CN104928590B - 一种Mn‑Si‑Cr低碳贝氏体钢、钎杆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Mn‑Si‑Cr低碳贝氏体钢，该低碳贝氏体钢的组成包括：0.12‑0.20wt％的C、1.0‑1.8wt％的Si、2.00‑2.40wt％的Mn、0.10‑0.40wt％的Mo、0.30‑0.80wt％的Cr、0.04‑0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe，显微组织为纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织。本发明还公开由该Mn‑Si‑Cr低碳贝氏体钢制造得到的Mn‑Si‑Cr低碳贝氏体钎杆及其制备方法。本发明制得的钎杆与传统钎杆相比，抗拉强度大于1200MPa，屈服强度大于900MPa，延伸率大于16％，冲击值AKV大于78J，布氏硬度HB大于380，强韧性好，机械性能均达到或优于国家标准，能满足我国凿岩钎具用钢重型钎杆的需要，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明属于钢材研究领域。更具体地，涉及一种Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢、钎杆及其制备方法。
背景技术
凿岩钎具是一种配合凿岩机械进行岩石钻孔的工具之一，其通常是由钎尾、钎肩、钎杆、钎稍等组成。一般而言，钎杆有两种制成方式，一种是直接将钢材轧制制成，另一种用中频感应器对钢材进行不完全正火制成。轧制制成的钎杆通常耐疲劳、抗冲击的机械性能差。中频感应器正火制成的钎杆的机械性能有所改善，但由于加热时间短、组织转变不充分导致硬度不均匀，抗冲击、耐疲劳等性能仍不能满足使用要求。
国内外重型钎杆用钢主要包括Cr-Ni-Mo系和Cr-Ni-Mo-V系，例如18CrNi4Mo，这两种钢中均含有较高的Ni元素(通常是2.0-4.0wt％)，导致合金成本高，不利于工业使用。
在使用中，钎杆要承受1000-8000次/分钟、30-50J的冲击，通常会因抗疲劳和抗冲击性能差而导致断裂失效，进而使得凿岩成本增加且会影响凿岩效率。贝氏体钢的综合性能优异，被认为是今后重型钎具材料发展的方向之一。目前，钎杆贝氏体钢研究的重点是中高碳贝氏体钢，但这种钢材料的抗冲击性能及韧性受碳含量的影响明显，不能适用于钎具中。
因此，需要提供一种新的钢材，其耐疲劳、抗冲击性能好。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢。
本发明的第二个目的在于提供上述Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢的应用，其可用来制造钎杆。
本发明的第三个目的在于提供利用上述Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢制造钎杆的方法。
为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：
一种Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢，其组成包括：0.12-0.20wt％的C、1.0-1.8wt％的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe，显微组织为纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织。
优选地，所述低碳贝氏体钢中，[H]含量小于1.5ppm，[O]含量小于15ppm。
优选地，所述低碳贝氏体钢，其组成包括：0.12-0.16wt％的C、1.0-1.2wt％的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe，显微组织为纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织。
优选地，所述低碳贝氏体钢，其组成包括：0.16-0.20wt％的C、1.2-1.8wt％的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe，显微组织为纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织。
为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：
上述Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢的应用，该Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢可用于制造Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆，尤其适用于制造重型钎具中的钎杆。
为达到上述第三个目的，本发明采用下述技术方案：
采用上述Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢制备Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆的方法，包括以下步骤：
1)制备Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢，组成包括：0.12-0.20wt％的C、1.0-1.8wt％的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe；
2)将得到的Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢加热至1000-1150℃保温，之后经过穿孔→热轧→定径→冷却至室温，得到初始钎杆；
3)将得到的初始钎杆加热至650-950℃，保温2-48小时，进行均匀化处理，得到均匀化处理后的钎杆；
4)将均匀化处理后的钎杆加热至850-950℃，保温1-5小时，之后进行控冷处理，得到含有纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织的钎杆；
5)将含有纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织的钎杆在200-400℃保温1-24小时，得到Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆。
步骤2)是为了消除缩孔、偏析等冶金缺陷以及细化原奥氏体晶粒尺寸；步骤3)、4)、5)是为了控制纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织显微组织的形成。
优选地，所述低碳贝氏体钢中，[H]含量小于1.5ppm，[O]含量小于15ppm。
优选地，所述低碳贝氏体钢，其组成包括：0.12-0.16wt％的C、1.0-1.2wt％的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe。
优选地，所述低碳贝氏体钢，其组成包括：0.16-0.20wt％的C、1.2-1.8wt％的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe。
