CN110592477A - 一种富Cr锰硼合金钢及其热处理方法 - Google Patents

一种富Cr锰硼合金钢及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锰硼合金钢领域，具体说是一种富Cr锰硼合金钢及其热处理方法。按重量百分计，该锰硼合金钢的成分为：C 0.25～0.35；Si 0.10～0.40；Cr 0.80～1.50；Mn 0.70～1.20；Al 0.01～0.10；Ti 0.01～0.06；B 0.0010～0.0050；S≤0.020；P≤0.020；Fe余量。该锰硼合金钢的热处理方法为：850～950℃奥氏体化，保温0.5～1.0h后水淬，然后在200～300℃保温1.0～3.0h进行回火处理，获得强韧性匹配良好的锰硼合金钢。与现有商业用高强锰硼合金钢(30MnB5钢)相比，本发明通过Cr的合金化，该合金在淬火时析出Cr7C3，在回火时析出Cr23C6，这些碳化物细小弥散，可以起到显著的弥散强化效果，而这些碳化物的析出会减少Fe3C渗碳体的析出数量，对冲击韧性有利，最终可以获得强度更高、韧性更好的锰硼合金钢。

Description

一种富Cr锰硼合金钢及其热处理方法
技术领域
本发明涉及锰硼合金钢领域，具体说是一种富Cr锰硼合金钢及其热处理方法。
背景技术
锰硼合金钢因加入了少量的B元素、一定的C含量和一定的合金元素含量，而具有好的淬透性，可通过采用热冲压一体成型技术，同时完成淬火和成型，因此具有成型性好，工艺简单，解决了高强合金钢冷变形困难的问题，从而可获得表面质量好、无回弹变形的汽车构件，同时因获得了均匀的马氏体组织而保证了合金钢具有足够高的强度。与传统高锰钢相比，锰硼合金钢直接采用水淬，不需要进行油淬，因此还具有绿色环保的特点。锰硼合金钢具有高强度特性，在汽车工业被普遍采用，可达到汽车轻量化、节能环保的作用；而锰硼合金钢在具有高强度的同时，仍具有一定的冲击韧性，因此在农机领域被普遍用来制作农机具或农业机械的结构件，在具有一定耐磨性的同时，能够保证结构件的安全使用，不会发生脆性断裂而过早失效，提高了农机具的使用寿命。
出于对结构件安全使用的考虑，在提高强度的同时，对锰硼钢的冲击韧性也提出了更高的要求，有发展同时具有高强、高韧性锰硼合金钢的需要。更高强度的锰硼合金钢(如30MnB5)虽然有更高的强度，但由于其韧性较差，容易发生断裂，影响使用安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时具有高强度、高韧性的富Cr锰硼合金钢及其热处理方法。在现有商用高强锰硼合金钢(30MnB5)的基础上，通过Cr合金化技术，添加一定含量的Cr元素，通过自回火和低温回火析出碳化物，这些碳化物细小弥散，通过沉淀强化提高合金钢强度的同时，合金钢中渗碳体的数量会减少，而这种渗碳体碳化物一般较粗大，对合金钢的冲击功非常不利，因此Cr合金化后的锰硼合金钢的冲击韧性有提高，从而获得高强、高韧的富Cr锰硼合金钢。
本发明的技术方案是：
一种富Cr锰硼合金钢，按重量百分计，该锰硼合金钢的成分为：C 0.25～0.35；Si0.10～0.40；Cr 0.80～1.50；Mn 0.70～1.20；Al 0.01～0.10；Ti 0.01～0.06；B 0.0010～0.0050；S≤0.020；P≤0.020；Fe余量。
所述的富Cr锰硼合金钢的热处理方法，该富Cr锰硼合金钢在850～950℃奥氏体化，保温0.5～1.0h后水淬至室温，然后在200～300℃保温1.0～3.0h进行回火处理，获得强韧性匹配良好的锰硼合金钢。
所述的富Cr锰硼合金钢的热处理方法，经过热处理后，获得回火马氏体组织，其断裂强度在1750MPa以上，屈服强度在1460MPa以上，常温冲击功达18J以上。
