CN111394661A - 一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺，将主要化学成分质量百分比为：碳含量C＝0.15～0.25％、锰含量Mn＝1.5～2.5％、硅含量Si＝1.5～2.5％、铬含量Cr＝0.5～1.5％，同时含有含量不高于0.5％的少量Mo元素，其余为铁Fe元素的低合金钢，通过高温均匀化处理、高温锻造、淬火冷却、两相区加热、分步冷却及低温回火的步骤，即完成低合金高强韧性马贝复相钢及制备工艺，该工艺所获得的均匀细小板条状下贝氏体/马氏体复相组织，片层细小均匀、组织致密，强韧性显著提高；本发明分别从合金设计、工艺参数及冷却方式等三方面进行优化改进，具有制备工艺简单、生产成本低、产品强度高韧性够及符合环保有利于推广应用的优点。
Description
技术领域
本发明属于高强钢技术领域，尤其涉及一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺。
背景技术
钢铁材料的强度与韧性(包括塑性)通常相互对立，强度越高，塑性和韧性往往越低。对于超高强钢，该矛盾尤为突出，其生产和服役过程中普遍存在的技术难点即为塑性和韧性不足。随着现代工程技术的发展，高速列车、汽车轻量化、大型飞机等都对钢材力学性能提出了越来越高的要求，如：提高承载能力的同时减轻设备自重，提高运行速度、提高安全可靠性及节能减排等。高强结构钢，必须以更高的力学性能、更好的使用安全性和循环利用性来满足社会需求。尽管利用高合金化，加入大量贵重合金元素，可使高强钢获得较佳的强韧性配合，但成本也随之增加。因此，开发具有高强韧性的新钢种、新工艺是解决现代工程问题的关键。例如，中国专利“一种中碳铬钼高强钢的热处理方法”(公开号：CN110257595A)所涉及的中碳钢热处理方法，主要采用调质处理工艺(淬火+高温回火)，以改善综合力学性能，可应用于电梯紧固件、承载梁、传动轴等关键部件。目前，高强钢在研发、生产及应用方面主要面临以下问题：(1)强度高而韧性、塑性较低：随着钢材强度的提高，韧性与塑性会明显降低，高强钢的脆性断裂对设备的安全性提出挑战，同时也不利于加工及应用推广；(2)制造成本高：高强钢通常含有大量贵重金属元素，生产成本高；(3)制备工艺复杂：高强钢制备工艺往往较为复杂、耗时长，工艺适应性低，加工难度大。例如，采用淬火-分配(Q&P)钢或淬火-分配-回火(Q-P-T)工艺的高强钢，对温度、时间等参数控制极为严格，工序耗时也较长；采用等温淬火的贝氏体高强钢，往往需要盐浴长时间等温处理，耗时较长，而且盐浴工艺不利于工作环境与环保的改善。因此，非常有必要开发一种强度高、韧性够、成本低、工艺简化，同时符合环保要求的高强钢，以满足现代基础工业发展的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺；能够通过合金化，稳定过冷奥氏体，提高淬透性，降低贝氏体转变温度，有利于形成细小均匀的马贝复相组织；通过控制奥氏体化和施加高温变形以细化原始奥氏体晶粒尺寸；通过控制冷却速率获得具有精细结构的马贝复相组织；最终获得细小均匀马贝复合组织，在保持高强度的同时，获得良好的韧性；具有制备工艺简单、生产成本低、产品强度高韧性够及符合环保有利于推广应用的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺，具体步骤如下：
步骤一、高温均匀化处理：
将主要化学成分质量百分比为：碳含量C＝0.15～0.25％、锰含量Mn＝1.5～2.5％、硅含量Si＝1.5～2.5％、铬含量Cr＝0.5～1.5％，同时含有含量不高于0.5％的少量Mo元素，其余为铁Fe元素的低合金钢加热至1150～1230℃，保温30～90分钟，获得组织均匀的单相奥氏体组织；
