CN110527908A - 一种中碳微纳结构贝氏体钢及其热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中碳微纳结构贝氏体钢及其热处理方法。其技术方案是：C为0.20～0.50wt％，Si为0.10～0.50wt％，Mn为4.00～8.00wt％，Al为1.00～3.00wt％，Cr为0.10～0.50wt％，Ni为0.10～0.50wt％，Mo为0.10～0.50wt％，Nb+V+Ti为0.010～0.050wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。所述中碳微纳结构贝氏体钢的热处理方法是：将所述中碳微纳结构贝氏体钢在Ac3+(20～120)℃条件下进行奥氏体化，等温0.25～0.75h；再于Bf+(10～60)℃条件下进行贝氏体转变，等温1.0～6.0h，然后水淬至室温。采用所述热处理方法后的中碳微纳结构贝氏体钢：抗拉强度为1500～2000MPa；断后伸长率≥8％；‑40℃低温韧性≥30J。本发明具有成本低廉、工艺简单和性能优良的特点。

Description

一种中碳微纳结构贝氏体钢及其热处理方法
技术领域
本发明属于贝氏体钢技术领域。具体涉及一种中碳微纳结构贝氏体钢及其热处理方法。
背景技术
高碳微纳结构贝氏体钢(又称纳米贝氏体钢、低温贝氏体钢、超级贝氏体钢等)，利用高C，显著降低贝氏体转变温度(200～30℃)，同时高Si抑制渗碳体的析出，贝氏体完全转变需要很长时间(几天甚至几十天)，得到的残留奥氏体体积分数一般≥20vol％。残留奥氏体有两种形貌，一种是分布在贝氏体铁素体板条之间的薄膜状残留奥氏体，能有效提高韧性；另一种为分布在贝氏体束之间的块状残留奥氏体(约占残留奥氏体50～75vol％)，其对韧性贡献较小甚至有害。同时，长时间的等温过程，对碳从贝氏体铁素体到奥氏体的扩散进行控制是非常困难的，造成残留奥氏体中碳含量的不均匀分布，也不利于韧性的提高。
研究表明，可以通过降低碳含量来提高微纳结构贝氏体钢韧性，由于碳含量减少，贝氏体开始转变温度(Bs)和马氏体开始转变温度(Ms)温度点增高，在热处理过程中，贝氏体等温转变得到亚微米级贝氏体铁素体、薄膜状和块状未转变奥氏体；块状未转变奥氏体在随后的淬火过程转变为块状马氏体组织，这种碳过饱和的马氏体不利于韧性的提高。同时，贝氏体钢可以通过两步或多步低温贝氏体转变工艺，未转变块状奥氏体可以进一步转变为贝氏体铁素体，块状残留奥氏体基本可以消除，以减少块状未转变奥氏体来避免淬火马氏体形成，进一步提高韧性。
中碳微纳结构贝氏体钢，基本都是采用中C、高Si、高Cr、适当Mn和添加其他元素的合金设计，例如“一种超高强度高韧性多步等温贝氏体钢及其制备方法”(CN103555896 A)、“一种高韧性中高碳超细贝氏体钢的制备方法”(CN106521350 A)和“超高强度高韧性无碳化物贝氏体耐磨钢板及其制备方法”(CN106544591 A)等。高Si能抑制贝氏体转变过程中渗碳体的析出，但促使钢中的柱状晶成长，降低塑性，若加热或冷却较快，由于热导率低，钢的内部和外部温差较大，因而易裂；同时Si能降低钢的焊接性能，因为与氧的亲合力硅比铁强，在焊接时容易生成低熔点的硅酸盐，增加熔渣和熔化金属的流动性，引起喷溅现象，影响焊缝质量。高Cr可以提高奥氏体的稳定性，降低临界冷却速度，以提高钢的淬透性，但显著提高钢的脆性转变温度，冲击韧性急剧下降。有些钢种同时添加高Ni来提高低温冲击韧性，例如“一种超高强度高韧性多步等温贝氏体钢及其制备方法”(CN103555896 A)，高Ni含量使合金成本比较高。
发明内容
本发明旨在克服上述技术缺陷，目的是提供一种成本低廉、工艺简单和性能优良的中碳微纳结构贝氏体钢及其热处理方法。
为实现所述目的，本发明采用的技术方案是：
所述中碳微纳结构贝氏体钢的化学组分是：C为0.20～0.50wt％，Si为0.10～0.50wt％，Mn为4.00～8.00wt％，Al为1.00～3.00wt％，Cr为0.10～0.50wt％，Ni为0.10～0.50wt％，Mo为0.10～0.50wt％，Nb+V+Ti为0.010～0.050wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
所述中碳微纳结构贝氏体钢的热处理方法是：将所述中碳微纳结构贝氏体钢在Ac3+(20～120)℃条件下进行奥氏体化，等温0.25～0.75h；再于Bf+(10～60)℃条件下进行贝氏体转变，等温1.0～6.0h，然后水淬至室温。
