CN103014527A - 含铝低温贝氏体钢的制备方法 - Google Patents

含铝低温贝氏体钢的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种含铝低温贝氏体的制备方法，其原材料为含铝量0.5～1.5wt％、含碳量0.2～1.1wt％的合金钢，其它主要合金元素为Cr、Si、Mo、Mn和Ni。经过冶炼钢水，炉外精炼和真空脱气，再轧制或者锻造成形。将上述钢加热到880-950℃；以大于50℃/min的速度冷到钢的Ms+10℃温度；从钢的Ms+10℃温度，以0.5-1.0℃/min的速度连续缓冷到钢的Ms-100×C wt％℃温度；在250-350℃保温20-30min，空冷至室温；在180-280℃保温60min，空冷至室温。本发明工艺简单，可获得贝氏体铁素体板条厚度尺寸从20nm到300nm跨尺度变化、残余奥氏体薄膜分布其间的组织结构。

Description

含铝低温贝氏体钢的制备方法
技术领域本发明属于金属材料技术领域，特别涉及一种钢铁材料。
背景技术磨损和疲劳是材料破坏的主要形式，在冶金、铁路、矿山和机械等行业使用的钢轨、辙叉、衬板、轴承和齿轮等等，绝大部分因材料磨损和疲劳而失效，其造成的经济损失十分惊人。据统计，在工业发达国家机械装备及零件的磨损和疲劳所造成的经济损失占国民经济总产值的4％左右，因此，高性能耐磨损和抗疲劳钢产品的研制和开发具有重要意义。
低碳贝氏体钢因其具有高强度、高韧度、适当的硬度使其表现出优良的抗接触疲劳和耐磨性能，使它成为制作高寿命钢轨和辙叉等轨道部件的理想材料之一。并且，目前贝氏体钢在制作铁路辙叉和钢轨方面有了越来越广泛的应用。中碳贝氏体钢是近几十年来发展起来的高性能耐磨钢，这类钢是在低合金高强度钢基础上发展起来的，耐磨性能好，使用寿命可达传统结构钢的数倍，成为新一代耐磨钢的代表。目前，国外高强度耐磨钢牌号较多，发达国家的一些钢铁公司已经有了自己的系列产品和标准，如瑞典奥克隆德的Hardox系列、德国蒂森克虏伯的Xar系列、日本JFE的Everhard系列等，中国高强度耐磨钢成分大多采用Mn-Si系列和Cr-Mo-V-B系列。但这些品牌的钢板大多都是经过轧制生产线上淬火和回火得到淬火回火马氏体组织，只有个别的是经过控轧控冷技术获得连续转变的贝氏体、马氏体和残余奥氏体综合组织。众所周知，轴承是机械设备中的关键基础零件，它既要具有优良的耐磨性、又要具备高的抗接触疲劳性能，轴承质量的优劣直接关系到整个设备的使用寿命。而轴承质量的好坏在很大程度上取决于材料及其热处理工艺。传统的轴承基本组织基本都是回火马氏体组织，这种组织硬度高，但韧性较低。为了进一步提高轴承的服役寿命，近年来逐渐发展起了高碳贝氏体组织轴承钢。
目前，世界上公布的关于贝氏体钢制造技术的专利很多。其中，关于贝氏体钢辙叉和钢轨及其制造技术方面，有中国专利ZL200910227861.2、中国专利CN101423916A以及英国剑桥大学著名的材料科学家Bhadeshia教授发明的专利WO9622396A；关于贝氏体耐磨钢板及其制造技术方面，有法国工业钢克鲁梭公司Beguinot的专利技术WO02004048620-A1（CN1714160A）和中国专利ZL200510079346.6；关于贝氏体轴承钢的制造工艺技术方面，有中国专利ZL200610102027.7，瑞典奥瓦科钢铁股份公司的专利SE9702852-6（CN1214368A）和荷兰SKF工程研究中心公司的专利WO0063450（CN1347462A）。然而，这些技术不能保证钢完成充分的贝氏体相变；无法使贝氏体钢达到更高的强度、硬度、韧性和塑性等优异的综合力学性能。
发明内容本发明的目的在于提供一种工艺简单、能充分贝氏体相变、具有高位错密度的厚度尺寸跨尺度的含铝低温贝氏体钢的制备方法。
本发明的技术方案如下：
（1）原材料的化学成分(wt％)为：C0.2～1.1、Al0.5～1.5、Si0.5～1.5、Mn0.2～2.0、Cr1.0～2.0、Ni0～1.0、Mo0.2～0.5、Ti＜0.01、V＜0.03、Nb＜0.01、S<0.02、P<0.02、O＜0.001、H＜0.0001，其余为Fe，其中铝和硅含量1.5～2.5。
（2）采用电炉或者氧气转炉冶炼钢水，将钢水经过常规炉外精炼和常规真空脱气处理，再经过常规的轧制或者锻造成形。
（3）最终热处理工艺为：