步骤二、高温锻造：
保温之后立即对工件进行高温锻造，终锻温度区间为1080～930℃，锻造比保持5～8，细化晶粒，获得致密细小的奥氏体组织；
步骤三、淬火冷却：
将终锻后的工件快速淬火冷却至室温，获得以马氏体为主的组织，淬火介质采用热水或热油(60±15℃)；
步骤四、两相区加热：
将淬火冷却后的工件重新加热至840～870℃两相区，升温速度20～50℃/分钟，保温60～120分钟；
步骤五、分步冷却：
先通过喷雾或风冷降温至380±30℃，之后空冷至室温；
步骤六、低温回火：
对步骤五中的工件进行280～320℃回火处理，保温2～4小时，最终获得以均匀细小板条状下贝氏体/马氏体复相组织，同时可能含有少量弥散分布的颗粒状铁素体与少量稳定的残余奥氏体，显著改善高强钢的韧性，获得良好的强韧性匹配。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用低碳低合金成分，成本低，工艺性好；添加的合金元素，其中，Cr与Mn元素可提高钢的淬透性，有利于空冷获得贝氏体组织，并可显著降低贝氏体转变温度，细化贝氏体板条，提高强韧性。Si与Mo元素均可提高过冷奥氏体稳定性，推迟高温铁素体与上贝氏体转变。同时，Si与Mn共同作用可进一步提高获得贝氏体的能力，在后续的热处理冷却过程，有利于在较宽的冷却速度范围内获得贝氏体/马氏体为主的复相组织，优化最终产品韧性。添加元素种类确定后，合金中各个元素的含量也会显著影响最终产品性能，通过理论与多次实验相结合的方式进行确定。
2、高温锻造，实施大锻造比，以获得均匀、致密、细小的原始奥氏体。可避免在后续工艺中形成针状、大块状铁素体及碳化物，为下一步细化晶粒做组织准备。同时，实施大锻造比，有利于在最终马贝复相组织中形成大角度(＞15°)晶界，抑制裂纹扩展，提高韧性；
3、两相区加热有利于形成细小匀称的晶粒，且能够提供产品强韧性。
4、分步冷却能够在高温相变区(380±30℃以上温度区)，通过喷雾或风冷，以较快冷速，避免在高温区形成块状铁素体与上贝氏体；在低温相变区(380±30℃以下，该温度为下贝氏体开始转变温度)，通过空冷，以较缓慢方式冷却，有利于形成细小均匀的下贝氏体/马氏体复相组织(马氏体转变开始温度约为330℃)，同时降低内应力，避免针状、大块状铁素体的形成，显著提高工件强韧性。
综上，本发明具有制备工艺简单、生产成本低、产品强度高韧性够及符合环保有利于推广应用的优点。
附图说明
图1为本发明低合金高强韧性马贝复相钢制备工艺图。
图2为本发明低合金高强韧性马贝复相钢微观组织(SEM)图。
图3为本发明低合金高强韧性马贝复相钢微观组织(TEM)图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
实施例1
一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺，具体步骤如下：
步骤一、高温均匀化处理：
将主要化学成分质量百分比为：碳含量C＝0.18％、锰含量Mn＝2.1％、硅含量Si＝1.8％、铬含量Cr＝1.1％，Mo元素0.2％，其余为铁Fe元素的低合金钢加热至1200℃，保温45分钟，获得组织均匀的单相奥氏体组织；
步骤二、高温锻造：
保温之后立即对工件进行高温锻造，终锻温度区间为950℃，锻造比保持7，细化晶粒，获得致密细小的奥氏体组织；
步骤三、淬火冷却：
将终锻后的工件快速淬火冷却至室温，获得以马氏体为主的组织，淬火介质采用60℃热油；
步骤四、两相区加热：
将淬火冷却后的工件重新加热至870℃两相区，升温速度为20℃/分钟，保温60分钟；
步骤五、分步冷却：
