CN104962806A

CN104962806A - 一种低碳纳米贝氏体钢及其制备方法

Info

Publication number: CN104962806A
Application number: CN201510348987.0A
Authority: CN
Inventors: 刘和平; 王志云; 孙虎儿; 李大赵; 刘斌; 白培康; 李志勇; 孙凤儿; 刘争光
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2035-06-24
Also published as: CN104962806B

Abstract

本发明公开了一种低碳纳米贝氏体钢及其制备方法，属于金属材料领域。本发明通过优化纳米贝氏体钢成分设计，降低其C含量，加入Si、Al等较为廉价的合金元素，同时在慢速降温过程中通过变形的方法来加速其相变过程。其包含的组分及重量百分比含量为：C: 0.2-0.49%，Si: 1.0-2.1%，Mn: 1.5-3.5%，Mo: 0.5-1.2%，Al：2.0-4.0%，P：≤ 0.01%，S：≤ 0.01%，其余为 Fe。此方法不仅直接减少了添加合金元素的成本，而且由于其较低的合金元素含量，进行均匀化处理的时间也大大缩短，从而大幅节约了生产成本。

Description

一种低碳纳米贝氏体钢及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种低碳纳米尺度的贝氏体钢及其制备方法。

背景技术

自从 20 世纪 30 年代 Bain 发现并研究贝氏体组织以来，国内外许多学者致力于贝氏体相变理论的研究和贝氏体钢的开发。近年来，英国的 Bhadeshia 等研发出了新型的超强纳米贝氏体钢。该钢含有较高的碳和硅。纳米贝氏体钢中含有合金元素相对较多，因此需要在 1200°C 均匀化处理 2-4天，以使得合金元素能够尽可能均匀分布。均匀化处理后，经奥氏体化一定时间后冷至 100~ 250°C 进行长时间等温（数天或者数十天），能够形成 20~40 nm 厚的条状贝氏体铁素体组织，条间是薄膜状的残余奥氏体组织。

为了获得无碳化物贝氏体，加入了较多的 Si 元素以抑制（或阻碍）脆性渗碳体（Fe3C）的析出。Mn 和 Cr 等元素的加入可降低 Ms温度（马氏体转变开始温度），从而提高奥氏体的稳定性，最终使得纳米贝氏体钢获得较多的室温残余奥氏体含量。同时，加入少量的Mo 元素可用来消除钢中 P 元素带来的回火脆性。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利201310423172.5公开了一种2100MPa纳米贝氏体钢的制备方法，该设计钢具有较高的碳含量C% ：0.5～1.0，且热处理过程中盐浴炉200～300℃等温时间会达到10-100小时。中国专利201310424351.0公开了一种低温温轧制备 2000MPa 级纳米尺度贝氏体钢工艺，该设计钢具有较高的碳含量：C% ：0.69～ 1.05，且热处理过程中退火炉炉温为 200℃～ 300℃，保温时间3～6小时。检索中还发现，中国专利201410135887.5公开了一种 2400MPa 级低成本纳米贝氏体钢的制备方法，该设计钢具有较高的碳含量：C% ：0.50 ～1.00，且热处理过程中盐浴淬火炉的炉温为 200～300℃，保温时间 3～6小时。

虽然 Bhadeshia 等研发的纳米贝氏体钢强度很高，韧性也较好，但是其含碳量高，一旦成型后，机械加工困难，且焊接性能很差。而且上述技术热处理的繁琐与时间长使得纳米贝氏体钢很难用大力推广于工业生产中。

发明内容

本发明提供了一种低碳纳米尺度的贝氏体钢及其制备方法，该方法通过优化纳米贝氏体钢成分设计，降低其C含量，加入 Si、Al 等较为廉价的合金元素，同时在慢速降温过程中通过变形的方法来加速其相变过程。此方法不仅直接减少了添加合金元素的成本，而且由于其较低的合金元素含量，进行均匀化处理的时间也大大缩短，从而大幅节约了生产成本。

本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明提供了一种低碳纳米贝氏体钢，该贝氏体钢化学质量百分比如下：

