CN106636908B - 一种纳米贝氏体弹簧钢及其制备方法 - Google Patents

一种纳米贝氏体弹簧钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米贝氏体弹簧钢及其制备方法。所述弹簧钢其化学成分按重量百分比为：C 0.62～0.67、Si 1.6～2.0、Mn 0.8～1.1、Cr 0.8～1.1、Ni0.5～0.8、Al0.8～1.2、W0.7～1.0、P≤0.02、S≤0.02，其余为Fe和不可避免的杂质。其金相组织为纳米贝氏体，抗拉强度不小于1700MPa，屈服强度不小于1200MPa，延伸率不小于10％，U形缺口冲击功不小于49J。所述制备方法包括炼钢、退火、热轧、热处理等步骤。本发明可获得由纳米级板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的纳米贝氏体组织，不含碳化物，无淬火应力和淬火裂纹，强度和塑韧性高，有较好的抗过载断裂性能。

Description

一种纳米贝氏体弹簧钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种弹簧钢及其制备方法。
背景技术
传统弹簧钢的热处理采用淬火+中温回火，获得回火屈氏体组织。淬火获得马氏体，组织应力大，易产生淬火裂纹，回火后塑性和韧性较低，疲劳寿命不高。为此，有人提出采用等温淬火方法来获得下贝氏体+少量马氏体组织，减小淬火应力，提高韧性，但下贝氏体中含有碳化物硬脆相，对疲劳性能有不利影响。申请号为201210214862.5的发明专利，公开了一种高强塑性弹簧的热处理方法，即奥氏体化后在淬火油中冷却到室温～100℃并进行10～200s的短时保温，再放入温度为马氏体开始温度±30℃的炉子中等温转变，然后油冷至室温，得到由马氏体、贝氏体和残余奥氏体组成的复相组织，可获得高强度和较好的塑韧性，但该方法要求在室温～100℃的油中短时保温，这难于保证大截面弹簧零部件的心部和表层组织均匀。最近的研究表明，高C高Si合金钢在稍高于马氏体开始温度的低温(200–300℃左右)长时间(几天至十几天)等温转变，可以获得纳米级板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组织，被称为纳米贝氏体钢，具有高硬度、高强度、较好的塑韧性，力学性能接近昂贵的马氏体时效钢(Current Opinion in Solid State and Materials Science,2004年第8卷,251–257页)，因此，这种新型贝氏体钢受到了广泛关注。用其制造的装甲板，弹道冲击性能可达到最好的装甲钢的水平，且成本相对低廉。另外，这种钢还表现出良好的耐磨和抗疲劳性能。但这种纳米贝氏体组织还未见应用于弹簧钢及其制品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单易控、且适于制造具有均匀组织大截面弹簧零部件的纳米贝氏体弹簧钢及其制备方法。用本发明制备的弹簧钢，可获得由纳米级板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的纳米贝氏体组织，不含碳化物，无淬火应力和淬火裂纹，并且强度和塑韧性高，有较好的抗过载断裂性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种纳米贝氏体弹簧钢，其化学成分按重量百分比为：C 0.62～0.67、Si 1.6～2.0、Mn 0.8～1.1、Cr 0.8～1.1、Ni 0.5～0.8、Al 0.8～1.2、W 0.7～1.0、P≤0.02、S≤0.02，其余为Fe和不可避免的杂质；其金相组织为纳米贝氏体，抗拉强度不小于1700MPa，屈服强度不小于1200MPa，延伸率不小于10％，U形缺口冲击功不小于49J。
一种纳米贝氏体弹簧钢的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1炼钢：按照所述纳米贝氏体弹簧钢化学成分的重量百分比：C 0.62～0.67、Si 1.6～2.0、Mn 0.8～1.1、Cr 0.8～1.1、Ni 0.5～0.8、Al0.8～1.2、W 0.7～1.0、P≤0.02、S≤0.02、其余为Fe和不可避免的杂质的设计要求，计算投料比例、熔炼、并浇注成钢锭；
步骤2退火、热轧：将所述钢锭退火、热轧，热轧后空冷至室温，得热轧板坯；
步骤3热处理：将所述热轧板坯加热至860～890℃、保温40～60min，然后迅速放入240～300℃的盐浴炉中等温1.5～5h，再出炉空冷至室温。
所述纳米贝氏体弹簧钢的合金化及物理冶金学原理是：Mn、Cr、Ni、W提高淬透性、降低马氏体开始温度和固溶强化，Cr和W还可提高回火稳定性和降低脱碳倾向，W抑制回火脆性，Ni提高韧性，Al可提高贝氏体转变动力学、缩短处理周期、提高生产效率，Si和Al可抑制等温转变过程中碳化物析出，Si、Cr、Al还可以提高抗氧化能力，使弹簧使用温度提高。所述纳米贝氏体弹簧钢加热到860～900℃奥氏体化后，迅速在240～300℃等温转变，由于Si和Al对碳化物析出的抑制作用，等温转变得到由板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的组织。此外，合金元素对奥氏体的强化及转变温度较低，使得以切变方式转变的贝氏体铁素体板条厚度得以细化，最后形成纳米贝氏体组织。
