CN105256229A - 一种高氮纳米贝氏体钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高氮纳米贝氏体钢及其制备方法，各组分重量百分比为：C：0.81-1.09%，Si：1.7-2.9%，Mn：1.8-3.3%，Nb：0.04-0.11%，V：0.13-0.22%，N：310ppm≤N≤500ppm，P：≤0.01%，S：≤0.01%，其余为Fe和不可避免的杂质；制备方法为：首先将钢加热到奥氏体化温度，等温后淬火到室温；然后再加热到奥氏体化温度等温；再将钢快速淬火到温度Bs～Bf之间；然后保持在该淬火温度，在氮气气氛中保温，获得纳米级的贝氏体钢；最后再淬火到室温，获得稳定的纳米贝氏体显微组织。本发明避免了在炼钢过程中脱氮所采取的技术措施，降低了成本。

Description

一种高氮纳米贝氏体钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高氮纳米贝氏体钢及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

20世纪50年代，英国人Pickering等发明了Mo-B系空冷贝氏体钢。Mo和B的结合可以使钢在相当宽的连续冷却速度范围内获得贝氏体组织。20世纪70年代初清华大学方鸿生在研究中发现，当Mn在一定含量时，使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的上下C曲线分离，Mn与B的结合，使高温转变孕育期较中温转变增长，以此为理论依据成功地用普通元素即可进行合金化，发明了Mn-B系空冷贝氏体钢。西北工业大学的康沫狂、杨延清等人研制了Si-Mn-Mo系准贝氏体钢。他们在钢中加入Si、Al等阻碍碳化物析出的合金元素，在空冷时得到贝氏体铁素体和奥氏体组成的非典型或碳化物贝氏体，称为准贝氏体。Bhadeshia等利用高碳高硅钢在较低的温度进行长时间的等温转变，可以获得组织极其细小的贝氏体组织，其贝氏体铁素体板条厚度最低能够达到30nm，富碳的残余奥氏体薄膜均匀分布于铁素体板条间，这种组织超细的贝氏体被称为纳米贝氏体。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为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，其化学成分是通过添加Cr、Mo、V、Nb等元素，最终获得超细贝氏体中亚结构为厚度20～40nm的薄片贝氏体铁素体和厚度小于10nm的富碳残余奥氏体薄膜。检索中还发现，中国专利申请号为201310423172.5，该专利公开了一种2100MPa纳米贝氏体钢的制备方法，其化学成分是通过添加Mo、Cr、Co、Al等元素，最终获得纳米尺寸贝氏体铁素体板条和薄膜状残余奥氏体组成的双相组织。检索中还发现，中国专利申请号201410135887.5，一种2400MPa级低成本纳米贝氏体钢的制备方法，其化学成分是主要通过添加Al元素，最终获得了超细贝氏体中显微结构为厚度≤100nm的薄片贝氏体铁素体板条和分布在板条间的薄膜状富碳残余奥氏体，组织中无渗碳体析出。

通常，氮元素被视为钢中的一种有害元素。如铁水、废钢、出钢过程中吸氮等，都会造成钢中氮含量增加。近年来随着高氮不锈钢的成功应用，氮作为合金元素的作用，越来越受到重视。研究表明，氮作为钢中的间隙原子，与碳相比，氮是一种更有效的固溶强化元素，在高氮钢中氮作为合金元素可以和钢中的其他合金元素交互作用，而赋予该钢种许多优异性能。经过文献检索发现，氮元素的强化作用已经在不锈钢、高速工具钢、模具钢中广泛应用。因此，设计出高氮的纳米贝氏体钢对于发展我国钢铁产业具有重要意义。

发明内容

本发明旨在提供一种高氮纳米贝氏体钢及其制备方法，由于加入了氮元素，所得高氮纳米贝氏体钢性能优异。

本发明提供了一种高氮纳米贝氏体钢，由以下重量百分比的化学元素组成：

C:0.81-1.09%，

Si:1.7-2.9%，

Mn:1.8-3.3%，

Nb:0.04-0.11%，

V：0.13-0.22%，

N：310ppm≤N≤500ppm，

S：≤0.01%，

P：≤0.01%，

其余为Fe和不可避免的杂质。

优选地，所述的高氮纳米贝氏体钢由以下重量百分比的化学元素组成：

C:0.86-1.00%，

Si:1.8-2.5%，

Mn:2.1-3.0%，

Nb:0.05-0.09%，

V：0.15-0.20%，

N：320ppm≤N≤500ppm，

S：≤0.01%，

P：≤0.01%，

其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明提供了一种所述的高氮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900-1200℃，等温5-50min后淬火到室温；

第二步，然后再将钢迅速加热到奥氏体化温度800-1100℃，等温5-50min，使奥氏体晶粒细化；

采取较低的奥氏体化温度是为了使奥氏体晶粒更加细化；

第三步，再将钢快速淬火到贝氏体转变温度；所述贝氏体转变温度在300-600℃之间；

第四步，然后在上述贝氏体转变温度300-600℃进行保温1-6h，且要在氮气气氛中进行保温，以获得纳米级的贝氏体显微组织；

第五步，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。

进一步地，所述第三步中快速淬火的速度为50~100℃/s，采用水冷却。

所述第四步中等温过程要在氮气气氛中进行，以保证纳米贝氏体组织的稳定性。

本发明的有益效果：

(1)本发明加入氮元素可以稳定奥氏体组织，而且可以提高残余奥氏体相对于贝氏体相的稳定性；氮的加入还可以改善纳米贝氏体钢的各种腐蚀，包括点蚀、应力腐蚀和晶间腐蚀的性能；