本发明的设计思想如下：
本发明提供高强、高韧锰硼合金钢，通过加入一定含量的Cr元素，控制其含量在0.8～1.5wt％。Cr是碳化物形成元素，在本合金钢中形成Cr7C3和Cr23C6等碳化物，其中前者是在淬火自回火过程中析出，数量较少，尺寸较细；而后者则在低温回火过程中析出，其数量较多，尺寸较细。一方面这些细小的碳化物会起到很好的沉淀强化作用，对合金钢的强度有利；另一方面这些碳化物的析出将减少渗碳体的析出数量，渗碳体一般尺寸较大，且都在界面处析出，对合金钢的冲击韧性不利，因此渗碳体数量的减少对合金钢的冲击功有利。因此，富Cr锰硼钢具有高强、高韧的特点。Cr的含量不能过低，否则其析出驱动力不足，导致碳化物析出数量少，沉淀强化的效果不明显，同时也会析出较多的渗碳体，影响冲击功。Cr含量也不能过高，过高的Cr含量不仅增加成本，关键是高Cr含量会导致碳化物的析出数量明显增多，而且长大粗化，这对强度和冲击韧性都不利。因此，在本发明合金中，Cr的含量控制在0.80～1.50wt％。
本发明的优点及有益效果在于：
1、本发明富Cr锰硼合金钢的Cr合金化属于常规合金化，对实际合金钢的制备不会产生影响，添加的一定含量Cr，可析出细小弥散的碳化物，对锰硼合金钢的强度和冲击韧性都有利。
2、本发明采用的热处理方法是常规的淬火加低温回火工艺，容易实现。采用高温奥氏体化后，水淬，然后低温回火，获得的是低温回火马氏体组织。
3、本发明富Cr锰硼合金钢的强韧性好，与现有的锰硼合金钢相比，其断裂强度可达到1750MPa以上，屈服强度可达到1460MPa以上，最重要的是冲击韧性不低于18J，提高了35％以上。
4、与现有商业用高强锰硼合金钢(30MnB5钢)相比，本发明通过Cr的合金化，该合金在淬火时析出Cr7C3，在回火时析出Cr23C6，这些碳化物细小弥散，可以起到显著的弥散强化效果，而这些碳化物的析出会减少Fe3C渗碳体的析出数量，对冲击韧性有利，最终可以获得强度更高、韧性更好的锰硼合金钢。
附图说明
图1为富Cr锰硼合金钢(成分4)的低倍组织图，是回火马氏体；
图2为富Cr锰硼合金钢(成分5)的透射电子高倍像，为碳化物形貌图。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
在本发明实施例中，富Cr锰硼合金钢采用25kg的真空感应炉冶炼，原材料为工业纯Fe和99.9wt％的高纯金属Cr、Mn等。将钢锭锻造成35mm厚的板材，然后热轧成6mm厚。淬火采用900℃保温40min，水淬至室温，然后在250℃保温1.5h进行回火处理。对热处理后的实施例富Cr锰硼合金钢进行室温力学性能测试，拉伸试验采用的是片状拉伸试样，而冲击试样采用的Charpy V型缺口半尺寸试样(55×10×5mm3)。表1所示为实施例富Cr锰硼合金钢的成分，其中成分1为商业用高强锰硼合金钢(30MnB5)的合金成分，成分2为通过(Nb+V)微合金化的锰硼合金钢，用于进行对比分析，而成分3、成分4、成分5和成分6分别进行了不同Cr含量的锰硼合金钢，其重量百分含量分别为0.68％、0.92％、1.43％和1.62％。表2所示为测得的实施例力学性能。
如图1所示，由成分4锰硼合金钢的低倍金相组织可以看出，经过热处理后，锰硼合金钢获得回火马氏体组织，因获得了均匀的马氏体组织而保证了合金钢具有足够高的强度。
如图2所示，由成分5锰硼合金钢的透射电子高倍像可以看出，添加的一定含量Cr，可析出细小弥散的碳化物，对锰硼合金钢的强度和冲击韧性都有利。