C: 0.2-0.49%

Si: 1.0-2.1%

Mn: 1.5-3.5%

Mo: 0.5-1.2%

Al：2.0-4.0%

P：≤ 0.01%，

S：≤ 0.01%，

其余为 Fe 和不可避免的杂质。

本发明提供了一种低碳纳米贝氏体钢的制备方法，包括以下步骤：

第一步，首先将钢迅速加热到奥氏体化温度（800-1000℃）等温3-50min 后进行热轧，使奥氏体晶粒细化；

热轧过程是：轧制3-6道次。

第二步，以 50-100℃/s的速度淬火到温度Ms+10～Ms-10℃之间（这里Ms为马氏体转变开始温度）；

马氏体转变开始温度Ms由具体的合金成分来确定。

第三步，然后在一定淬火温度（Ms+10～Ms-10℃之间）进行低温约束变形，冷却速度为0.5～1.0℃/min，形变速率为0.1～1.0s^-1 ；

低温约束变形的时间为0.5-2.5h；

第四步，最后再淬火到室温，在室温获得稳定的纳米贝氏体显微组织。

低温约束变形是通过控制冷却速度，缓慢控制变形状态。

本发明首先要保证钢的高强度，其基体组织需选择贝氏体组织，高温热变形使奥氏体晶粒细化，当淬火到较低温度即Ms+10～Ms-10℃之间后，通过低温约束变形进一步细化了贝氏体组织，且使贝氏体组织具有稳定的碳含量。最后获得了低碳含量的纳米贝氏体钢。所制备钢的韧性得到了较大的提高且保持了较高的强度。这样进一步扩大了贝氏体钢的应用范围，由于碳含量较低更有利于焊接。

本发明提供了一种满足大规模生产的低碳纳米贝氏体钢的制备方法。与传统纳米贝氏体钢相比，具有以下优点：

（1）设计新的合金成分：降低C含量，加入 Si、Al 等较为廉价的合金元素；不仅直接减少了添加合金元素的成本，而且由于其较低的合金元素含量，进行均匀化处理的时间也大大缩短，从而大幅节约了生产成本；

（2）设计新的热处理工艺，在降温约束变形过程中进行碳扩散，不仅稳定了贝氏体组织而且细化了其显微组织；

（3）该技术可在较大尺寸产品生产中保证工艺稳定性与组织均匀性；

（4）本发明获得这种纳米级显微组织的工艺简单，增加钢的强度的同时又保证其具有良好的韧性和焊接性，而且低合金化成本低廉，具有广泛的工业应用前景。

附图说明

图1是实施例1中纳米贝氏体和薄膜状残余奥氏体形貌图。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.49%，Si：1.58%，Mn：2.80%，Mo：0.91%，Al：3.1%，S：0.0016%，P：0.0062%，其余为Fe。

制备方法为：将钢以15℃/s的速度加热到奥氏体化温度900℃保温5min后进行奥氏体变形，然后淬火到280℃，然后进行低温约束变形，冷却速度为0.5℃/min，形变速率为0.2s^-1 ，最后再淬火到室温。

根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第 1部分：室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在Zwick T1-FR020TN A50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1845MPa，屈服强度Rp_0.2为1433MPa，总延伸率为13.8%。

实施例2

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.43%，Si：1.38%，Mn：2.61%，Mo：0.82%，Al：3.5%，S：0.0015%，P：0.0064%，其余为Fe。

制备方法为：将钢以15℃/s的速度加热到奥氏体化温度900℃保温5min后进行奥氏体变形，然后淬火到300℃，然后进行低温约束变形，冷却速度为0.7℃/min，形变速率为0.5s^-1 ，最后再淬火到室温。

根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第 1部分：室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在Zwick T1-FR020TN A50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1723MPa，屈服强度Rp_0.2为1379MPa，总延伸率为14.2%。

实施例3

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.40%，Si：1.85%，Mn：3.10%，Mo：0.65%，Al：2.9%，S：0.0013%，P：0.0056%，其余为Fe。

制备方法为：将钢以15℃/s的速度加热到奥氏体化温度900℃保温5min后进行奥氏体变形，然后淬火到320℃，然后进行低温约束变形，冷却速度为1.0℃/min，形变速率为0.5s^-1 ，最后再淬火到室温。

根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第 1部分：室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在Zwick T1-FR020TN A50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1785MPa，屈服强度Rp_0.2为1336MPa，总延伸率为14.0%。