a、将上述钢加热到880～950℃进行奥氏体化处理；
b、以大于50℃/min的速度冷到钢的Ms+10℃温度；
c、从钢的Ms+10℃温度，以0.5～1.0℃/min的速度连续缓慢冷却到钢的Ms-100×C（wt％）℃温度，其中C为原料中碳的质量百分比含量；
d、在250～350℃保温20～30min进行奥氏体稳定化处理，随后空冷至
室温；e、最后在180～280℃保温60min回火，空冷至室温。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、热处理工艺中，中温连续冷却温度区间是从钢的Ms+10℃到Ms-100C（wt％）℃温度，冷却速度十分缓慢，从而保证钢完成充分的贝氏体相变。
2、热处理工艺中，增加了残余奥氏体的稳定化处理工艺，从而保证钢在服役过程中残余奥氏体的稳定性能，有利于提高钢的抗疲劳性能。
3、本发明制备的含铝低温贝氏体钢具有贝氏体铁素体板条厚度尺寸从20nm到300nm跨尺度变化、残余奥氏体薄膜分布其间的两相组织结构，表现出高强度、高硬度、高韧性和高塑性等最佳的综合力学性能。
4、具有这种含铝低温贝氏体组织的钢可以用于制造高寿命铁路钢轨和辙叉、高性能耐磨钢板、高品质轴承等基础机械零部件。
具体实施方式
实施例1
低碳贝氏体钢钢轨的制备：
采用氧气转炉熔炼钢水，用LF炉对上述钢水进行炉外精炼，再用RH法对上述钢水进行真空脱气处理，然后连铸成钢坯。该钢坯的化学成分（wt％）为：C0.20、Al0.50、Si1.40、Mn0.98、Cr1.52、Ni0.52、Mo0.35、S0.01、P0.02，其余为Fe。对连铸钢坯进行开坯热轧，开轧温度1150℃，终轧温度920℃，将其轧制成标准60钢轨，轧制比为12。经测试，上述钢的Ms温度为400℃。将上述钢轨加热到950℃进行奥氏体化处理，以55℃/min冷却速度冷却到410℃，然后，从410℃开始以0.6℃/min的冷却速度冷却到380℃，然后直接在350℃保温20min后，在空气中自然冷却到室温。最后再将钢轨加热到280℃保温60min后空冷至室温。在轨头表层以下20mm深度处取纵向试样测试钢轨的力学性能，力学性能达到：σb＝1330MPa，σ0.2＝1105MPa，δ5＝18％，aKU＝175J/cm2，aKU（40℃）＝92J/cm2，HRC41。
实施例2
中低碳贝氏体钢辙叉的制备：
采用氧气转炉熔炼钢水，用LF炉对上述钢水进行炉外精炼，再用VD法对上述钢水进行真空脱气处理，然后连铸成钢坯。该钢坯的化学成分（wt％）为：C0.35、Al0.98、Si1.02、Mn1.36、Cr1.0、Ni1.0、Mo0.5、Ti0.008、V0.0011、Nb0.008、S0.006、P0.012、O0.0008、H0.00008,其余为Fe。对连铸钢坯进行开坯热轧，开轧温度1170℃，终轧温度950℃。轧制坯断面尺寸为120×190mm，轧制比为7。经测试，上述钢的Ms温度为350℃。将上述钢坯加热到940℃进行奥氏体化处理，以60℃/min的速度冷却到360℃，然后，从360℃开始以0.7℃/min的速度冷却到320℃，接着把炉温保持在320℃保温25min后，在空气中自然冷却到室温。最后再将钢坯加热到260℃保温60min后空冷至室温。在轧坯表面下30mm处切取力学性能试样，测试得到经过这种处理的钢的力学性能为：σb＝1551MPa，σ0.2＝1276MPa，δ5＝16％，aKU＝132J/cm2，HRC46。
实施例3
中碳贝氏体钢耐磨板的制备：
采用氧气转炉熔炼钢水，用LF炉对上述钢水进行炉外精炼，再用RH法对上述钢水进行真空脱气处理，然后连铸成钢坯。该钢坯的化学成分（wt％）为：C0.48、Al0.76、Si1.50、Mn2.0、Cr2.0、Mo0.43、S0.019、P0.019，其余为Fe。轧制耐磨钢板的厚度为18mm，宽度为3m。经测试，上述钢的Ms温度为250℃。将上述钢板加热到920℃进行奥氏体化处理，以70℃/min速度冷却到260℃，然后，从260℃开始以1.0℃/min的速度冷却到202℃，直接在300℃保温30min后，在空气中自然冷却到室温。最后再将钢板加热到250℃保温60min后空冷至室温。机械性能为：σb＝1721MPa，σ0.2＝1446MPa，δ5＝10％，aKU＝98J/cm2，HRC56。
实施例4
高碳贝氏体轴承钢的制备：