优选地，步骤1)制备Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢：是将原料经电炉或转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空脱气→连铸→热轧→冷却至室温，得到Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢。
优选地，步骤1)制备的Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢的直径为20-80mm。按照GB10561-2005-T钢中非金属夹杂物含量的测定，测定步骤1)得到的热轧圆钢中非金属夹杂物水平，结果为：A类夹杂小于2.0，B类夹杂小于1.5，C类夹杂小于1.5，D类夹杂小于1.5。
优选地，步骤2)中，穿孔温度为950-1150℃；热轧温度为800-1000℃，每道次变形量为5-10％，总轧制道次为1-5次；定径温度为800-1000℃，每道次变形量为5-10％，总轧制道次为1-5次。
优选地，步骤3)中，均匀化处理次数为1-3次。
优选地，步骤4)中，控冷处理是：将钎杆以0.5-30℃/s的冷却速率冷却至10-400℃，然后再升温至100-500℃，保温30-360分钟，之后再冷却至室温。
本发明的有益效果如下：
1、本发明制得的钎杆与传统钎杆相比，抗拉强度大于1200MPa，屈服强度大于900MPa，延伸率大于16％，冲击值AKV大于78J，布氏硬度HB大于380，强韧性好，机械性能均达到或优于国家标准，能满足我国凿岩钎具用钢重型钎杆的需要，使用寿命长。
2、本发明的Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢以Mn-Si-Cr为主要合金元素，无需加入Ni、Co、W等元素，合金成本低，且碳当量不大于0.8，焊接性能好，符合我国节能减排的战略需求。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出了实施例2得到的钎杆的显微组织(光学显微镜)。
图2示出了实施例4得到的钎杆的显微组织(透射电镜)。
图3示出了对比例5得到的钎杆的显微组织(光学显微镜)。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢1
含有的化学元素及其质量百分比为：0.12-0.16wt％的C、1.0-1.2wt％的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、0.04-0.22wt％的V、小于0.02wt％的P、小于0.015wt％的S和余量的Fe；
精炼过程中，钢水的P的质量百分比不高于0.02wt％，S的质量百分比不高于0.015wt％，[H]和[O]含量分别小于1.5ppm和15ppm；
所得圆钢的非金属夹杂物水平为：A类夹杂小于2.0，B类夹杂小于1.5，C类夹杂小于1.5，D类夹杂小于1.5。
实施例2：Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆1
1)将实施例1中的Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢制备成热轧圆钢：
经电炉或转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空脱气→连铸→热轧→冷却至室温，得到Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢；
2)将得到的热轧圆钢加热至1000-1150℃保温，之后经过穿孔→热轧→定径→冷却至室温，得到钎杆；其中穿孔温度为950-1150℃；热轧、定径过程，定径温度为800-1000℃，每道次变形量为5-10％，总轧制道次为1-3次；
3)将得到的钎杆加热至650-750℃，保温2-48小时，进行均匀化处理，得到均匀化处理后的钎杆；其中均匀化处理次数为1-3次；
4)将均匀化处理后的钎杆加热至850-950℃，保温1-5小时，之后以0.5-5℃/s的冷却速度冷却至10-360℃，然后加热至200-500℃保温30-360分钟，之后空冷至室温，得到含有纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织的贝氏体钎杆(图1)；
5)将含有纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织的钎杆在200-400℃保温1-24小时，得到Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆。
经测试，上述Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆的力学性能为：抗拉强度1200-1300MPa，屈服强度大于900MPa，延伸率大于16％，冲击值AKV78-190J，布氏硬度HB大于380。
拉伸和冲击实验分别参考《GB/T 228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》以及《GB/T 229金属材料夏比摆锤冲击试验方法》。
图1是实施例2的Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆的贝氏体/马氏体复相显微组织(光学显微镜)。其中，贝氏体板条的宽度为亚微米级。
实施例3：Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢2
含有的化学元素及其质量百分比为0.15-0.20wt％的C、1.2-1.8wt％的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、0.04-0.22wt％的V、小于0.02wt％的P、小于0.015wt％的S和余量的Fe；
精炼过程钢水的P的质量百分比不高于0.02wt％，S的质量百分比不高于0.015wt％，[H]和[O]含量分别小于1.5ppm和15ppm；
所得圆钢的非金属夹杂物水平为：A类夹杂小于2.0，B类夹杂小于1.5，C类夹杂小于1.5，D类夹杂小于1.5。
实施例4：Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆2
1)将实施例3中的Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢制备成热轧圆钢：
经电炉或转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空脱气→连铸→热轧→冷却至室温，得到Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢；
2)将得到的热轧圆钢加热至1000-1150℃保温，之后经过穿孔→热轧→定径→冷却至室温，得到钎杆；其中穿孔温度为950-1150℃；热轧、定径过程，定径温度为800-1000℃，每道次变形量为5-10％，总轧制道次为3-5次；
3)将得到的钎杆加热至750-950℃，保温2-48小时，进行均匀化处理，得到均匀化处理后的钎杆；其中均匀化处理次数为1-3次；
4)将均匀化处理后的钎杆加热至850-950℃，保温1-5小时，之后以5-30℃/s的冷却速度冷却至10-360℃，然后加热至200-500℃保温30-360分钟，之后空冷至室温，得到含有纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织的贝氏体钎杆(附图2)；