先通过喷雾或风冷降温至400℃，之后空冷至室温；
步骤六、低温回火：
分步冷却后，对工件进行300℃回火处理，保温3小时，最终获得以均匀细小板条状下贝氏体/马氏体复相组织；扫描电子显微镜观察，其微观组织如图2所示，透射电子显微观察，微观组织如图3所示；对实施例1进行力学性能测试，抗拉强度σb＝1360±20MPa，屈服强度σs＝1050±15MPa，伸长率δ≈14％，冲击韧度αk＝98J/cm2。
实施例2
一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺，具体步骤如下：
步骤一、高温均匀化处理：
将主要化学成分质量百分比为：碳含量C＝0.23％、锰含量Mn＝2.2％、硅含量Si＝2.3％、铬含量Cr＝1.5％，Mo元素0.5％，其余为铁Fe元素的低合金钢加热至1150℃，保温45分钟，获得组织均匀的单相奥氏体组织；
步骤二、高温锻造：
保温之后立即对工件进行高温锻造，终锻温度区间为930℃，锻造比保持5，细化晶粒，获得致密细小的奥氏体组织；
步骤三、淬火冷却：
将终锻后的工件快速淬火冷却至室温，获得以马氏体为主的组织，淬火介质采用60℃热油；
步骤四、两相区加热：
将淬火冷却后的工件重新加热至855℃两相区，升温速度为30℃/分钟，保温90分钟；
步骤五、分步冷却：
先通过喷雾或风冷降温至380℃，之后空冷至室温；
步骤六、低温回火：
分步冷却后，对工件进行280℃回火处理，保温2小时，最终获得以均匀细小板条状下贝氏体/马氏体复相组织；对实施例2进行力学性能测试，抗拉强度σb＝1420±20MPa，屈服强度σs＝1145±15MPa，伸长率δ≈11％，冲击韧度αk＝83J/cm2。
实施例3
一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺，具体步骤如下：
步骤一、高温均匀化处理：
将主要化学成分质量百分比为：碳含量C＝0.2％、锰含量Mn＝2.5％、硅含量Si＝1.5％、铬含量Cr＝0.7％，Mo元素0.5％，其余为铁Fe元素的低合金钢加热至1200℃，保温60分钟，获得组织均匀的单相奥氏体组织；
步骤二、高温锻造：
保温之后立即对工件进行高温锻造，终锻温度区间为930℃，锻造比保持8，细化晶粒，获得致密细小的奥氏体组织；
步骤三、淬火冷却：
将终锻后的工件快速淬火冷却至室温，获得以马氏体为主的组织，淬火介质采用60℃热油；
步骤四、两相区加热：
将淬火冷却后的工件重新加热至860℃两相区，升温速度为35℃/分钟，保温90分钟；
步骤五、分步冷却：
先通过喷雾或风冷降温至400℃，之后空冷至室温；
步骤六、低温回火：
分步冷却后，对工件进行320℃回火处理，保温2小时，最终获得以均匀细小板条状下贝氏体/马氏体复相组织；对实施例3进行力学性能测试，抗拉强度σb＝1395+20MPa，屈服强度σs＝1115±15MPa，伸长率δ≈13％，冲击韧度αk＝92J/cm2。
实施例4
一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺，具体步骤如下：
步骤一、高温均匀化处理：
将主要化学成分质量百分比为：碳含量C＝0.2％、锰含量Mn＝1.8％、硅含量Si＝2.2％、铬含量Cr＝1.5％，Mo元素0.3％，其余为铁Fe元素的低合金钢加热至1220℃，保温30分钟，获得组织均匀的单相奥氏体组织；
步骤二、高温锻造：
保温之后立即对工件进行高温锻造，终锻温度区间为960℃，锻造比保持8，细化晶粒，获得致密细小的奥氏体组织；
步骤三、淬火冷却：
将终锻后的工件快速淬火冷却至室温，获得以马氏体为主的组织，淬火介质采用60℃热油；
步骤四、两相区加热：
