于零且小于等于0.03wt％的RE；

0～0.01wt％的S；

0～0.01wt％的P；

余量的Fe。

本发明贝氏体钢中的Mn强压低Bs点，弱压低Ms点；Mn能控制贝氏体相转变曲线，并提高贝氏体钢的淬透性和贝氏体钢的强度。本发明中提供的贝氏体钢中Mn的含量为1.5wt％～3.0wt％，优选为1.5wt％～2.5wt％。

Si可压低Bs点，并使贝氏体相转变C曲线右移；同时能抑制过冷奥氏体分解，从而促进贝氏体-铁素体间富碳奥氏体和M-A岛状组织的形成。Si虽然是非碳化物形成元素，但是由于Si强烈阻止过饱和铁素体的脱溶，因而Si对贝氏体转变有颇为强烈的滞缓作用。硅在钢中的另一个重要作用是增加组织中残余奥氏体量及其稳定性。但是Si作为合金元素溶于固溶体时，会使奥氏体晶粒粗化。因此本发明提供的贝氏体钢中控制Si的含量为1.0wt％～2.0wt％。

Cr强压低Bs点，弱压低Ms点，是压低ΔBs/ΔMs比值最强的合金元素；Cr对贝氏体转变C曲线的影响最大，能提高贝氏体钢的淬透性和强度。本发明贝氏体钢中Cr的含量不超过1.0wt％，优选为0.2wt％～1.0wt％。

在中低碳贝氏体钢中多边形铁素体转变温度很快，连续冷却时不可能得到最大量的贝氏体转变，为此，本发明向钢中加入一定量的B用于抑制多边形铁素体的转变。此外，B也可以提高钢的淬透性，改善材料的性能。本发明提供的贝氏体钢中B的含量为0.003wt％～0.006wt％。

Ti和RE均作为变质剂加入，在基体中形成高熔点碳化物，起到弥散强化的作用。本发明提供的贝氏体钢中Ti的含量为0.05wt％～0.15wt％，优选为0.10wt％～0.15wt％，RE的含量不超过0.03wt％。上述稀土元素RE为镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)中的一种或几种，优选为镧(La)。

本发明还提供了一种贝氏体钢的制备方法，包括以下步骤：

a)、铸造如下成分的铸锭：

b)、将所述铸锭进行热处理，具体为：

b01)、加热至900℃～1000℃进行预正火处理；

步骤a)为铸造工序，本发明对步骤a)所述的铸造方法没有特殊限制，可以为砂型铸造或金属铸造等本领域技术人员熟知的方法。

步骤b)为热处理工序，在得到铸锭后，将上述铸锭进行热处理。如图1所示，图1为本发明的热处理工艺图。

首先将上述铸锭加热至900℃～1000℃进行预正火处理，此阶段使铸锭组织奥氏体化，为了确保充分奥氏体化，上述预正火处理的保温时间优选为60min～120min，更优选为80min～110min。上述预正火处理的冷却方式优选为空冷。上述加热的温度优选为920℃～1000℃。

随后将预正火处理后的铸锭重新加热至900℃～950℃进行二次正火处理，此阶段用于细化晶粒，预防或消除残余铸态组织，使铸锭的综合性能提高。上述二次正火处理的保温时间优选为30min～60min，更优选为40min～50min。上述二次正火处理的冷却方式优选为空冷。上述加热的温度优选为920℃～950℃。

最后将二次正火处理后的铸锭重新加热至200℃～250℃进行回火处理，得到贝氏体钢。此阶段的回火处理用于消除正火过程中引入的残余应力，同时获得部分贝氏体组织，提高贝氏体钢的综合性能。上述回火处理的保温时间优选为90min～120min，更优选为100min～120min。上述加热的温度优选为220℃～250℃。上述回火处理的冷却环节，可以是将贝氏体钢在加热炉中冷却到室温，或者在空气中冷却，对此本发明并无特别的限制。

本发明提供的上述贝氏体钢，在贝氏体钢中添加合金元素Mn，锰元素对Bs和Ms点的压低作用直接影响到贝氏体组织的形态和性能，Bs点越低，相转变组织中下贝氏体的量就越多，钢的强韧性配合就越好；同时在贝氏体钢中加入了对ΔBs/ΔMs比值压低最强的合金元素Cr，ΔBs/ΔMs的比值越低，贝氏体组织长大的范围就越窄，贝氏体组织就越细小，起到细晶强化的作用。本发明在贝氏体钢中添加Mn、B和Cr等合金元素，能够使基体中获得更多的尺寸较小的贝氏体，同时能够细化晶粒，提高基体强度的稳定性。

本发明在制备贝氏体钢的过程中，经过铸造工序和热处理工序后得到了贝氏体钢。在热处理过程中将铸造得到的铸锭加热至900℃～1000℃进行预正火处理，使铸锭组织初步奥氏体化；随后将预正火处理后的铸锭加热至900℃～950℃进行二次正火处理，此阶段用于细化晶粒，防止或消除残余铸态组织，使铸锭的综合性能提高；最后将二次正火处理后的铸锭加热至200℃～250℃进行回火处理，得到贝氏体钢，此阶段的回火处理能够消除正火过程中引入的残余应力，同时获得部分贝氏体组织，有助于提高贝氏体钢强度的稳定性。

