CN105506448B - 一种低碳高硬度纳米贝氏体钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种低碳高硬度纳米贝氏体钢，它的成分质量百分比为：C 0.15～0.19，Si 0.7～1.41，Mn 1.6～2.0，Cr 1.6～1.9，Ni 0.2～0.4，Mo 0.3～0.4，W 0.2～0.3，Al 0～1.3，P<0.01，S<0.01，其余为Fe；上述低碳高硬度纳米贝氏体钢的制备方法：首先对上述成分的低碳合金钢进行熔炼、铸成钢锭并锻造；对锻造好的钢加热奥氏体化，然后快冷至Ms点以上10～20℃，并在此温度对轧制变形50％，应变速率‑0.1s‑1，然后立即将变形后的钢快冷至Ms以下20～30℃进行等温淬火，等温淬火时间10～20min，最后空冷至室温。本发明制备工艺简单、成本低、生产效率高，贝氏体钢的碳元素质量百分比在0.2％以下。

Description

一种低碳高硬度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，特别涉及一种贝氏体钢及其制备方法。
背景技术
贝氏体钢是一种具有高强度和良好塑韧性的综合力学性能优良的钢种，自20世纪30年代Bain等人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钢的研究和开发。
超级贝氏体钢(Superbainite)，又被称为纳米贝氏体，是近年来研究人员利用贝氏体相变理论，通过合理的成分设计而开发的一种具超高强度新型钢种。其组织是由纳米级的贝氏体铁素体板条和板条间薄膜状残余奥氏体交替组成的，这样的微观组织使其具有超高的强度和良好的塑韧性。目前研究人员开发出来的超级贝氏体钢大部分为高碳钢；高碳贝氏体等温转变速度极为缓慢，生产效率低，并且高碳钢可焊接和冲击韧性较差，这些缺点导致高碳纳米贝氏体至今难以在工业上大规模应用。低碳贝氏体等温转变较快，并且可焊接性与冲击韧性能良好，更适合在工业领域推广应用，但是低碳贝氏体钢由于板条粗大，其硬度、强度不够高。中国发明专利CN 102321852 B公开了一种纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢及其制备方法，在中碳钢中添加Mn、Cr、Si、Al、W等元素进行合金化，并采用对过冷奥氏体轧制强化然后等温淬火的方法，获得了无碳化物纳米贝氏体，但是此钢的碳质量百分比依旧高达0.5％。中国专利CN 104962806 A公开了一种低碳纳米贝氏体钢及其制备方法,通过优化贝氏体钢成分设计，降低其C含量，采用慢速降温过程中变形的方法来加速贝氏体相变和细化贝氏体板条组织。其制备出了碳含量质量分数0.2～0.49％的中碳和低碳纳米贝氏体，但制备过程涉及到同时对冷速与轧制过程的控制，较为复杂，不易实现工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备方法简单、易于工业化生产、且具有优良的可焊接性与冲击韧性的低碳高硬度纳米贝氏体钢及其制备方法。
本发明的低碳高硬度纳米贝氏体钢，其化学成分的质量百分比为：C0.15～0.19，Si 0.7～1.41，Mn 1.6～2.0，Cr 1.6～1.9，Ni 0.2～0.4，Mo 0.3～0.4，W 0.2～0.3，Al 0～1.3，P<0.01，S<0.01，其余为Fe。
上述低碳高硬度纳米贝氏体钢的制备方法如下：
(1)铸锭与锻造：用真空感应炉对上述成分的低碳钢进行熔炼，熔炼温度1630～1670℃、时间1.0h，然后将钢水浇铸成钢锭并缓冷至室温；将铸锭加热至1200～1250℃保温9～11h出炉，在～1150℃开始锻造，终锻温度为920～1000℃，锻造后空冷至室温。
(2)轧制与等温淬火：首先用膨胀法测得马氏体转变温度(Ms)，再将步骤(1)的低碳钢加热至930～960℃奥氏体化5～20min，接着以高于15℃/s冷却速度(保证冷却过程没有相变发生)降温至Ms点以上10～20℃，并在此温度轧制变形50％，变形速率为-0.1s-1，之后直接冷却到Ms以下20～30℃进行等温淬火处理10～20min，最后空冷却至室温。
本发明得到钢的基体组织为贝氏体，此外还含少量回火马氏体。选择的等温淬火温度为Ms点以下20～30℃，在降温到Ms点以下时首先生成部分马氏体，在之后等温转变过程中先生成马氏体中的碳原子向外扩散变成回火马氏体，并且马氏体与奥氏体相界面为贝氏体转变提供许多形核点，能够加速贝氏体转变和细化贝氏体板条。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明的低碳高硬度纳米贝氏体钢微观组织明显细化，贝氏体板条达到纳米级别，拥有更高的硬度，维氏硬度可达～500HV以上。