从实施例性能测试结果可看出，成分1的断裂强度为1695MPa，冲击功为13J而复合添加(Nb+V)后的锰硼合金钢，其断裂强度最低为1800MPa，屈服强度最低为1491MPa，冲击功为16J。Cr合金化后，随着Cr含量的增加，合金钢的强度逐渐增加，而冲击功则先增后减，其中成分3(Cr 0.68％)的断裂强度为1705MPa，屈服强度为1421MPa，冲击功为14J，其强度和冲击功与对比成分1相当，而成分6(Cr 1.62％)的断裂强度为1858MPa，屈服强度为1535MPa，冲击功为15J，可见该成分合金钢的强度很高，但冲击功仅为15J，与成分1相当。相对而言，Cr含量分别为0.92％和1.43％的成分4和成分5合金钢，其冲击功接近20J，明显高于对比成分1和成分2，而且断裂强度分别为1783MPa和1818MPa，说明两种Cr含量的合金钢具有良好的强韧性匹配。上述实施例成分和力学性能结果说明，Cr含量偏低、偏高都会造成合金钢的冲击功显著下降，从而影响合金钢的强韧性匹配。虽然该富Cr锰硼合金钢的强度比Nb+V复合添加的强度略有降低，但其冲击功从16J提高到24J，提高了50％，因此该富Cr锰硼合金钢的强韧性匹配更好，作为结构件使用的安全性更高。
表1本发明实施例锰硼合金钢的化学成分(wt.％)
成分 C Si Mn Cr Al Ti S P B V Nb Fe
成分1 0.30 0.26 1.28 0.22 0.033 0.034 0.008 0.007 0.0029 - - Bal.
成分2 0.27 0.29 1.18 0.19 0.035 0.040 0.007 0.009 0.0027 0.055 0.07 Bal.
成分3 0.28 0.25 1.04 0.68 0.029 0.036 0.007 0.008 0.0026 - - Bal.
成分4 0.31 0.27 1.01 0.92 0.031 0.031 0.007 0.008 0.0025 - - Bal.
成分5 0.27 0.24 0.97 1.43 0.035 0.039 0.006 0.007 0.0028 - - Bal.
成分6 0.30 0.25 1.02 1.62 0.033 0.033 0.008 0.006 0.0024 - - Bal.
表2本发明实施例锰硼合金钢的力学性能
成分 断裂强度σ<sub>b</sub>(MPa) 屈服强度σ<sub>p0.2</sub>(MPa) 冲击功A<sub>KV</sub>(J)
成分1 1695 1410 13
成分2 1800 1478 16
成分3 1705 1421 14
成分4 1783 1465 24
成分5 1818 1491 19
成分6 1858 1535 15
实施例结果表明，本发明采用Cr合金化技术，通过一定含量的Cr元素，经过淬火加低温回火处理后，锰硼合金钢具有高的强度，同时其冲击韧性得到较大程度提高。同时，冲击功的增加提高了该锰硼合金钢的使用安全性，其作为耐磨材料可在农用机械、矿石机械等领域得到应用。

Claims (3)

1.一种富Cr锰硼合金钢，其特征在于，按重量百分计，该锰硼合金钢的成分为：C 0.25～0.35；Si 0.10～0.40；Cr 0.80～1.50；Mn 0.70～1.20；Al 0.01～0.10；Ti 0.01～0.06；B 0.0010～0.0050；S≤0.020；P≤0.020；Fe余量。
2.根据权利要求1所述的富Cr锰硼合金钢的热处理方法，其特征在于：该富Cr锰硼合金钢在850～950℃奥氏体化，保温0.5～1.0h后水淬至室温，然后在200～300℃保温1.0～3.0h进行回火处理，获得强韧性匹配良好的锰硼合金钢。
3.根据权利要求2所述的富Cr锰硼合金钢的热处理方法，其特征在于：经过热处理后，获得回火马氏体组织，其断裂强度在1750MPa以上，屈服强度在1460MPa以上，常温冲击功达18J以上。
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