CN105220066B - 一种纳米珠光体钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米珠光体钢，其包含的组分及重量百分比为：C:0.41‑0.80%，Si:0.3‑1.2%，Mn:1.8‑3.1%，Al:2.9‑6.8%，P：≤0.01%，S：≤0.01%，其余为Fe。本发明还公开了其制备方法：首先将钢迅速加热到奥氏体化温度等温，使钢件充分奥氏体化；再将钢件快速冷却至550～650℃之间等温，然后进行慢速变形，形变量为10‑60%，变形完后再继续进行等温5‑20min；最后通过空冷或喷水冷却到室温，在室温获得纳米级的珠光体显微组织。本发明碳含量有较大幅度降低，提高可焊性和冲击韧性而且也会缩短处理周期；钢中添加的合金元素价格低廉，降低了成本。

Description

一种纳米珠光体钢及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种纳米尺度珠光体钢及其制备方法。

背景技术

珠光体是奥氏体（奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体）发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。得名自其珍珠般（pearl-like）的光泽。近年来，英国学者Bhadeshia 等通过成分和工艺设计获得了超细纳米珠光体显微组织。在连续冷却转变过程中以0.1℃/s的速度进行，得到具有30-50 nm厚的珠光体片层间距。钴和铝添加到钢中以增加相变自由能，在其可以实现的特征的范围内，可以达到完全珠光体的状态。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为201410285670.2，该发明公开了一种纳米珠光体钢轨的制备方法，它是一种钢内部组织为 100％珠光体，且珠光体平均片厚度间距为 60nm 左右的钢轨，该设计钢具有较高的碳含量：0.83～0.93%，且热处理后需要再加热到 250～300℃，保温 60～90min 进行去应力回火处理。工艺繁琐且热处理周期时间较长。

虽然 Bhadeshia 等研发的纳米珠光体钢性能较好，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长时间使得纳米珠光体钢很难广泛应用于工业生产。

发明内容

本发明提供了一种纳米珠光体钢及其制备方法，通过优化纳米珠光体钢成分设计，在冷却过程中采用等温—降温变形—等温的热处理方法，使钢最终获得了纳米级的珠光体显微组织。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种纳米珠光体钢，由下列质量百分比的化学元素组成：

C: 0.41-0.80%，

Si: 0.3-1.2%，

Mn: 1.8-3.1%，

Al: 2.9-6.8%，

P：≤ 0.01%，

S：≤ 0.01%，

其余为 Fe 和不可避免的杂质。

优选地，所述纳米珠光体钢，由下列质量百分比的化学元素组成：

C：0.69%，

Si：1.12%，

Mn：2.80%，

Al：3.5%，

P：0.0075%，

S：0.0021%，

其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明提供了一种纳米珠光体钢的制备方法，采用等温、慢速降温形变、等温淬火制备工艺，包括以下步骤：

第一步，首先将钢迅速加热到奥氏体化温度800-1050℃，等温5-60min 后取出，使钢件充分奥氏体化；

第二步，奥氏体化后的钢件快速冷却至 550～650℃之间等温1～10min；

第三步，然后以0.02～0.5s^-1的速率进行慢速变形5-20min，形变量为10-60%，变形完后再继续进行等温5-20min；

第四步，等温完成后，空冷或喷水冷却到室温，在室温获得纳米级的珠光体显微组织。其显微组织由平均厚度为 10~29 nm 的纳米级的珠光体组成。

上述制备方法中，所述第二步中，钢件的快速冷却速度为：>50℃/s。

上述制备方法中，所述第三步中，慢速变形时温度降低的速度为5-10℃/min。

上述制备方法中，所述珠光体显微组织由平均厚度为 10~29 nm 的纳米级的珠光体组成。

本发明中各元素的作用为：

C：是本发明中保证获得纳米珠光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。但碳对提高钢的冲击韧性非常不利，还会损害焊接性能。因此，本发明涉及的钢采用碳含量范围为C: 0.41-0.80%。

Si ：钢中脱氧元素之一，同时具有较强的固溶强化作用，但过量的 Si 将影响钢的韧性及焊接性能。基于上述考虑，本发明钢采用硅含量范围为 0.30-1.20％。

Mn：作为扩大奥氏体相区元素，加入 Mn 能使钢的 Ar1（冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度）、Ar3（铁碳合金冷却时自A（奥氏体）中开始析出F（铁素体）的临界温度线）、Bs 和 Ms 温度下降，有利于纳米珠光体组织形成。

Al：可以使钢的内部组织能够达到纳米尺度，含铝珠光体具有较低的氢脆敏感性。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比具有如下优点 ：碳含量有较大幅度降低（降低重量百分比为 0.1~0.5），这不但有利于提高可焊性和冲击韧性，获得良好的综合力学性能，而且也会缩短处理周期。钢中没有添加价格昂贵的合金元素（比如Co、Zr等元素），故能较大幅度地降低材料成本。