采用本发明的有益效果在于：(1)所述纳米贝氏体弹簧钢具有抗拉强度不小于1700MPa、屈服强度不小于1200MPa、延伸率不小于10％、冲击功不小于49J的良好综合力学性能，可用于制造承受较大冲击载荷和易于过载条件使用的弹簧；(2)本发明的制备工艺流程简单易行、工艺参数容易控制，有利于实现工业化生产，只需要精确控制热处理的温度即可控制产品质量，制备效率高。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的纳米贝氏体弹簧钢的X射线衍射图谱；
图2是本发明实施例1制备的纳米贝氏体弹簧钢微观组织的透射电镜照片；
图3是本发明实施例1制备的纳米贝氏体弹簧钢试样的拉伸应力-应变曲线；
图4是本发明实施例2制备的纳米贝氏体弹簧钢微观组织的透射电镜照片；
图5是本发明实施例3制备的纳米贝氏体弹簧钢微观组织的透射电镜照片；
图6是本发明实施例4制备的纳米贝氏体弹簧钢微观组织的透射电镜照片。
具体实施方式
实施例1
步骤1：按照质量百分比为C 0.63、Si 1.7、Mn 0.8、Cr 1.03、Ni 0.76、Al 0.89、W0.7、P 0.008、S≤0.004，其余为Fe和不可避免的杂质的配比，计算投料比例、在真空中频感应电炉中熔炼、并浇注成直径为170mm的圆柱形钢锭。
步骤2退火、热轧：将钢锭加热至1220℃保温4h进行均匀化处理，出炉空冷至1190℃开轧，终轧温度为885℃，经过6道次轧制，轧后空冷至室温，得20mm厚的热轧板坯。
步骤3热处理：将所述热轧板坯加热至890℃、保温40min，然后迅速放入300℃的盐浴炉中等温1.5h，再出炉空冷至室温。
对本实施例所制得板材进行X射线衍射和透射电镜分析，其X射线衍射图见图1，微观组织的透射电镜照片见图2。从图1中可以看出，本实施例制备的纳米贝氏体弹簧钢的组织是由体心立方结构的贝氏体铁素体(α)和面心立方结构的残余奥氏体(γ)组成，并可测得残余奥氏体的体积含量VRA；从图2中可以看出，本实施例制备的纳米贝氏体弹簧钢的微观组织由板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成，并可测得板条平均厚度t。测得的微观组织参数结果见表1。将本实施例的板材按照GB/T228.1-2010标准进行拉伸试验，测得应力—应变曲线见图3，由此测得试样的抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2和延伸率A；按照GB/T229-2007标准进行U形缺口试样夏比摆锤冲击试验，测得冲击功AKU。具体拉伸和冲击性能数据测试结果见表1。
结果表明：本实施例制备纳米贝氏体钢，其组织中贝氏体铁素体板条厚度小于100nm，得到了纳米贝氏体组织，且具有高强度和高塑韧性，拉伸曲线表现出明显的加工硬化，可用于制造承受较大冲击载荷和易于过载条件使用的弹簧。
表1实施例1～4的微观组织参数及拉伸和冲击性能数据
实施例 t(nm) VRA(vol.％) Rp0.2(MPa) Rm(MPa) A(％) AKU(J)
1 86 27 1210 1720 13.4 62
2 74 26 1240 1815 12.3 54
3 55 25 1300 1965 11.6 52
4 41 23 1360 2137 10.0 49
实施例2
步骤1：按照质量百分比为C 0.67、Si 1.96、Mn 1.05、Cr 0.82、Ni0.51、Al 1.17、W0.92、P 0.006、S 0.003，其余为Fe和不可避免的杂质的配比，计算投料比例、在真空中频感应电炉中熔炼、并浇注成直径为170mm的圆柱形钢锭。
步骤2退火、热轧：将钢锭加热至1220℃保温4h进行均匀化处理，出炉空冷至1190℃开轧，终轧温度为885℃，经过6道次轧制，轧后空冷至室温，得20mm厚的热轧板坯。
步骤3热处理：将所述热轧板坯加热至860℃、保温60min，然后迅速放入280℃的盐浴炉中等温2h，再出炉空冷至室温。
对本实施例所制得板材进行X射线衍射分析测定VRA，用透射电镜进行微观组织分析(见图4)测定t。将本实施例的板材按照GB/T228.1-2010标准进行拉伸试验，测定抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2和延伸率A；按照GB/T229-2007标准进行U形缺口试样夏比摆锤冲击试验，测定冲击功AKU。所得组织参数及拉伸和冲击性能数据测试结果见表1。
结果表明：本实施例制备纳米贝氏体钢，其组织中贝氏体铁素体板条厚度小于100nm，得到了纳米贝氏体组织，且具有高强度和高塑韧性，拉伸曲线表现出明显的加工硬化，可用于制造承受较大冲击载荷和易于过载条件使用的弹簧。
实施例3
与实施例1不同的是：在步骤3中将所述热轧板坯加热至890℃、保温30min，然后迅速放入260℃的盐浴炉中等温4h，再出炉空冷至室温。
对本实施例所制得板材进行X射线衍射和透射电镜分析及拉伸和冲击试验，结果见表1。
结果表明：本实施例制备纳米贝氏体钢，其组织中贝氏体铁素体板条厚度小于100nm，得到了纳米贝氏体组织，且具有高强度和高塑韧性，拉伸曲线表现出明显的加工硬化，可用于制造承受较大冲击载荷和易于过载条件使用的弹簧。
实施例4
与实施例2不同的是：在步骤3中将所述热轧板坯加热至860℃、保温60min，然后迅速放入240℃的盐浴炉中等温5h，再出炉空冷至室温。
对本实施例所制得板材进行X射线衍射和透射电镜分析及拉伸和冲击试验，结果见表1。结果表明：本实施例制备纳米贝氏体钢，其组织中贝氏体铁素体板条厚度小于100nm，得到了纳米贝氏体组织，且具有高强度和高塑韧性，拉伸曲线表现出明显的加工硬化，可用于制造承受较大冲击载荷和易于过载条件使用的弹簧。

