CN108676987A - 一种含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的制备方法。其技术方案是：将铸坯在1150～1250℃条件下均热24～48h，空冷至室温，在850～1050℃条件下奥氏体化20～40min。然后以1～5℃/s的速率冷却至300～350℃，再于磁场强度为8～12T的条件下等温处理1～5h，最后关闭磁场，空冷至室温。所述铸坯的化学成分是：C为0.50～0.80wt％，Si为1.50～2.00wt％，Mn为2.00～2.50wt％，Ni为0.50～1.00wt％，Mo为0.3～0.5wt％，Cr为0.3～0.7wt％，Co为0.4～0.6wt％，Cu为0.07～0.10wt％，S<0.010wt％，P<0.01wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明具有成本低、工艺简单和生产周期短的特点；所制备的含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的强度高、塑韧性优良和应用范围广。

Description

一种含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的制备方法
技术领域
本发明属于超级贝氏体钢技术领域。尤其涉及一种含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的制备方法。
背景技术
英国剑桥大学的Bhadeshia,Caballero等人发明的超级贝氏体钢(又称低温贝氏体钢，纳米贝氏体钢)，其成分特点是高C和高Si。经奥氏体化后，在低温贝氏体相变区长时间等温，最终形成由纳米结构贝氏体铁素体和富碳残余奥氏体组成的细小组织。这种组织决定了该钢种具有超高强度，同时还兼备了适当的塑性和韧性，被广泛应用于装甲用钢、防弹钢板和轴承用钢等诸多领域。
超级贝氏体钢中Si元素的存在主要是为了抑制脆性碳化物的析出，使得残余奥氏体具有更好的机械稳定性。硅元素抑制碳化物析出，与Si元素在钢中的含量有很大的关系：研究发现当钢中Si元素含量高于1.6wt.％时，对碳化物析出的抑制作用较为明显。“一种含有微量碳化物的贝氏体钢轨及其生产方法”(CN03966520A)专利技术，通过轧制、冷却、回火等手段在贝氏体钢中虽得到了少量的碳化物(体积分数在1％～5％)，但制备时间较长、工艺参数控制严格、步骤较为复杂且得到的碳化物体积分数相对较低，不利于提高工业生产效益。因此，寻求一种高效、经济、环保的生产方式来实现对超级贝氏体钢的生产是广大科研工作者和生产者不懈努力的方向。
目前，已公开的超级贝氏体钢的制造方法有主要有一步贝氏体法和多步贝氏体法，如：“一种2100Mpa纳米贝氏体钢及其制备方法”(CN103451549A)和“一种超高强度高韧性多步等温贝氏体钢及其制备方法”(CN103555896B)分别利用一步贝氏体法和多步贝氏体法得到了性能优良的超级贝氏体钢，但是都未从根本上解决制造时间过长这一问题，并且对超级贝氏体钢中析出行为的研究未见报道。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种制造成本低、工艺简单和生产周期短的含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的制备方法，用该方法制备的含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢强度高、塑韧性优良和应用范围广。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：将铸坯在1150～1250℃条件下均热24～48h，空冷至室温，在850～1050℃条件下奥氏体化20～40min。然后以1～5℃/s的速率冷却至300～350℃，再于磁场强度为8～12T的条件下等温处理1～5h，最后关闭磁场，空冷至室温。
所述铸坯的化学成分是：C为0.50～0.80wt％，Si为1.50～2.00wt％，Mn为2.00～2.50wt％，Ni为0.50～1.00wt％，Mo为0.3～0.5wt％，Cr为0.3～0.7wt％，Co为0.4～0.6wt％，Cu为0.07～0.10wt％，S<0.010wt％，P<0.01wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、现有的超级贝氏体钢的制备需要几天甚至更长的时间才能完成，利用本发明的制备方法能将制备时间缩短到原来的1/4左右，甚至几小时内就能完成，故本发明能大幅度降低制备时间，缩短生产周期。
2、本发明采用的制备方法是在等温相变过程中添加了强磁场，没有添加复杂的和特殊的制造方法，工艺简单，生产成本低。
3、本发明通过铸坯吸收磁能增加相变驱动力，改变铁磁相能量，降低其形核功，使形核率增大，因此促进了纳米渗碳体的析出；纳米渗碳体的析出起到了沉淀强化的作用，使所制备的含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢具有更高的强度。
4、本发明细化了贝氏体铁素体板条和残余奥氏体，二者的相间分布也更加均匀。细化后的贝氏体铁素体具有很高的位错密度，提高了钢的强度；同时加速了碳原子由贝氏体铁素体向残余奥氏体的扩散，使残余奥氏体富碳，富碳的残余奥氏体具有良好的稳定性，在外力作用下会发生相变诱发塑性效应(TRIP效应)，吸收和消耗能量，能够延缓裂纹的扩展，进一步提高了钢的塑韧性。能广泛应用于装甲用钢、防弹钢板和轴承用钢等领域。
因此，本发明具有成本低、工艺简单和生产周期短的特点；所制备的含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的强度高、塑韧性优良和应用范围广。
附图说明
图1是本发明制备的一种含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的扫描电镜显微组织图；
图2是图1所述方法在无磁场条件下得到的高硅超级贝氏体钢的扫描电镜显微组织图；
图3是本发明制备的另一种含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢中的透射电镜显微组织图；
图4是图3所述方法在无磁场条件下得到的高硅超级贝氏体钢的透射电镜显微组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本发明保护范围的限制。
实施例1
