CN108754098A - 一种调控纳米结构贝氏体钢中碳分配的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种调控纳米结构贝氏体钢中碳分配的热处理方法。其技术方案是：先将钢坯在1150～1250℃条件下均热24～48h，空冷至室温；再于磁场强度为10～14T、真空度为10‑3～10‑2Pa的热处理炉内加热至850～1000℃，奥氏体化20～40min；然后以1～5℃/s的冷却速度降温至300～400℃，保温1～5h，关闭磁场，出炉，空冷至室温。所述钢坯的化学成分是：C为0.30～0.90wt％，Si为1.20～2.50wt％，Mn为0.10～2.50wt％，Ni为1.00～3.50wt％，Cr为0.20～1.20wt％，Cu为0.0～1.00wt％，Mo为0.10～0.50wt％，P<0.015wt％，S<0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明工艺简单、成本低和生产周期短，能明显提高纳米结构贝氏体钢的塑韧性。

Description

一种调控纳米结构贝氏体钢中碳分配的热处理方法
技术领域
本发明属于纳米结构贝氏体钢的热处理技术领域。尤其涉及一种调控纳米结构贝氏体钢中碳分配的热处理方法。
背景技术
钢的强度随着碳含量的增加而提高，但其塑性和韧性就会降低，如何实现强度和塑韧性的良好匹配，已成为提高其使用性能和挖掘其使用潜能的重要课题。
纳米结构贝氏体钢(又称超级贝氏体钢、低温贝氏体钢等)由英国剑桥大学的F.G.Caballero、H.K.D.B.Bhadeshia等人提出(US6884306)，由高碳、高硅钢在稍高于马氏体转变点的温度等温，进行长达数小时到几天，甚至10天不等的保温，获得由纳米结构的贝氏体铁素体板条和板条间富碳的残余奥氏体薄膜组成的贝氏体钢。这种组织决定了该钢种具有超强的抗拉强度，较好的韧性。残留奥氏体作为纳米结构贝氏体钢中重要的组成相，直接决定钢的塑性和韧性。纳米结构贝氏体是通过等温(或者淬火)和控制碳扩散(或者碳分配)的原理来达到获得一定数量残留奥氏体目的。奥氏体相先通过等温(或者淬火)形成两个相，其中贝氏体铁素体可以提供奥氏体稳定化碳原子，未转变奥氏体相可以接收碳原子；然后利用碳原子在两相中固溶度的差异，控制碳原子向未转变奥氏体相中扩散(或者分配)，提高未转变奥氏体相的稳定性，最终冷却到室温，获得更多的残留奥氏体。
为了进一步探索这种纳米结构贝氏体钢的等温和碳分配过程，获得更多的富碳残余奥氏体，提高钢的塑性和韧性。科技人员作了大量的研究工作，如：“H.Hu,H.S.Zurob,G.Xu,D.Embury,G.R.Purdy,New insights to the effects of ausforming on thebainitic transformation.Mater.Sci.Eng.A 626(2015)34-40”和“一种低碳纳米贝氏体钢及其制备方法”(CN 104962806 B)技术，这种通过塑性变形控制碳扩散的热处理方法，工艺复杂，对设备及工艺条件的要求较高。另如“一种超高强度高韧性多步等温贝氏体钢及其制备方法”(CN103555896B)和“一种中碳超高强贝氏体钢及其制备方法”(CN104451408B)专利技术，这种分级等温技术虽可实现纳米贝氏体钢强度和塑韧性的同步提高，但是这种生产工艺仍较复杂，尤其是贝氏体的等温转变时间过长，而且添加了多种合金元素，提高了生产成本。
发明内容
为了克服现有技术的不足之处，本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低和生产周期短的调控纳米结构贝氏体钢中碳分配的热处理方法，该方法能提高纳米结构贝氏体钢的塑韧性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案：先将钢坯在1150～1250℃条件下均热24～48h，空冷至室温；再于磁场强度为10～14T、真空度为10-3～10-2Pa的热处理炉内加热至850～1000℃，奥氏体化20～40min；然后以1～5℃/s的冷却速度降温至300～400℃，保温1～5h，关闭磁场，出炉，空冷至室温。