附图说明

图1是本发明实施例1所获得的纳米珠光体钢的显微组织照片。

图2是本发明实施例2所获得的纳米珠光体钢的显微组织照片。

图3是本发明实施例3所获得的纳米珠光体钢的显微组织照片。

图4是本发明实施例4所获得的纳米珠光体钢的显微组织照片。

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：0.69%，Si：1.12%，Mn：2.80%，Al：3.5%， P：0.0075%，S：0.0021%，其余为Fe和不可避免的杂质。

将钢迅速加热到奥氏体化温度900℃，等温10min 后取出，使钢件充分奥氏体化；然后将奥氏体化后的钢件以55℃/s的冷速快速冷却至 550℃，等温6min，然后以0.05s^-1的速率进行慢速变形10min，变形时温度降低的速度为5℃/min，形变量为60%，变形完后再继续进行等温15min；第二次等温完成后喷水冷却到室温，在室温获得纳米级的珠光体显微组织。其微观组织由平均厚度为 11nm 的纳米级的珠光体组成。

实施例2：

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.58%，Si：0.92%，Mn：2.85%，Al：4.4%， P：0.0065%，S：0.0032%，其余为Fe和不可避免的杂质。

将钢迅速加热到奥氏体化温度940℃，等温15min 后取出，使钢件充分奥氏体化；然后将奥氏体化后的钢件以60℃/s的冷速快速冷却至 600℃，等温8min，然后以0.10s^-1的速率进行慢速变形15min，变形时温度降低的速度为6℃/min，形变量为50%，变形完后再继续进行等温12min；第二次等温完成后空冷到室温，在室温获得纳米级的珠光体显微组织。其微观组织由平均厚度为 18nm 的纳米级的珠光体组成。

实施例3：

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.77%，Si：0.69%，Mn：2.33%，Al：5.8%， P：0.0071%，S：0.0039%，其余为Fe和不可避免的杂质。

将钢迅速加热到奥氏体化温度980℃，等温20min 后取出，使钢件充分奥氏体化；然后将奥氏体化后的钢件以60℃/s的冷速快速冷却至 620℃，等温9min，然后以0.18s^-1的速率进行慢速变形10min，变形时温度降低的速度为8℃/min，形变量为40%，变形完后再继续进行等温12min；第二次等温完成后空冷到室温，在室温获得纳米级的珠光体显微组织。其微观组织由平均厚度为 25nm 的纳米级的珠光体组成。

实施例4：

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.41%，Si：0.88%，Mn：1.98%，Al：6.8%， P：0.0082%，S：0.0065%，其余为Fe和不可避免的杂质。

将钢迅速加热到奥氏体化温度1000℃，等温20min 后取出，使钢件充分奥氏体化；然后将奥氏体化后的钢件以60℃/s的冷速快速冷却至 650℃，等温10min，然后以0.20s^-1的速率进行慢速变形10min，变形时温度降低的速度为10℃/min，形变量为30%，变形完后再继续进行等温20min；第二次等温完成后喷水冷却到室温，在室温获得纳米级的珠光体显微组织。其微观组织由平均厚度为 29nm 的纳米级的珠光体组成。

本发明提供的实施例，与中国专利201410285670.2中公开的纳米珠光体钢相比，碳含量有较大幅度降低（降低重量百分比为 0.1~0.5），这不但有利于提高可焊性和冲击韧性，获得良好的综合力学性能，而且也会缩短处理周期。

Claims (6)

1.一种纳米珠光体钢，其特征在于：由下列质量百分比的化学元素组成：

C: 0.41-0.80%，

Si: 0.3-1.2%，

Mn: 1.8-3.1%，

Al: 2.9-6.8%，

P：≤ 0.01%，

S：≤ 0.01%，

其余为 Fe 和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的纳米珠光体钢，其特征在于：由下列质量百分比的化学元素组成：

C：0.69%，

Si：1.12%，

Mn：2.80%，

Al：3.5%，

P：0.0075%，

S：0.0021%，

其余为Fe和不可避免的杂质。

3.一种权利要求1或2所述的纳米珠光体钢的制备方法，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800-1050℃，等温5-60min 后取出，使钢件充分奥氏体化；

第二步，奥氏体化后的钢件快速冷却至 550～650℃之间等温1～10min；

第三步，然后以0.02～0.5s^-1的速率进行慢速变形5-20min，形变量为10-60%，变形完后再继续进行等温5-20min；

第四步，等温完成后，空冷或喷水冷却到室温，在室温获得纳米级的珠光体显微组织。

4.根据权利要求3所述的纳米珠光体钢的制备方法，其特征在于：所述第二步中，快速冷却速度为：>50℃/s。

5.根据权利要求3所述的纳米珠光体钢的制备方法，其特征在于：所述第三步中，慢速变形时温度降低的速度为5-10℃/min。

6.根据权利要求3所述的纳米珠光体钢的制备方法，其特征在于：所述珠光体显微组织由平均厚度为 10~29 nm 的纳米级的珠光体组成。