采用所述热处理方法后的中碳微纳结构贝氏体钢：抗拉强度为1500～2000MPa；断后伸长率≥8％；-40℃低温韧性≥30J。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明采用中C、低Si、高Al、低Ni、高Mn、低Cr、低Mo、微量Nb、微量V和微量Ti的合金成分设计。其中：
碳：C在钢中起到固溶强化的作用，为了达到超高强度和硬度级别，钢中需要含有较高含量的C；然而，随着含碳量的增加，钢材的焊接性能变差，冷脆性和时效敏感性增大。考虑到钢板的强韧性匹配性，本发明所述钢板中的C含量为0.20～0.50wt％。
硅：Si抑制贝氏体钢中渗碳体的析出，还能够溶于铁素体，从而起到固溶强化的作用，进而提高钢板的强度和硬度；但Si含量过高，将显著降低钢的塑性和韧性。本发明所述钢板中的Si含量为0.10～0.50wt％。
铝：Al和Si都抑制碳化物的析出，同时Al是很强的铁素体稳定元素，在贝氏体等温处理过程中，促使碳元素向奥氏体中扩散，使奥氏体在随后的冷却过程中得以保留，提高奥氏体的稳定性；同时还可以加速贝氏体相变，显著缩短贝氏体转变时间。本发明所述钢板中的Ni含量为1.00～3.00wt％。
镍：Ni在钢中只溶于基体相铁素体和奥氏体，且不形成碳化物；Ni的奥氏体稳定化作用非常强，一方面既强烈提高钢的强度；另方面又始终使钢的韧性保持极高的水平，其变脆温度则极低；但由于Ni元素价格较贵，所以在加入时应适量加入。本发明所述钢板中的Ni含量为0.10～0.50wt％。
锰：Mn可以降低临界冷却速度，大大提高淬透性，对钢板具有固溶强化作用；同时，Mn和Ni对奥氏体稳定化作用非常强，增加残留奥氏体稳定性，提高残留奥氏体的TRIP效应。本发明所述钢板中的Mn含量为4.00～8.00wt％。
铬：Cr可以提高奥氏体的稳定性，降低临界冷却速度，以提高钢的淬透性；同时Cr是缩小奥氏体相区的元素，也可溶于铁素体，但显著提高钢的脆性转变温度，冲击韧性急剧下降。本发明所述钢板中的Cr含量为0.10～0.50wt％。
钼：Mo在钢中存在于固溶体相中，添加Mo元素使钢板具有固溶强化的作用，从而起到提高钢的硬度和强度的作用。同时Mo在钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性，Mo也是稀缺贵重元素，在合金成分设计时也应考虑成本。本发明所述的钢板中的Mo含量为0.10～0.50wt％。
铌、钒、钛：Nb、V、Ti会与钢中的C、N形成碳化铌/钒/钛、氮化铌/钒/钛或碳氮化铌/钒/钛，在钢坯加热轧制阶段，可以起到细化奥氏体晶粒的作用，从而提高钢板的强度和韧性。然而，过多的Nb、V、Ti会形成较多粗大的碳氮夹杂，对钢板的强度和韧性均会产生不利影响。本发明所述钢板中的Nb+V+Ti为0.010～0.050wt％。
本发明还提供了一种所述中碳微纳结构贝氏体钢的热处理工艺，即采用低温贝氏体转变和短时间快速转变的热处理方法：
将所述中碳微纳结构贝氏体钢在Ac3+(20～120)℃条件下进行奥氏体化，等温0.25～0.75h；完全奥氏体化，形成细小的奥氏体晶粒(Ac3为亚共析钢加热时，铁素体完全转变为奥氏体的温度)。
再于Bf+(10～60)℃条件下进行贝氏体转变，等温1.0～6.0h；奥氏体转变为贝氏体铁素体，形成微纳结构贝氏体铁素体板条、薄膜状奥氏体、块状奥氏体组织(Bf为贝氏体结束转变温度)。
然后水淬至室温；最终形成微纳结构的贝氏体铁素体板条、薄膜状残留奥氏体、块状奥氏体+马氏体组织。
贝氏体铁素体为作为强度相，贝氏体铁素体为微纳米级，且处于过饱和状态，对贝氏体组织起着强烈的细晶强化和固溶强化作用；残留奥氏体为韧性相，分布在贝氏体铁素体板条上或板条之间，在受到外力作用下会发生塑性变形，吸收和消耗能量，延缓裂纹的扩展，对提高板材的韧性极其有利，应力作用较大时会发生相变诱发塑性效应，进一步提高了钢的强韧性。
经本发明所述热处理方法热处理后的所述中碳微纳结构贝氏体钢：抗拉强度为1500～2000MPa；断后伸长率≥8％；-40℃低温韧性≥30J；具有优异的力学性能。
因此，本发明具有成本低廉、工艺简单和性能优良的特点。
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
一种中碳微纳结构贝氏体钢。所述中碳微纳结构贝氏体钢的化学组分是：C为0.20～0.50wt％，Si为0.10～0.50wt％，Mn为4.00～8.00wt％，Al为1.00～3.00wt％，Cr为0.10～0.50wt％，Ni为0.10～0.50wt％，Mo为0.10～0.50wt％，Nb+V+Ti为0.010～0.050wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