综上所述，本发明通过合理设计贝氏体钢的配方和热处理工艺，提高了贝氏体钢强度的稳定性，同时避免了内应力的产生。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的贝氏体钢的制备方法进行详细介绍，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

(1)制备铸锭，铸锭成分列于表1；

(2)将步骤(1)得到的铸锭加热至900℃保温60min后空冷；

(3)将步骤(2)得到的铸锭重新加热至900℃保温30min后空冷；

(4)将步骤(3)得到的铸锭重新加热至200℃保温90min后，得到贝氏体钢。

将按照上述方法制备的贝氏体钢进行硬度测试，结果参见表2。

实施例2

(1)制备铸锭，铸锭成分列于表1；

(2)将步骤(1)得到的铸锭加热至1000℃保温120min后空冷；

(3)将步骤(2)得到的铸锭重新加热至950℃保温60min后空冷；

(4)将步骤(3)得到的铸锭重新加热至250℃保温120min后，得到贝氏体钢。

实施例3

(1)制备铸锭，铸锭成分列于表1；

(2)将步骤(1)得到的铸锭加热至920℃保温70min后空冷；

(3)将步骤(2)得到的铸锭重新加热至910℃保温50min后空冷；

(4)将步骤(3)得到的铸锭重新加热至240℃保温100min后，得到贝氏体钢。

实施例4

(1)制备铸锭，铸锭成分列于表1；

(2)将步骤(1)得到的铸锭加热至940℃保温80min后空冷；

(3)将步骤(2)得到的铸锭重新加热至930℃保温50min后空冷；

(4)将步骤(3)得到的铸锭重新加热至240℃保温120min后，得到贝氏体钢。

实施例5

(1)制备铸锭，铸锭成分列于表1；

(2)将步骤(1)得到的铸锭加热至980℃保温90min后空冷；

(3)将步骤(2)得到的铸锭重新加热至950℃保温40min后空冷；

(4)将步骤(3)得到的铸锭重新加热至240℃保温110min后，得到贝氏体钢。

实施例6

(1)制备铸锭，铸锭成分列于表1；

(2)将步骤(1)得到的铸锭加热至950℃保温100min后空冷；

(3)将步骤(2)得到的铸锭重新加热至920℃保温40min后空冷；

(4)将步骤(3)得到的铸锭重新加热至230℃保温100min后，得到贝氏体钢。

对比例1

(1)按照表1的成分配料，将配好的原料熔炼，熔炼温度为1500℃，原料熔化后，再进行20min的电磁搅拌，搅拌之后浇铸，浇铸温度为1580℃；

(2)将步骤(1)得到的低碳贝氏体钢铸锭的温度冷却至940℃时，直接置于pH值为12，密度为1.15g/cm³的碱性水溶液中淬火，得到贝氏体钢。

对比例2

(1)按照表1的成分配料，将配好的原料熔炼，熔炼温度为1550℃，原料熔化后，再进行15min的电磁搅拌，搅拌之后浇铸，浇铸温度为1500℃；

(2)将步骤(1)得到的低碳贝氏体钢铸锭的温度冷却至880℃时，直接置于pH值为14，密度为1.65g/cm³的碱性水溶液中淬火，得到贝氏体钢。

表1实施例及对比例中贝氏体钢成分(wt％)

表2本发明实施例及对比例提供的贝氏体钢的硬度测试结果

分别取实施例1～6及对比例1～2制备的贝氏体钢，在上述贝氏体钢表面随机选取5点，测试其拉伸强度，测试结果列于表3：

表3实施例及对比例贝氏体钢强度均匀性测试结果

由表2可知，与对比例提供的贝氏体钢相比，本发明提供的贝氏体钢具有较高的硬度；由表3可知，与对比例提供的贝氏体钢相比，本发明提供的贝氏体钢的强度稳定性好，强度波动范围较小，满足磨损严重的工况环境。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种贝氏体钢，其特征在于，包括：

0.1wt％～0.3wt％的C；

1.5wt％～3.0wt％的Mn；

1.0wt％～2.0wt％的Si；

0.003wt％～0.006wt％的B；

0.05wt％～0.15wt％的Ti；

大于零且小于等于1.0wt％的Cr；

大于零且小于等于0.03wt％的RE；

0～0.01wt％的S；

0～0.01wt％的P；

余量的Fe。

2.根据权利要求1所述的贝氏体钢，其特征在于，所述C的含量为0.15wt％～0.25wt％。

3.根据权利要求1所述的贝氏体钢，其特征在于，所述Mn的含量为1.5wt％～2.5wt％。

4.根据权利要求1所述的贝氏体钢，其特征在于，所述Cr的含量为0.2wt％～1.0wt％。

5.根据权利要求1所述的贝氏体钢，其特征在于，所述Ti的含量为0.10wt％～0.15wt％。

6.根据权利要求1所述的贝氏体钢，其特征在于，所述RE为La。

7.一种贝氏体钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)、铸造如下成分的铸锭：

b)、将所述铸锭进行热处理，具体为：

b01)、加热至900℃～1000℃进行预正火处理；

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤b01)中所述预正火处理的保温时间为60min～120min，冷却方式为空冷。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤b02)中所述二次正火处理的保温时间为30min～60min，冷却方式为空冷。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤b03)中所述回火处理的保温时间为90min～120min。