CN104087824A

CN104087824A - 一种具有trip效应的超细结构贝氏体钢及其制备方法

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Publication number: CN104087824A
Application number: CN201410328892.8A
Authority: CN
Inventors: 赵爱民; 智超; 何建国; 赵复庆; 曾尚武; 周开春; 胡汉江; 丁箫楠; 赵征志; 武会宾; 米振莉
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2034-07-11
Also published as: CN104087824B

Abstract

一种具有TRIP效应的超细结构贝氏体钢及其制备方法，属于高强度、高塑性钢领域。化学成分质量百分比为：C，0.30～0.60％；Si，2.00～3.00％；Mn，0.20～0.50％；Al，0.50～0.90％；P，≤0.06％；S，≤0.04％；其余为Fe及杂质。采用电弧炉或感应电炉冶炼，模铸成铸锭，经过高温锻造的锻坯进行余热热处理，将高温锻坯装入950℃热处理炉中，保温0.5～1.5小时后直接淬入300～400℃熔盐中盐浴保温1～10个小时，等温转变为片层小于600nm的贝氏体超细结构，并含有一定数量的残余奥氏体。本发明在变形过程中发生TRIP效应，其抗拉强度达到1400MPa以上，延伸率达到28％，大大提高综合性能，强塑积达到39GPa％以上。

Description

一种具有TRIP效应的超细结构贝氏体钢及其制备方法

技术领域

技术涉及到一种具有TRIP效应的超细结构贝氏体钢及其制备工艺，属于高强度、高塑性钢领域，其主要涉及到一种以超细结构无碳化物贝氏体和残余奥氏体为主体的贝氏体钢，贝氏体片层间距小于600nm，其在变形过程中发生TRIP效应，提高其抗拉强度和延伸率，从而大大提高其综合性能。

背景技术

氏体钢是一种具有较高强度和良好韧性的钢种，一直是钢铁材料界研究的重点。20世纪30年代，美国人Bain等发现低合金钢在中温条件下，等温可以获得一种与高温转变以及低温转变都不同的组织，该组织具有较高的强韧性能，之后被人们称为贝氏体。50年代，英国人Pickering等发明了Mo-B系空冷贝氏体钢，加入合金元素Mo、B使钢在比较宽的连续冷却速度范围得到贝氏体组织，简化了加工工艺，但是Mo元素价格昂贵，转变温度高，得到的组织粗大，产品强韧性比较差，使其发展受到了一定的限制。70年代，我国清华大学方鸿生等研发出一种在正火状态就可以获得贝氏体组织的Mn-B系贝氏体钢，Mn显著降低转变驱动力，降低贝氏体转变温度，细化晶粒尺寸，改善了韧性和强度。

003年，英国剑桥大学Bhadeshia教授等人利用Si对碳化物析出的抑制作用研制出了超级贝氏体钢，这种贝氏体板条中间不是析出碳化物而是残余奥氏体薄膜，这中贝氏体铁素体组织极为细小，其厚度小于100nm，这种钢的亚微米超细贝氏体和少量马氏体或残余奥氏体组织结构决定了其超高强度和良好的韧性，其极限强度可以达到2.5GPa，硬度为600～700HV，断裂韧性为30～40MPa·m^1/2，由于其良好的性能，受到广泛的关注。

hadeshia等人研发的这种纳米贝氏体钢虽然拥有良好的强度和韧性，但其加入了大量Cr、Mo、V等贵合金元素，大大提高了其成本，而且制备工艺繁琐，在等温淬火前要经过长时间的均匀化扩散退火，空冷后进行奥氏体化，之后在125～300℃盐浴中等温淬火，其贝氏体转变需很长时间，少则几天，多则长达一月之久，制备时间过长，大大增加了成本。