实施例4

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.35%，Si：1.76%，Mn：3.50%，Mo：1.02%，Al：3.9%，S：0.0012%，P：0.0047%，其余为Fe。

制备方法为：将钢以15℃/s的速度加热到奥氏体化温度900℃保温5min后进行奥氏体变形，然后淬火到340℃，然后进行低温约束变形，冷却速度为1.0℃/min，形变速率为1.0s^-1 ，最后再淬火到室温。

根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第 1部分：室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在Zwick T1-FR020TN A50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1663MPa，屈服强度Rp_0.2为1342MPa，总延伸率为15.4%。

实施例5

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.31%，Si：1.53%，Mn：3.0%，Mo：1.0%，Al：3.2%，S：0.0013%，P：0.0048%，其余为Fe。

制备方法为：将钢以15℃/s的速度加热到奥氏体化温度900℃保温5min后进行奥氏体变形，然后淬火到380℃，然后进行低温约束变形，冷却速度为1.0℃/min，形变速率为0.1s^-1 ，最后再淬火到室温。

根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第 1部分：室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在Zwick T1-FR020TN A50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1533MPa，屈服强度Rp_0.2为1232MPa，总延伸率为16.1%。

实施例6

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.28%，Si：1.73%，Mn：2.42%，Mo：0.5%，Al：2.9%，S：0.0012%，P：0.0051%，其余为Fe。

制备方法为：将钢以15℃/s的速度加热到奥氏体化温度900℃保温5min后进行奥氏体变形，然后淬火到400℃，然后进行低温约束变形，冷却速度为0.8.℃/min，形变速率为0.3s^-1 ，最后再淬火到室温。

根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第 1部分：室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在Zwick T1-FR020TN A50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1467MPa，屈服强度Rp_0.2为1161MPa，总延伸率为16.6%。

实施例7

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.25%，Si：1.73%，Mn：2.42%，Mo：0.8%，Al：2.6%，S：0.0018%，P：0.006%，其余为Fe。

制备方法为：将钢以15℃/s的速度加热到奥氏体化温度900℃保温5min后进行奥氏体变形，然后淬火到410℃，然后进行低温约束变形，冷却速度为0.5.℃/min，形变速率为0.1s^-1 ，最后再淬火到室温。

根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第 1部分：室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在Zwick T1-FR020TN A50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1436MPa，屈服强度Rp_0.2为951MPa，总延伸率为17.8%。

实施例8

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.20%，Si：1.0%，Mn：2.56%，Mo：0.5%，Al：2.0%，S：0.0022%，P：0.0065%，其余为Fe。

制备方法为：将钢以15℃/s的速度加热到奥氏体化温度900℃保温5min后进行奥氏体变形，然后淬火到430℃，然后进行低温约束变形，冷却速度为0.5℃/min，形变速率为0.1s^-1 ，最后再淬火到室温。

根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第 1部分：室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在Zwick T1-FR020TN A50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1423MPa，屈服强度Rp_0.2为909MPa，总延伸率为18.5%。

Claims

1. 一种低碳纳米贝氏体钢，其特征在于：由下列重量百分比的原料组成：

C: 0.2-0.49%

Si: 1.0-2.1%

Mn: 1.5-3.5%

Mo: 0.5-1.2%

Al：2.0-4.0%

P：≤ 0.01%，

S：≤ 0.01%，

其余为 Fe 和不可避免的杂质。

2.一种权利要求1所述的低碳纳米贝氏体钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，首先将钢迅速加热到奥氏体化温度800-1000℃等温3-50min 后进行热轧，使奥氏体晶粒细化；

第二步，以 50-100℃/s的速度淬火到温度Ms+10～Ms-10℃之间；

第三步，然后在淬火温度Ms+10～Ms-10℃之间进行低温约束变形，冷却速度为0.5～1.0℃/min，形变速率为0.1～1.0s^-1；

3.根据权利要求2所述的低碳纳米贝氏体钢的制备方法，其特征在于：所述第一步中的热轧过程是：轧制3-6道次。

4.根据权利要求2所述的低碳纳米贝氏体钢的制备方法，其特征在于：所述第二步中的马氏体转变开始温度Ms由具体的合金成分来确定。

5.根据权利要求2所述的低碳纳米贝氏体钢的制备方法，其特征在于：所述第三步中的低温约束变形的时间为0.5-2.5h。