5)将含有纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织的钎杆在200-400℃保温1-24小时，得到Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆。
上述Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆的力学性能为：抗拉强度1300-1400MPa，屈服强度大于1000MPa，延伸率大于16％，冲击值AKV78-190J，布氏硬度HB大于380。
图2实施例4Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆的显微组织(透射电镜TEM组织)，其中贝氏体板条(包括残余奥氏体薄膜)的宽度为纳米级。
对比例1
与实施例1和2相同，唯一区别在于C：0.2-0.25wt％，Si：0.8-1.0wt％，获得的冲击值AKV 38-50J，冲击韧性严重恶化。
对比例2
与实施例3和4相同，唯一区别在于Mn：2.45-2.6wt％，Mo：0-0.08wt％，获得的冲击值AKV 22-36J，韧性严重恶化。
对比例3
与实施例1和2相同，唯一区别在于不含步骤(3)，获得的冲击值AKV45-68J，韧性严重恶化。
对比例4
与实施例3和4相同，唯一区别在于步骤(4)采用“上述重型钎杆加热至850-950℃保温1-5小时，之后水淬至室温，然后加热至200-500℃保温120-360分钟，之后空冷至室温”，获得的冲击值AKV 42-56J，韧性严重恶化。
对比例5
与实施例3和4相同，唯一区别在于步骤(4)采用“上述重型钎杆加热至850-950℃保温1-5小时，之后自然冷却至450-500℃，然后加热至600℃保温120-360分钟，之后空冷至室温”，获得的冲击值AKV 12-26J，韧性严重恶化，显微组织为粗大的粒状组织(附图3)。
图3对比例5贝氏体钎杆的显微组织(光学显微镜)，其中是粗大的粒状组织。
对比例6
与实施例1和2相同，唯一区别在于不含步骤(5)，获得的抗拉强度为1100-1200MPa，冲击值AKV 15-28J，强度和韧性严重恶化。
由实施例和对比例可知，采用本申请的钢得到的重型钎杆的机械性能均有所提高。此外，在合金成本、硬度均匀性、强度稳定性、冲击韧性等方面较国内外钎杆更具优势，使用时磨损小、寿命长，符合当前国际重型钎具发展的要求，是凿岩钎具生产用钢的理想材料。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (8)
1.一种由Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢制备Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按照Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢的组成准备原料，制备Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢；
2)将得到的Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢加热至1000-1150℃保温，之后经过穿孔→热轧→定径→冷却至室温，得到初始钎杆；
3)将得到的初始钎杆加热至650-950℃，保温2-48小时，进行均匀化处理，得到均匀化处理后的钎杆；
4)将均匀化处理后的钎杆加热至850-950℃，保温1-5小时，之后进行控冷处理，得到含有纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织的钎杆；
5)将含有纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织的钎杆在200-400℃保温1-24小时，得到Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆；
该低碳贝氏体钢的组成包括：0.12-0.20wt％的C、1.0-1.8wt％的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe，显微组织为纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低碳贝氏体钢中，[H]含量小于1.5ppm，[O]含量小于15ppm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低碳贝氏体钢，其组成包括：0.12-0.16wt％的C、1.0-1.2wt％的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe，显微组织为纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低碳贝氏体钢，其组成包括：0.16-0.20wt％的C、1.2-1.8wt％的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe，显微组织为纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)制备Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢：是将原料经电炉或转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空脱气→连铸→热轧→冷却至室温，得到Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)制备的Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢的直径为20-80mm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，穿孔温度为950-1150℃；热轧温度为800-1000℃，每道次变形量为5-10％，总轧制道次为1-5次；定径温度为800-1000℃，每道次变形量为5-10％，总轧制道次为1-5次。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，控冷处理是：将钎杆以0.5-30℃/s的冷却速率冷却至10-400℃，然后再升温至100-500℃，保温30-360分钟，之后再冷却至室温。
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Application publication date: 20150923 Assignee: JSI ROCK TOOLS CO.,LTD. Assignor: Beijing Jiaotong University Contract record no.: X2023980041614 Denomination of invention: A Mn-Si-Cr low-carbon bainitic steel, drill rod and its preparation method Granted publication date: 20170503 License type: Exclusive License Record date: 20230912 |