发明内容

发明的目的在于利用合金成分和制备工艺的优化，生产一种具有TRIP效应的超细结构贝氏体钢，提高钢的综合性能。

达到上述目的，本发明的技术方案是：

种具有TRIP效应的超细结构贝氏体钢及其制备工艺，该工艺适用的贝氏体钢化学质量百分比如下：碳(C)0.30～0.60％；硅(Si)2.00～3.00％；锰(Mn)0.20～0.50％；铝(Al)0.50～0.90％；磷(P)≤0.06％；硫(S)≤0.04％；其余为Fe和不可避免的杂质。

发明的制备工艺包括：按照化学成分质量百分比称取原料，在电弧炉或感应电炉中进行冶炼，模铸成铸锭；铸锭在1200～900℃温度区间内进行锻造，之后空冷至室温；锻坯无需进行高温扩散退火，直接装入950℃的热处理炉中保温0.5～1.5小时；均热后，将锻坯取出并迅速投入到温度为300～400℃盐浴炉中，进行低等温热处理，保温1～10小时，既保证贝氏体组织的转变，又确保残余奥氏体的含量及形态分布，以便在变形时发生TRIP效应，后将锻坯取出空冷至室温。

发明的微观组织由片层厚度小于600nm无碳化物贝氏体和残余奥氏体组成，介稳的残余奥氏体呈薄膜状分布于片层贝氏体间隙，在变形过程中残余奥氏体发生相变增塑效应，提高强度和塑性。

发明通过合理设计合金成分，不添加Cr、Mo、V元素等价格高昂的合金元素，优化制备工艺，合理选择温度，从成分和工艺两方面降低成本。通过对工艺的优化，纳米贝氏体钢最终组织中含有大量的残余奥氏体，并在变形时发生TRIP效应，提高贝氏体钢的强度和延伸率，从而进一步提升其综合性能。

附图说明：

图1为热处理工艺示意图。

图2为拉伸曲线图。

具体实施方式

面对本发明合金组成的数值限定的原因做详细的说明。

1)碳(C)：0.30～0.60％(重量)

元素是本发明中保证获得纳米贝氏体组织的最基本元素，其作为强间隙固溶强化元素，其固溶强化对提高强度至关重要，但过高的碳含量会降低焊接性能和冲击韧性。C在奥氏体中的溶解度很大，而在铁素体中却很小。它能减慢奥氏体中原子的扩散速度，延长奥氏体转变前的孕育期，从而减慢转变速度，增加奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性，因此C含量的提高会使得原始奥氏体晶粒的稳定性增强，降低贝氏体相变速率。另一方面，C的增加不但降低了B_s温度和M_s温度，而且可以使B_s温度和M_s温度之间的温度差扩大，这有利于获得纳米贝氏体组织。

2)硅(Si)：2.00～3.00％(重量)

i元素是保证本发明钢中无碳化物析出的元素，其作为非碳化物形成元素，当其含量较低时，以非金属夹杂物形式存在，从而阻止奥氏体晶粒细化。但当其含量过高时，可作为置换型合金元素加入固溶体，则促进了奥氏体晶粒的粗化。Si不仅具有明显抑制脆性相Fe₃C型碳化物析出的作用，还可以增加组织中残余奥氏体量及其稳定性，一定量的Si可提高纳米贝氏体钢的韧性。

3)锰(Mn)：0.20～0.50％(重量)

n元素与Si协同作用可以保证本发明钢种获得高强度、高硬度的同时，仍具有较高的韧性。Mn是属于置换型合金元素，它在钢中具有固溶强化的作用。作为扩大奥氏体相区元素，加入Mn能使钢的A_r1、A_r3、B_s和M_s温度下降，有利于纳米贝氏体组织形成。适量的Mn在中温以下的相界处富集时，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，使贝氏体转变温度降低，是保证获得细小贝氏体铁素体尺寸的主要因素之一。同时也可提高奥氏体在室温的稳定性。