(2)由于氮的存在，在钢材表面形成了一层富氮钝化膜而抗腐蚀；

(3)氮的引入，抑制了碳化物的析出，从而避免因碳化物的析出而引起的晶间腐蚀；

(4)本设计的含氮钢具有较低的蠕变速率，由于亚晶界上细小的富Nb和V的MX相，它与M2X型析出物组合在一起，稳定精细的位错结构，从而延缓了该钢的回复性能，进而使蠕变速率降低；

(5)采用本成分范围的高氮纳米贝氏体钢，避免了在炼钢过程中脱氮所采取的各种技术措施，降低了成本。

附图说明

图1是实施例1产品的显微组织结构图。

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：0.81%，Si：1.82%，Mn：2.80%，Nb:0.05%，V：0.18%，N：330ppm，P：0.0095%，S：0.0023%，其余为Fe和不可避免的杂质。

制备方法如下：

首先将钢以20℃/s的速度加热到奥氏体化温度950℃，等温10min后淬火到室温；然后再将钢以20℃/s的速度迅速加热到奥氏体化温度850℃，等温8min；再将钢以50℃/s的速度淬火到温度400℃；然后在淬火温度400℃进行保温，且要在氮气气氛中进行保温2h；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。在显微镜下观察其结构如图1所示。

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ZwickT1-FR020TNA50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1935MPa，屈服强度Rp_0.2为1567MPa，总延伸率为13.2%。

实施例2

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.81%，Si：1.82%，Mn：2.80%，Nb:0.05%，V：0.18%，N：330ppm，P：0.0095%，S：0.0023%，其余为Fe和不可避免的杂质。

制备方法如下：

首先将钢以15℃/s的速度加热到奥氏体化温度920℃，等温9min后淬火到室温；然后再将钢以20℃/s的速度迅速加热到奥氏体化温度810℃，等温6min；再将钢以50℃/s的速度淬火到温度380℃；然后在淬火温度380℃进行等温，且要在氮气气氛中进行保温3h；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。

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ZwickT1-FR020TNA50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1956MPa，屈服强度Rp_0.2为1573MPa，总延伸率为13.0%。

实施例3

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.98%，Si：1.87%，Mn：2.9%，Nb:0.06%，V：0.17%，N：400ppm，P：0.0086%，S：0.0033%，其余为Fe和不可避免的杂质。

制备方法如下：

首先将钢以15℃/s的速度加热到奥氏体化温度1000℃，等温20min后淬火到室温；然后再将钢以15℃/s的速度迅速加热到奥氏体化温度900℃，等温10min；再将钢以50℃/s的速度淬火到温度360℃；然后在淬火温度360℃进行等温，且要在氮气气氛中进行保温3h；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。

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ZwickT1-FR020TNA50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1975MPa，屈服强度Rp_0.2为1634MPa，总延伸率为12.6%。

实施例4

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.98%，Si：1.87%，Mn：2.9%，Nb:0.06%，V：0.17%，N：400ppm，P：0.0086%，S：0.0033%，其余为Fe和不可避免的杂质。

制备方法如下：

首先将钢以15℃/s的速度加热到奥氏体化温度1200℃，等温8min后淬火到室温；然后再将钢以10℃/s的速度迅速加热到奥氏体化温度1100℃，等温5min；再将钢以60℃/s的速度淬火到温度340℃；然后在淬火温度340℃进行等温，且要在氮气气氛中进行保温4h；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。

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ZwickT1-FR020TNA50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为2021MPa，屈服强度Rp_0.2为1789MPa，总延伸率为12.2%。

本发明中由于加入了氮元素，所得高氮纳米贝氏体钢性能优异。中国专利201310423172.5中，公开了一种2100MPa纳米贝氏体钢的制备方法，涉及到的钢种的抗拉强度为1600-2100MPa，延伸率在6%-12%之间。而本发明所制备的高氮纳米贝氏体钢延伸率在12%以上，且具有其相当高的强度。

Claims (4)

1.一种高氮纳米贝氏体钢，其特征在于：由以下重量百分比的化学元素组成：

C:0.81-1.09%，

Si:1.7-2.9%，

Mn:1.8-3.3%，

Nb:0.04-0.11%，

V：0.13-0.22%，

N：310ppm≤N≤500ppm，

S：≤0.01%，

P：≤0.01%，

其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高氮纳米贝氏体钢，其特征在于：由以下重量百分比的化学元素组成：

C:0.86-1.00%，

Si:1.8-2.5%，

Mn:2.1-3.0%，

Nb:0.05-0.09%，

V：0.15-0.20%，

N：320ppm≤N≤500ppm，

S：≤0.01%，

P：≤0.01%，

其余为Fe和不可避免的杂质。

3.一种权利要求1或2所述的高氮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900-1200℃，等温5-50min后淬火到室温；

第二步，然后再将钢迅速加热到奥氏体化温度800-1100℃，等温5-50min，使奥氏体晶粒细化；

第三步，再将钢快速淬火到贝氏体转变温度300-600℃；

第四步，然后在上述贝氏体转变温度300-600℃进行保温1-6h，且要在氮气气氛中进行保温，以获得纳米级的贝氏体显微组织；

第五步，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。

4.根据权利要求3所述的高氮纳米贝氏体钢的制备方法，其特征在于：所述第三步中快速淬火的速度为50~100℃/s，采用水冷却。