一种所述中碳微纳结构贝氏体钢的热处理方法。所述热处理方法是：将所述中碳微纳结构贝氏体钢在Ac3+(60～120)℃条件下进行奥氏体化，等温0.25～0.50h；再于Bf+(30～60)℃条件下进行贝氏体转变，等温1.0～4.0h；然后水淬至室温。
经本实施例所述热处理方法热处理后的所述中碳微纳结构贝氏体钢：抗拉强度为1500～1800MPa；断后伸长率≥8％；-40℃低温韧性≥30J；具有优异的力学性能。
实施例2
一种中碳微纳结构贝氏体钢。所述中碳微纳结构贝氏体钢的化学组分是：C为0.20～0.50wt％，Si为0.10～0.50wt％，Mn为4.00～8.00wt％，Al为1.00～3.00wt％，Cr为0.10～0.50wt％，Ni为0.10～0.50wt％，Mo为0.10～0.50wt％，Nb+V+Ti为0.010～0.050wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
一种所述中碳微纳结构贝氏体钢的热处理方法。所述热处理方法是：将所述中碳微纳结构贝氏体钢在Ac3+(40～100)℃条件下进行奥氏体化，等温0.30～0.65h；再于Bf+(20～50)℃条件下进行贝氏体转变，等温1.0～6.0h；然后水淬至室温。
经本实施例所述热处理方法热处理后的所述中碳微纳结构贝氏体钢：抗拉强度为1600～1900MPa；断后伸长率≥8％；-40℃低温韧性≥30J；具有优异的力学性能。
实施例3
一种中碳微纳结构贝氏体钢。所述中碳微纳结构贝氏体钢的化学组分是：C为0.20～0.50wt％，Si为0.10～0.50wt％，Mn为4.00～8.00wt％，Al为1.00～3.00wt％，Cr为0.10～0.50wt％，Ni为0.10～0.50wt％，Mo为0.10～0.50wt％，Nb+V+Ti为0.010～0.050wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
一种所述中碳微纳结构贝氏体钢的热处理方法。所述热处理方法是：将所述中碳微纳结构贝氏体钢在Ac3+(20～80)℃条件下进行奥氏体化，等温0.50～0.75h；再于Bf+(10～40)℃条件下进行贝氏体转变，等温3.0～6.0h；然后水淬至室温。
经本实施例所述热处理方法热处理后的所述中碳微纳结构贝氏体钢：抗拉强度为1700～2000MPa；断后伸长率≥8％；-40℃低温韧性≥30J；具有优异的力学性能。
本具体实施方式采用中C、低Si、高Al、低Ni、高Mn、低Cr、低Mo、微量Nb、微量V和微量Ti的合金成分设计；采用低温贝氏体转变和短时间快速转变的热处理工艺。
本具体实施方式所述的中碳微纳结构贝氏体钢的显微组织是微纳结构贝氏体铁素体板条、薄膜状残留奥氏体、块状奥氏体+马氏体。贝氏体铁素体为作为强度相，贝氏体铁素体为微纳米级，且处于过饱和状态，对贝氏体组织起着强烈的细晶强化和固溶强化作用；残留奥氏体为韧性相，分布在贝氏体铁素体板条上或板条之间，在受到外力作用下会发生塑性变形，吸收和消耗能量，延缓裂纹的扩展，对提高板材的韧性极其有利，应力作用较大时会发生相变诱发塑性效应，进一步提高了钢的强韧性。
经本具体实施方式所述热处理方法热处理后的所述中碳微纳结构贝氏体钢：抗拉强度为1700～2000MPa；断后伸长率≥8％；-40℃低温韧性≥30J；具有优异的力学性能。
因此，本具体实施方式具有成本低廉、工艺简单和性能优良的特点。

Claims (2)

1.一种中碳微纳结构贝氏体钢，其特征在于所述中碳微纳结构贝氏体钢的化学组分是：C为0.20～0.50wt％，Si为0.10～0.50wt％，Mn为4.00～8.00wt％，Al为1.00～3.00wt％，Cr为0.10～0.50wt％，Ni为0.10～0.50wt％，Mo为0.10～0.50wt％，Nb+V+Ti为0.010～0.050wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述中碳微纳结构贝氏体钢的热处理方法，其特征在于将所述中碳微纳结构贝氏体钢在Ac3+(20～120)℃条件下进行奥氏体化，等温0.25～0.75h；再于Bf+(10～60)℃条件下进行贝氏体转变，等温1.0～6.0h，然后水淬至室温；
采用所述热处理方法后的中碳微纳结构贝氏体钢：抗拉强度为1500～2000MPa；断后伸长率≥8％；-40℃低温韧性≥30J。
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