采用氧气转炉熔炼钢水，用LF炉对上述钢水进行炉外精炼，再用VD法对上述钢水进行真空脱气处理，然后连铸成钢坯。该钢坯的化学成分为(wt％)：C1.10、Al1.50、Si0.50、Mn0.20、Cr1.52、Mo0.20、S0.005、P0.008、O0.0008、H0.0001，其余为Fe。采用常规的锻造工艺对钢坯进行塑性热变形加工，锻造比为9。经测试，上述钢经过900℃奥氏体化后Ms温度为200℃。将上述钢加热到900℃进行奥氏体化处理，以60℃/min冷却速度冷却到210℃，然后，从210℃开始以0.6℃/min的冷却速度冷却到100℃，把炉温直接升到250℃保温25min后，在空气中冷却到室温。最后再将钢加热到180℃保温60min后空冷至室温。获得的整体硬贝氏体轴承的硬度为HRC62、σb＝2400MPa，σ0.2＝2186MPa，δ5＝5％，aKU＝22J/cm2，其抗滚动接触疲劳性能比普通淬火回火马氏体组织GCr15轴承钢提高1.2倍。
实施例5
中低碳贝氏体钢辙叉的制备：
采用氧气转炉熔炼钢水，用LF炉对上述钢水进行炉外精炼，再用RH法对上述钢水进行真空脱气处理，然后连铸成钢坯。该钢坯的化学成分（wt％）为：C0.30、Al0.58、Si1.0、Mn1.67、Cr1.32、Ni0.42、Mo0.40、Ti0.008、V0.0009、Nb0.007、S0.008、P0.010、O0.0008、H0.00009,其余为Fe。对连铸钢坯进行开坯热轧，开轧温度1180℃，终轧温度960℃。轧制坯断面尺寸为120×190mm，轧制比为8。经测试，上述钢的Ms温度为340℃。将上述钢坯加热到930℃进行奥氏体化处理，以65℃/min的速度冷却到350℃，然后，从350℃开始以0.8℃/min的速度冷却到310℃，接着把炉温保持在310℃保温27min后，在空气中自然冷却到室温。最后再将钢坯加热到250℃保温60min后空冷至室温。在轧坯表面下30mm处切取力学性能试样，测试得到经过这种处理的钢的力学性能为：σb＝1389MPa，σ0.2＝1159MPa，δ5＝17％，aKU＝151J/cm2，HRC43。
实施例6
高碳贝氏体轴承钢的制备：
采用氧气转炉熔炼钢水，用LF炉对上述钢水进行炉外精炼，再用RH法对上述钢水进行真空脱气处理，然后连铸成钢坯。该钢坯的化学成分为(wt％)：C0.98、Al1.00、Si1.22、Mn0.46、Cr1.61、Mo0.25、S0.004、P0.011、O0.0008、H0.00009，其余为Fe。采用常规的锻造工艺对钢坯进行塑性热变形加工，锻造比为8。经测试，上述钢经过900℃奥氏体化后Ms温度为200℃。将上述钢加热到880℃进行奥氏体化处理，以60℃/min冷却速度冷却到210℃，然后，从210℃开始以0.6℃/min的冷却速度冷却到100℃，把炉温直接升到260℃保温28min后，在空气中冷却到室温。最后再将钢加热到180℃保温60min后空冷至室温。获得的整体硬贝氏体轴承的硬度为HRC61、σb＝2277MPa，σ0.2＝2008MPa，δ5＝5％，aKU＝24J/cm2，其抗滚动接触疲劳性能比普通淬火回火马氏体组织GCr15轴承钢提高1.3倍。

Claims (1)

1.含铝低温贝氏体钢的制备方法，其特征在于：
（1）原材料的化学成分质量比wt％为：C0.2～1.1、Al0.5～1.5、Si0.5～1.5、Mn0.2～2.0、Cr1.0～2.0、Ni0～1.0、Mo0.2～0.5、Ti＜0.01、V＜0.03、Nb＜0.01、S<0.02、P<0.02、O＜0.001、H＜0.0001，其余为Fe，其中铝和硅含量之和为1.5～2.5；
（2）采用电炉或者氧气转炉冶炼钢水，将钢水经过常规炉外精炼和常规真空脱气处理，再经过常规的轧制或者锻造成形；
（3）最终热处理工艺为：
a、将上述钢加热到880～950℃进行奥氏体化处理；
b、以大于50℃/min的速度冷到钢的Ms+10℃温度；
c、从钢的Ms+10℃温度，以0.5～1.0℃/min的速度连续缓慢冷却到钢的Ms-100×Cwt％℃温度；
d、在250～350℃保温20～30min进行奥氏体稳定化处理，随后空冷至室温；
e、最后在180℃～280℃保温60min回火，空冷至室温。
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