2、碳含量大大降低，碳元素质量百分比在0.2％以下，保证其具有良好可焊接性，具有更广泛的工业应用前景。
3、贝氏体转变过程很快，能提升生产效率，降低生产成本。
4、工艺更加简单，易于实施于工业领域。
附图说明
图1是本发明实施例1获得的低碳高硬度纳米贝氏体钢的微观组织透射电镜图。
图2是本发明实施例3获得的低碳高硬度纳米贝氏体钢的微观组织透射电镜图。
具体实施方式
实施例1
用真空感应炉对低碳钢进行熔炼，该低碳钢的化学成分质量百分比为：C0.19％，Si 0.76％，Mn 1.6％，Cr 1.81％，Ni 0.20％，Mo 0.40％，W 0.20％，Al 1.21％，S0.0074％，P 0.0084％，其余为Fe，熔炼温度1630℃、熔炼时间1.0h，将钢水浇铸成钢锭，缓冷至室温；将铸锭加热至1200℃保温11h出炉，在1150℃开始锻造，终锻温度为920℃，之后空冷至室温。然后测得Ms点温度为364℃，将低碳钢加热到930℃，保温20min，再以20℃/s的速率淬火到384℃，在此温度进行轧制变形，变形量为50％，变形速率-0.1s-1，然后降温到344℃保温20min，最后空冷至室温。制备出具有纳米板条的低碳高硬度纳米贝氏体钢，其贝氏体铁素体板条平均厚度81nm，钢的显微维氏硬度537HV。
实施例2
用真空感应炉对低碳钢进行熔炼，该低碳钢的化学成分质量百分比为： C0.17％，Si 0.70％，Mn 1.81％，Cr 1.60％，Ni 0.40％，Mo 0.33％，W 0.24％，Al 1.30％,S0.0055％，P 0.0081％，其余为Fe，熔炼温度1650℃、熔炼时间1.0h，将钢水浇铸成钢锭，缓冷至室温；将铸锭加热至1220℃保温10h出炉，在1150℃开始锻造，终锻温度为970℃，之后空冷至室温。然后测得Ms点温度为376℃，将钢加热到奥氏体化温度950℃保温10min，然后再以20℃/s的速率淬火到390℃，在此温度进行轧制变形，变形量为50％，变形速率-0.1s-1，然后降温到350℃保温15min，最后再空冷至室温。制备出具有纳米板条的低碳高硬度纳米贝氏体钢，其贝氏体铁素体板条平均厚度91nm，钢的显微维氏硬度522HV。
实施例3
用真空感应炉对低碳钢进行熔炼，该低碳钢的化学成分质量百分比为：C 0.15％，Si 1.40％，Mn 2.0％，Cr 1.90％，Ni 0.36％，Mo 0.30％，W 0.30％,S 0.007％，P0.0092％，其余为Fe，熔炼温度1670℃、熔炼时间1.0h，将钢水浇铸成钢锭，缓冷至室温；将铸锭加热至1250℃保温9h出炉，在1150℃开始锻造，终锻温度为1000℃，之后空冷至室温；然后测得Ms点温度为385℃，将钢加热到960℃，保温5min，然后再以20℃/s的速率淬火到395℃，在此温度进行轧制变形，变形量为50％，变形速率-0.1s-1，然后降温到355℃保温10min，最后再空冷至室温。制备出具有纳米板条的低碳高硬度纳米贝氏体钢，其贝氏体铁素体板条平均厚度98nm，钢的显微维氏硬度503HV。

Claims (1)

1.一种低碳高硬度纳米贝氏体钢的制备方法，所述低碳高硬度纳米贝氏体钢的化学成分质量百分比为：C 0.15～0.19、Si 0.7～1.41、Mn 1.6～2.0、Cr 1.6～1.9、Ni 0.2～0.4、Mo 0.3～0.4、W 0.2～0.3、Al 0～1.3、P<0.01、S<0.01，其余为Fe元素，其特征在于：它包括以下步骤：
(1)铸锭与锻造：用真空感应炉对上述成分的低碳钢进行熔炼，温度1630～1670℃、熔炼时间1.0h，然后将钢水浇铸成钢锭并缓冷至室温；将铸锭加热至1200～1250℃保温9～11h出炉，在1150℃开始锻造，终锻温度为920～1000℃，锻后空冷至室温；
(2)轧制与等温淬火：首先用膨胀法测得马氏体转变温度(Ms)，再将步骤(1)的低碳钢加热至930～960℃奥氏体化5～20min，接着以高于15℃/s冷却速度降温至Ms点以上10～20℃，并在此温度轧制变形50％，变形速率为-0.1s-1，之后直接冷却到Ms以下20～30℃进行等温淬火处理10～20min，最后空冷至室温。
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