Claims (2)

1.一种纳米贝氏体弹簧钢，其特征在于：所述纳米贝氏体弹簧钢的化学成分按重量百分比为：C 0.62～0.67、Si 1.6～2.0、Mn 0.8～1.1、Cr 0.8～1.1、Ni 0.5～0.8、Al 0.8～1.2、W 0.7～1.0、P≤0.02、S≤0.02，其余为Fe和不可避免的杂质；其金相组织为纳米贝氏体，抗拉强度不小于1700MPa，屈服强度不小于1200MPa，延伸率不小于10％，U形缺口冲击功不小于49J；
所述纳米贝氏体弹簧钢的制备方法包括以下步骤：
步骤1：
按照所述纳米贝氏体弹簧钢化学成分的重量百分比的设计要求，计算投料比例、熔炼、并浇注成钢锭；
步骤2：
将所述钢锭退火、热轧，热轧后空冷至室温，得热轧板坯；
步骤3热处理：
将所述热轧板坯加热至860～890℃、保温40～60min，然后迅速放入240～300℃的盐浴炉中等温1.5～5h，再出炉空冷至室温。
2.权利要求1所述的纳米贝氏体弹簧钢的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
步骤1炼钢：
按照所述纳米贝氏体弹簧钢化学成分的重量百分比：C 0.62～0.67、Si 1.6～2.0、Mn0.8～1.1、Cr 0.8～1.1、Ni 0.5～0.8、Al 0.8～1.2、W 0.7～1.0、P≤0.02、S≤0.02、其余为Fe和不可避免的杂质的设计要求，计算投料比例、熔炼、并浇注成钢锭；
步骤2退火、热轧：
将所述钢锭退火、热轧，热轧后空冷至室温，得热轧板坯；
步骤3热处理：
将所述热轧板坯加热至860～890℃、保温40～60min，然后迅速放入240～300℃的盐浴炉中等温1.5～5h，再出炉空冷至室温。
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