所述钢坯的化学成分是：C为0.30～0.90wt％，Si为1.20～2.50wt％，Mn为0.10～2.50wt％，Ni为1.00～3.50wt％，Cr为0.20～1.20wt％，Cu为0.0～1.00wt％，Mo为0.10～0.50wt％，P<0.015wt％，S<0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
由于采用所述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明将强磁场运用于纳米结构贝氏体等温过程，强磁场能够将高强度的能量无接触地传递到钢坯的原子尺度，降低了碳原子的固溶度，致使相变激活能降低；同时由于磁致伸缩效应使铁原子的原子间距发生周期性变化，有利于内部原子的扩散，使扩散激活能降低，增大扩散系数，调控碳原子分配，因此使残余奥氏体富碳；富碳残留奥氏体为韧度相分布在贝氏体铁素体板条上或板条之间，在受到外力作用下发生塑性变形时，吸收和消耗能量，延缓裂纹的扩展，对提高板材的韧度极其有利，应力作用较大时会发生相变诱发塑性效应(TRIP效应)，提高了钢的塑韧性。
强磁场还能够使钢坯吸收磁能增加相变驱动力，增大贝氏体转变开始点Bs，改变铁磁相能量，降低其形核功，使形核率增大，因此促进贝氏体铁素体形核，加快贝氏体相变速度和缩短热处理时间，提高了生产效率。
因此，本发明工艺简单、成本低和生产周期短，能明显提高纳米结构贝氏体钢的塑韧性。
附图说明
图1是本发明所述一种热处理方法得到的纳米结构贝氏体钢的光学显微组织；
图2是图1所述方法在无磁场条件下得到的纳米结构贝氏体钢的光学显微组织；
图3是本发明所述另一种热处理方法得到的纳米结构贝氏体钢的扫描电镜显微组织；
图4是图3所述方法得到的纳米结构贝氏体钢的扫描电镜显微组织。
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
一种调控纳米结构贝氏体钢中碳分配的热处理方法，先将钢坯在1200～1250℃条件下均热36～48h，空冷至室温；再于磁场强度为11～14T、真空度为10-3～10-2Pa的热处理炉内加热至850～950℃，奥氏体化20～40min；然后以1～5℃/s的冷却速度降温至300～350℃，保温1～5h，关闭磁场，出炉，空冷至室温。
所述钢坯的化学成分是：C为0.50～0.90wt％，Si为1.20～1.90wt％，Mn为0.10～1.50wt％，Ni为1.00～2.50wt％，Cr为0.20～1.00wt％，Cu为0.1～1.00wt％，Mo为0.10～0.30wt％，P<0.015wt％，S<0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
图1是本实施例所述的一种热处理方法得到的纳米结构贝氏体钢的光学显微组织，图2是除无磁场外其余与图1所述方法相同条件下得到的纳米结构贝氏体钢的光学显微组织。
图1和图2中：灰色部分为残余奥氏体组织或者块状残余奥氏体/马氏体组织，黑色部分为贝氏体铁素体组织。由图1和图2的对比知，施加12T磁场进行热处理的样品中，条状贝氏体铁素体数量明显增加，说明施加强磁场加快了贝氏体相变速度，缩短热处理时间，提高了生产效率。
经检测，图1所述热处理方法得到的纳米结构贝氏体钢和除磁场外其余与所述热处理方法相同所得到的纳米结构贝氏体钢的各相体积分数和含碳量如表1所示：
表1 各相体积分数和含碳量
由表1可以看出施加12T强磁场，贝氏体铁素体体积分数和残余奥氏体体积分数明显增加，马氏体体积分数降低，且残余奥氏体中碳含量明显增加、贝氏体铁素体含碳量降低。说明强磁场促进贝氏体转变，促进碳原子扩散，调控碳原子向残余奥氏体中分配，获得更多富碳残余奥氏体，能显著提高纳米结构贝氏体钢的塑韧性。
