CN1074468C

CN1074468C - 多元微合金化空冷贝氏体钢

Info

Publication number: CN1074468C
Application number: CN97105661A
Authority: CN
Inventors: 李凤照; 姜江; 敖青; 孙东升; 顾英妮; 张�林; 曹丽敏; 张宝荣
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 1997-01-28
Filing date: 1997-01-28
Publication date: 2001-11-07
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: CN1189542A

Abstract

本发明的Mn-Si-B多元微合金化空冷贝氏体钢，通过在钢中加入并调整少量的Cr和微量的Ti、RE、N、V和/或Nb等合金元素。经复合变质处理，钢的晶粒细小，显微组织明显细化，大量碳化物弥散均匀分布。在大截面直径，钢的表层和心部可获得较均匀一致的贝氏体/马氏体为主的组织，含碳化物和少量残留奥氏体组织。具有高硬度、高强度、高耐磨性和高淬透性。适于用来制作耐磨钢球、衬板、颚板、摆锤、缸套和辊圈等耐磨件。经热锻或热轧(钢球)或直接浇注(衬板和板锤)不需要复杂的热处理。生产工艺简单，质量稳定，使用寿命长。

Description

多元微合金化空冷贝氏体钢

本发明属于金属材料领域的低合金高强度钢，是一种新型空冷贝氏体钢。

国外已有的贝氏体钢主要是低碳和中碳的Cr-Ni-Mo-B系，其中基本元素为Cr、Ni等，在中高碳贝氏体钢的研究中，有公开的以Cr、Ni为主要基本元素，其组分为(％):C0.52,Mn0.35,Cr1.70,Ni1.50,Mo0.25,B≤0.01，余为Fe。

国内现有的贝氏体钢主要有两个成分系统，一种是以低碳和中碳的Mn-Si-Mo-B系，其中Mn、Mo含量较高，中国专利(专利申请号95106429)还公开了这一成分系统的中高碳贝氏体钢的组分(％):C0.50～0.55,Si1.00～3.00,Mn2.00～4.00,Mo0.31～0.49,B0.0005～0.005，余为铁，这一组份中Mn、Mo元素含量较高。另一种是Mn-B系，其组分为(％):C0.47～0.60,Si0.10～1.50,Mn2.10～3.50,B0.0005～0.005，余为Fe，该成分系统仅以Mn、B元素合金化，不易获得细小贝氏体或贝氏体/马氏体组织，性能有时不甚稳定。

本发明的目的是通过微合金化的复合变质处理，获得奥氏体晶粒细小、显微组织细化和碳化物弥散分布的一种高品质的中碳和中高碳贝氏体钢。

本发明根据贝氏体相变原理和运用钢的强韧化理论，合理地进行成分设计，通过调整加入微量合金元素，使钢得到固溶强化，细化晶粒和弥散强化。在大截面范围空冷可获得以贝氏体/马氏体为主的复相组织和大量弥散分布的碳化物、氮化物、碳氮化合物的空冷贝氏体钢。新型贝氏体钢的成份为(按重量％):

C:0.35～0.60,Mn2.00～3.50,Si0.20～2.00,B0.0005～0.010,Ti0.015～0.05,RE0.02～0.10,N0.006～0.015,Mo:0.10～0.15，其余为Fe。

在中碳和中高碳贝氏体钢中加入微量RE元素，可显著细化奥氏体晶粒和降低钢在加热时奥氏体晶粒长大倾向，有利于提高钢的冲击韧性和耐磨性，减少钢中气体和有害杂质含量。同时，稀土元素有保护硼的作用，提高硼的回收率，有利于增加贝氏体钢的淬透性。

本发明加入N元素对改善贝氏体钢组织有明显效果。N元素加入到贝氏体钢中可细化晶粒起到细晶强化作用，提高贝氏体钢的冲击韧性和耐磨性；N元素还可促进贝氏体钢形成大量细小氮化物、碳氮复合化合物，使第二相颗粒弥散分布并有弥散强化作用；N元素溶入铁素体和碳化物中强化贝氏体钢基体组织，增加贝氏体钢的固溶强化作用。

Mn元素是提高贝氏体钢淬透性的主要元素，此外，它还可降低贝氏体相变温度，使钢的组织亚结构单元细化。

B元素是贝氏体钢能够获得贝氏体组织，提高贝氏体淬透性的主要元素。

溶入铁素体的Si元素起到强化作用。Si含量为1.5％时，贝氏体钢经奥氏体化后连续冷却可得到少量无碳贝氏体，同时，钢中产生少量条状奥氏体，它使贝氏体铁素体分割细化，获得高的强韧性配合。Si元素也有提高钢的淬透性作用。

本发明在上述的组份中还可加入Cr元素以及一种或一种以上的V、Nb等元素。其加入量为(按重量％):Cr:0.30～2.50,V0.03～0.15,Nb～0.03～0.15。