将淬火冷却后的工件重新加热至865℃两相区，升温速度为40℃/分钟，保温60分钟；
步骤五、分步冷却：
先通过喷雾或风冷降温至400℃，之后空冷至室温；
步骤六、低温回火：
对步骤五的工件进行300℃回火处理，保温2小时，最终获得以均匀细小板条状下贝氏体/马氏体复相组织。
实施例5
一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺，具体步骤如下：
步骤一、高温均匀化处理：
将主要化学成分质量百分比为：碳含量C＝0.17％、锰含量Mn＝2.5％、硅含量Si＝2.5％、铬含量Cr＝1.3％，Mo元素0.5％，其余为铁Fe元素的低合金钢加热至1180℃，保温60分钟，获得组织均匀的单相奥氏体组织；
步骤二、高温锻造：
保温之后立即对工件进行高温锻造，终锻温度区间为930℃，锻造比保持7，细化晶粒，获得致密细小的奥氏体组织；
步骤三、淬火冷却：
将终锻后的工件快速淬火冷却至室温，获得以马氏体为主的组织，淬火介质采用60℃热油；
步骤四、两相区加热：
将淬火冷却后的工件重新加热至870℃两相区，升温速度为50℃/分钟，保温60分钟；
步骤五、分步冷却：
先通过喷雾或风冷降温至380℃，之后空冷至室温；
步骤六、低温回火：
对步骤五的工件进行320℃回火处理，保温2小时，最终获得以均匀细小板条状下贝氏体/马氏体复相组织。
对比例1
用于与实施例1进行工艺对比，基本工艺与实施例1相同，与实施例1不同点在于：步骤五中的冷却方式，对比例1直接采用空冷从高温冷却至室温；对对比例1进行力学性能测试，抗拉强度σb＝1030±20MPa，屈服强度σs＝830±15MPa，伸长率δ≈13％，冲击韧度αk＝96J/cm2；最终样品的强度降低，韧性未发生明显变化，说明分级冷却可一定程度上提高马贝复相钢强度，而不降低韧性。
对比例2
基本工艺与对比例1相同，与对比例1的不同点在于：步骤五中的冷却方式，对比例2采用喷雾冷却直接从高温冷却至室温；对对比例2进行力学性能测试，抗拉强度σb＝1470±20MPa，屈服强度σs＝1290±15MPa，伸长率δ≈6％，冲击韧度αk＝60J/cm2；最终样品的强度虽然较高，但韧性明显降低。
本发明分别从合金设计、工艺参数及冷却方式等三方面进行优化改进，主要内容如下：1.通过合金化，稳定过冷奥氏体，提高淬透性，降低贝氏体转变温度，有利于形成细小均匀的马贝复相组织；2.控制奥氏体化和施加高温变形以细化原始奥氏体晶粒尺寸；3.通过控制冷却速率获得具有精细结构的马贝复相组织。
以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关此技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的保护范围应由权利要求限定。
Claims (6)
1.一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤一、高温均匀化处理：
将主要化学成分质量百分比为：碳含量C＝0.15～0.25％、锰含量Mn＝1.5～2.5％、硅含量Si＝1.5～2.5％、铬含量Cr＝0.5～1.5％，同时含有含量不高于0.5％的少量Mo元素，其余为铁Fe元素的低合金钢加热至1150～1230℃，保温30～90分钟，获得组织均匀的单相奥氏体组织；
步骤二、高温锻造：
保温之后立即对工件进行高温锻造，终锻温度区间为1080～930℃，锻造比保持5～8，细化晶粒，获得致密细小的奥氏体组织；
步骤三、淬火冷却：
将终锻后的工件快速淬火冷却至室温，获得以马氏体为主的组织，淬火介质采用热水或热油(60±15℃)；
步骤四、两相区加热：
将淬火冷却后的工件重新加热至840～870℃两相区，升温速度20～50℃/分钟，保温60～120分钟；