实施例2
一种调控纳米结构贝氏体钢中碳分配的热处理方法，先将钢坯在1150～1200℃条件下均热24～36h，空冷至室温；再于磁场强度为10～13T、真空度为10-3～10-2Pa的热处理炉内加热至900～1000℃，奥氏体化20～40min；然后以1～5℃/s的冷却速度降温至350～400℃，保温1～5h，关闭磁场，出炉，空冷至室温。
所述钢坯的化学成分是：C为0.30～0.50wt％，Si为1.40～2.50wt％，Mn为1.00～2.50wt％，Ni为2.00～3.50wt％，Cr为0.40～1.20wt％，Mo为0.20～0.50wt％，P<0.015wt％，S<0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
图3是本实施例所述一种热处理方法得到的纳米结构贝氏体钢的扫描电镜显微组织，图4是除无磁场外其余与图3所述方法相同条件下得到的纳米结构贝氏体钢的扫描电镜显微组织。
图3和图4中：凸起的灰色部分为残余奥氏体组织或者块状残余奥氏体/马氏体组织，凹陷的黑色部分为贝氏体铁素体组织。由图3和图4的对比知，施加12T磁场进行热处理的样品中，块状残余奥氏体/马氏体组织明显减少，条状贝氏体铁素体数量明显增加，说明施加强磁场加快了贝氏体相变速度，缩短热处理时间，提高了生产效率。
经检测，图3所述热处理方法得到的纳米结构贝氏体钢和除磁场外其余与所述热处理方法相同所得到的纳米结构贝氏体钢的各相体积分数和含碳量如表2所示：
表2 各相体积分数和含碳量
由表2可以看出施加12T强磁场，贝氏体铁素体体积分数和残余奥氏体体积分数明显增加，马氏体体积分数降低，且残余奥氏体中碳含量明显增加、贝氏体铁素体含碳量降低。说明强磁场促进贝氏体转变，促进碳原子扩散，调控碳原子向残余奥氏体中分配，获得更多富碳残余奥氏体，能显著提高纳米结构贝氏体钢的塑韧性。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式将强磁场运用于纳米结构贝氏体等温过程，强磁场能够将高强度的能量无接触地传递到钢坯的原子尺度，降低了碳原子的固溶度，致使相变激活能降低；同时由于磁致伸缩效应使铁原子的原子间距发生周期性变化，有利于内部原子的扩散，使扩散激活能降低，增大扩散系数，调控碳原子分配，因此使残余奥氏体富碳；富碳残留奥氏体为韧度相分布在贝氏体铁素体板条上或板条之间，在受到外力作用下发生塑性变形时，吸收和消耗能量，延缓裂纹的扩展，对提高板材的韧度极其有利，应力作用较大时会发生相变诱发塑性效应(TRIP效应)，提高了钢的塑韧性。
强磁场还能够使钢坯吸收磁能增加相变驱动力，增大贝氏体转变开始点Bs，改变铁磁相能量，降低其形核功，使形核率增大，因此促进贝氏体铁素体形核，加快贝氏体相变速度和缩短热处理时间，提高了生产效率。
因此，本具体实施方式工艺简单、成本低和生产周期短，能明显提高纳米结构贝氏体钢的塑韧性。

Claims (1)

1.一种调控纳米结构贝氏体钢中碳分配的热处理方法，其特征在于：先将钢坯在1150～1250℃条件下均热24～48h，空冷至室温；再于磁场强度为10～14T、真空度为10-3～10-2的热处理炉内加热至850～1000℃，奥氏体化20～40min；然后以1～5℃/s的冷却速度降温至300～400℃，保温1～5h，关闭磁场，出炉，空冷至室温；
所述钢坯的化学成分是：C为0.30～0.90wt％，Si为1.20～2.50wt％，Mn为0.10～2.50wt％，Ni为1.00～3.50wt％，Cr为0.20～1.20wt％，Cu为0.0～1.00wt％，Mo为0.10～0.50wt％，P<0.015wt％，S<0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
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