一种含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的制备方法，将铸坯在1150～1200℃条件下均热24～36h，空冷至室温，在850～950℃条件下奥氏体化30～40min。然后以1～5℃/s的速率冷却至300～325℃，再于磁场强度为8～11T的条件下等温处理1～5h，最后关闭磁场，空冷至室温。
所述铸坯的化学成分是：C为0.50～0.70wt％，Si为1.50～1.80wt％，Mn为2.00～2.30wt％，Ni为0.50～0.80wt％，Mo为0.30～0.45wt％，Cr为0.3～0.6wt％，Co为0.40～0.55wt％，Cu为0.07～0.09wt％，S<0.010wt％，P<0.01wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。
图1是本实施例制备的一种含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的扫描电镜显微组织图，图2是图1所述方法在无磁场条件下得到的高硅超级贝氏体钢的扫描电镜显微组织图。
图1和图2中，黑色块状部分为残余奥氏体组织或者块状残余奥氏体/马氏体组织，其余为贝氏体组织。由图1和图2的对比可知：加入10T强磁场后，贝氏体铁素体板条数量明显增多，分布更加均匀细小，块状的残余奥氏体明显减少。
经统计，加入10T强磁场后，贝氏体铁素体的体积分数为61％，板条厚度为110±35nm；纳米渗碳体尺寸在8～12nm之间，体积分数为21％。在无磁场条件下，贝氏体铁素体的体积分数为29％，板条厚度为123±67nm；没有纳米渗碳体析出。这说明本实施例加速了贝氏体铁素体的生成，在相同的时间内增加了体积分数，组织分布更加均匀细小，促进了纳米渗碳体析出，能显著提高含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的强度和塑韧性。
实施例2
一种含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的制备方法。将铸坯在1200～1250℃条件下均热36～48h，空冷至室温，在950～1050℃条件下奥氏体化20～30min。然后以1～5℃/s的速率冷却至325～350℃，再于磁场强度为9～12T的条件下等温处理1～5h，最后关闭磁场，空冷至室温。
所述铸坯的化学成分是：C为0.60～0.80wt％，Si为1.70～2.00wt％，Mn为2.20～2.50wt％，Ni为0.70～1.00wt％，Mo为0.35～0.5wt％，Cr为0.4～0.7wt％，Co为0.45～0.60wt％，Cu为0.08～0.10wt％，S<0.010wt％，P<0.01wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。
图3是本实施例制备的一种含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的透射电镜显微组织图，图4是图3所述方法在无磁场条件下得到的高硅超级贝氏体钢的透射电镜显微组织图。
图3和图4中，灰色为贝氏体铁素体，黑色部分为薄膜状残余奥氏体，图3中黑色颗粒为纳米渗碳体。由图3和图4的对比可知，加入12T强磁场后，贝氏体铁素体板条数量明显增多，分布更加均匀细小，块状的残余奥氏体明显减少。
经统计，加入12T强磁场后，贝氏体铁素体的体积分数为65％，板条厚度为138±30nm；纳米渗碳体尺寸在10～15nm之间，体积分数为26％。在无磁场条件下，贝氏体铁素体的体积分数为31％，板条厚度为149±70nm；没有纳米渗碳体析出。这说明本实施例加速了贝氏体铁素体的生成，在相同的时间内增加了体积分数，组织分布更加均匀细小，促进了纳米渗碳体析出，能显著提高含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的强度和塑韧性。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下有益效果：
1、现有的超级贝氏体钢的制备需要几天甚至更长的时间才能完成，利用本具体实施方式的制备方法能将制备时间缩短到原来的1/4左右，甚至几小时内就能完成，故本具体实施方式能大幅度降低制备时间，缩短生产周期。
2、本具体实施方式采用的制备方法是在等温相变过程中添加了强磁场，没有添加复杂的和特殊的制造方法，工艺简单，生产成本低。
3、本具体实施方式通过铸坯吸收磁能增加相变驱动力，改变铁磁相能量，降低其形核功，使形核率增大，因此促进了纳米渗碳体的析出；纳米渗碳体的析出起到了沉淀强化的作用，使所制备的超级贝氏体钢具有更高的强度。
4、本具体实施方式细化了贝氏体铁素体板条和残余奥氏体，二者的相间分布也更加均匀。细化后的贝氏体铁素体具有很高的位错密度，提高了钢的强度；同时加速了碳原子由贝氏体铁素体向残余奥氏体的扩散，使残余奥氏体富碳，富碳的残余奥氏体具有良好的稳定性，在外力作用下会发生相变诱发塑性效应(TRIP效应)，吸收和消耗能量，能够延缓裂纹的扩展，进一步提高了钢的塑韧性。能广泛应用于装甲用钢、防弹钢板和轴承用钢等领域。
因此，本具体实施方式具有成本低、工艺简单和生产周期短的特点；所制备的含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的强度高、塑韧性优良和应用范围广。

Claims (1)

1.一种含有纳米渗碳体高硅超级贝氏体钢的制备方法，其特征在于：将铸坯在1150～1250℃条件下均热24～48h，冷至室温，在850～1050℃条件下奥氏体化20～40min；然后以1～5℃/s的速率冷却至300～350℃，再于磁场强度为8～12T的条件下等温处理1～5h，最后关闭磁场，空冷至室温；
所述铸坯的化学成分是：C为0.50～0.80wt％，Si为1.50～2.00wt％，Mn为2.00～2.50wt％，Ni为0.50～1.00wt％，Mo为0.3～0.5wt％，Cr为0.3～0.7wt％，Co为0.4～0.6wt％，Cu为0.07～0.10wt％，S<0.010wt％，P<0.01wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。
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刘宗昌等: ""贝氏体碳化物的形成机理—贝氏体相变新机制"", 《热处理技术与装备》 *

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