4)铝(Al)：0.50～0.90％(重量)

l元素在本发明中作用是与Si协同作用以保证钢种获得更好的韧性。Al在贝氏体钢中作用于Si相似，可以抑制渗碳体的析出。且作为一种可完全溶解的元素，Al在组织中不会发送偏析，也不会产生表面氧化物。同时，Al可抑制马氏体相变，增加奥氏体稳定性。Al的另一个作用是加速贝氏体转变，这是因为其通过对相变驱动力磁性和非磁性部分的影响而使相变驱动力增加。增加了相变驱动力，使得形核密度增加，一方面减小了对性能有害的残留奥氏体岛，另一方面更多的形核位置会使贝氏体铁素体板条细化。

传统的纳米贝氏体钢成分，往往是高C高Mn高Si，再加入一定量的Cr和Mo等合金元素。Cr可提高淬透性，但易于形成碳化物；Mo可推迟珠光体转变及碳化物的析出，也可细化奥氏体晶粒。本发明通过降低Mn含量，摒弃了昂贵的Cr和Mo，再加入一定量的Si和Al，使得锻造组织更加均匀且不含碳化物，无需退火即可直接进行热处理。

1为各成分的质量百分数

1化学成分表

据表1所给出的化学成分，采用电磁感应炉真空熔炼，对铸造的坯料锻造成锻坯，以进行后续工艺。

锻坯均加热到950℃奥氏体化30分钟，再将样品取出直接淬入盐浴炉进行等温热处理，最后将其空冷至室温。盐浴保温温度和时间及其力学性能如表2所示。

表2 盐浴保温温度、时间及其力学性能

编号	保温温度/℃	保温时间/h	抗拉强度/MPa	延伸率/％
					1	350	6	1408	28.95
2	370	1	1384	30.52
					3	370	1	1370	30.71

Claims

1.一种具有TRIP效应的超细结构贝氏体钢，其化学成分质量百分比如下：

0.30～0.60％；Si 2.00～3.00％；Mn 0.20～0.50％；Al 0.50～0.90％；≤0.06％；S ≤0.04％；其余为Fe和不可避免的杂质。

2.一种如权利要求1所述具有TRIP效应的超细结构贝氏体钢的制备方法，其特征在于按照权利要求1所述的化学成分质量百分比称取原料，在电弧炉或感应电炉中进行冶炼，模铸成铸锭，铸锭在1200～900℃温度区间内进行锻造，将铸锭锻成一定尺寸的锻坯，之后空冷至室温，获得以珠光体为基体的组织；具体热处理工艺为：

1)锻坯无需进行高温扩散退火，直接装入950℃的热处理炉中保温0.5～1.5小时，奥氏体化温度过高，时间过长，将导致奥氏体晶粒过大会降低强度和韧性，所以奥氏体化的温度与时间选择要既保证组织完全奥氏体化，又不使奥氏体晶粒过大；

2)均热后，将锻坯取出并迅速淬入到盐浴炉中，盐浴为硝酸钾与亚硝酸钠1:1配比，盐浴炉体积足够大，保证锻坯进入后温度不会过大升高，也保证在600～700℃珠光体转变的温度范围内尽可能快速冷却，躲过C曲线鼻子尖，避免珠光体转变，获得以贝氏体为主的基体组织；

3)在300～400℃等温1～10小时，等温温度与时间决定残余奥氏体与贝氏体的体积分数和形态，直接影响性能，温度过高贝氏体片层厚度增加影响强度，温度太低，残余奥氏体含量减少，塑性降低，时间长短影响残余奥氏体的稳定性，决定能否发生TRIP效应；

(4)热处理完毕，将锻坯取出空冷至室温。

3.如权利要求2所述具有TRIP效应的超细结构贝氏体钢的制备方法，其特征在于具有TRIP效应的超细结构贝氏体钢微观组织由片层厚度小于600nm无碳化物贝氏体和残余奥氏体组成，介稳的残余奥氏体呈薄膜状分布于片层贝氏体间隙，在变形过程中残余奥氏体发生相变增塑效应、即TRIP效应，提高贝氏体钢的强度和塑性。