利用Cr元素部分代替Mn元素可细化组织，改善贝氏体钢的韧性和耐磨性，并可降低韧脆转化温度。在中碳条件下，Cr元素推迟珠光体转变作用比Mn大；推迟贝氏体转变作用比Mn小。Cr降低Bs/Ms值比Mn大，有利于减少焊接裂纹倾向。Cr、Mn元素配合，可获得更高的淬硬性，淬透深度，提高钢的力学性能。

加入微量的V、Nb和Ti元素，可进一步细化贝氏体钢的显微组织，提高钢的耐磨性，其作用是：

(1)形成简单立方点阵碳化物。如TiC、VC和NbC以及TiN、VN和NbN型化合物；

(2)形成M(C,N)型以及V₄(C,N)₃型碳氮复合化合物。

大量弥散分布的碳氮化合物使钢的奥氏体晶粒和冷却后的相变贝氏体、马氏体组织明显细化。多元微合金化贝氏体钢组织在光学显微镜下几乎无法辩认贝氏体针形特性。

碳氮化合物弥散分布在贝氏体、铁素体内部、亚条边界和亚块边界，细化了贝氏体组织，提高了贝氏体钢的硬度和耐磨性。

Mo元素可显著地推迟珠光体转变，而对贝氏体转变推迟作用很弱。仅对中高碳大截面工作条件苛刻的贝氏体钢或产品加入微量Mo元素，其量控制在0.10～0.15％，使组织中保持一定量的贝氏体，同时，细化显微组织，提高韧性。

所发明的多元微合金化贝氏体钢的组织细化，主要是通过钢中加入Ti、RE、N等元素综合作用的结果，再加入微量的V和/或Nb元素，使多元微合金化的贝氏体钢组织成为超细组织。

多元微合金化是通过加入复合变质剂的方法实现。将B-Fe、Ti-Fe、RE-Fe和N-Fe四种铁合金，以及还需要加入的V-Fe和/或Nb-Fe等铁合金分别粉碎后按比例均匀混合在一起，制成复合变质剂，在冶炼浇注前将配制的复合变质剂加入钢包中，其加入量为钢水总量的0.30～0.70％。

本发明的新型贝氏体钢有以下显著特点，具有大截面获得以贝氏体为主或贝氏体/马氏体为主的复相组织的淬透能力；金相组织净化；奥氏体晶粒细化，组织细小均匀，碳化物弥散分布；通过调整微合金元素种类和含量，可使钢中碳化物种类和数量增多，分布更加弥散，组织更加超细化，具有高硬度、高韧性和高耐磨性。本发明的贝氏体钢空冷自硬，无需淬火处理，生产工艺简单，质量稳定，使用寿命长。

实施例：

(1)中高碳贝氏体钢耐磨钢球，其化学组份为(按重量％):C0.40～0.60,Mn2.00～3.50,Si0.20～2.00,B0.0005～0.010,Ti0.015～0.05,RE0.02～0.10,N0.006～0.015,V0.00～0.015,Mo:0.10～0.15，其余为Fe。

(2)碳贝氏体钢耐磨衬板，其化学组份为(按重量％):C0.35～0.55,Mn2.00～3.50,Cr0.30～2.50,Si0.20～2.00,B0.0005～0.010,Ti0.015～0.05,RE0.02～0.10,N0.006～0.015,Mo:0.10～0.15，其余为Fe。

冶炼后的微合金化贝氏体钢钢液浇注成钢锭，热锻后以毛坯供应，经热轧成磨球后空冷，为降低磨球的内应力，其钢球需进行回火处理，用200℃～250℃低温保温即可。锻后空冷的耐磨钢球，其耐磨钢球的表面硬度HRC56～62，心部硬度HRC54℃～57℃。

铸态使用的衬板，钢水浇注在砂型后，待浇注零件在砂型内冷却到奥氏体状态的1050～900℃温度范围内，开箱使零件单独空冷，铸件经空冷后低温200℃～250℃回火2～3h即可使用。为细化组织提高韧性，可再经正火回火处理，正火温度为860～880℃，回火温度为200℃～250℃。其衬板硬度HRC≥50。

Claims

1．一种Mn-Si-B系空冷贝氏体钢，其特征在于该钢中加入Ti、RE和N等微合金元素，其各组分元素的重量百分比为：

C:0.35～0.60 Mn:2.00～3.50 Si:0.20～2.00

B:0.0005～0.010 Mo:0.10～0.15 Ti:0.015～0.05

RE:0.02～0.10 N:0.006～0.015 其余为Fe。

2．根据权利要求1所述的Mn-Si-B系空冷贝氏体钢，其特征在于钢的组分中还可加入V0.03～0.15和/或Nb0.03～0.15。

3．根据权利要求1所述的Mn-Si-B系空冷贝氏体钢，其特征在于钢的组分中还可加入Cr元素，Cr含量为0.30～2.50。

4．根据权利要求3所述的Mn-Si-B系空冷贝氏体钢，其特征在于钢的组分中还可加入V0.03～0.15和/或Nb0.03～0.15。

5．根据权利要求1、2或3所述的Mn-Si-B系空冷贝氏体钢，其特征在于将各自的微合金元素的铁合金可先制成复合变质剂，在冶炼浇注前加入钢包中，其加入量为钢水总重的0.30～0.70％。