步骤五、分步冷却：
先通过喷雾或风冷降温至380±30℃，之后空冷至室温；
步骤六、低温回火：
对步骤五的工件进行280～320℃回火处理，保温2～4小时，最终获得以均匀细小板条状下贝氏体/马氏体复相组织。
2.根据权利要求1所述的一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、高温均匀化处理：
将主要化学成分质量百分比为：碳含量C＝0.18％、锰含量Mn＝2.1％、硅含量Si＝1.8％、铬含量Cr＝1.1％，Mo元素0.2％，其余为铁Fe元素的低合金钢加热至1200℃，保温45分钟，获得组织均匀的单相奥氏体组织；
步骤二、高温锻造：
保温之后立即对工件进行高温锻造，终锻温度区间为950℃，锻造比保持7，细化晶粒，获得致密细小的奥氏体组织；
步骤三、淬火冷却：
将终锻后的工件快速淬火冷却至室温，获得以马氏体为主的组织，淬火介质采用60℃热油；
步骤四、两相区加热：
将淬火冷却后的工件重新加热至870℃两相区，升温速度为20℃/分钟，保温60分钟；
步骤五、分步冷却：
先通过喷雾或风冷降温至400℃，之后空冷至室温；
步骤六、低温回火：
对步骤五的工件进行300℃回火处理，保温3小时，最终获得以均匀细小板条状下贝氏体/马氏体复相组织。
3.根据权利要求1所述的一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、高温均匀化处理：
将主要化学成分质量百分比为：碳含量C＝0.23％、锰含量Mn＝2.2％、硅含量Si＝2.3％、铬含量Cr＝1.5％，Mo元素0.5％，其余为铁Fe元素的低合金钢加热至1150℃，保温45分钟，获得组织均匀的单相奥氏体组织；
步骤二、高温锻造：
保温之后立即对工件进行高温锻造，终锻温度区间为930℃，锻造比保持5，细化晶粒，获得致密细小的奥氏体组织；
步骤三、淬火冷却：
将终锻后的工件快速淬火冷却至室温，获得以马氏体为主的组织，淬火介质采用60℃热油；
步骤四、两相区加热：
将淬火冷却后的工件重新加热至855℃两相区，升温速度为30℃/分钟，保温90分钟；
步骤五、分步冷却：
先通过喷雾或风冷降温至380℃，之后空冷至室温；
步骤六、低温回火：
对步骤五的工件进行280℃回火处理，保温2小时，最终获得以均匀细小板条状下贝氏体/马氏体复相组织。
4.根据权利要求1所述的一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、高温均匀化处理：
将主要化学成分质量百分比为：碳含量C＝0.2％、锰含量Mn＝2.5％、硅含量Si＝1.5％、铬含量Cr＝0.7％，Mo元素0.5％，其余为铁Fe元素的低合金钢加热至1200℃，保温60分钟，获得组织均匀的单相奥氏体组织；
步骤二、高温锻造：
保温之后立即对工件进行高温锻造，终锻温度区间为930℃，锻造比保持8，细化晶粒，获得致密细小的奥氏体组织；
步骤三、淬火冷却：
将终锻后的工件快速淬火冷却至室温，获得以马氏体为主的组织，淬火介质采用60℃热油；
步骤四、两相区加热：
将淬火冷却后的工件重新加热至860℃两相区，升温速度为35℃/分钟，保温90分钟；
步骤五、分步冷却：
先通过喷雾或风冷降温至400℃，之后空冷至室温；
步骤六、低温回火：
对步骤五的工件进行320℃回火处理，保温2小时，最终获得以均匀细小板条状下贝氏体/马氏体复相组织。
5.根据权利要求1所述的一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺，其特征在于：
步骤一、高温均匀化处理：
将主要化学成分质量百分比为：碳含量C＝0.2％、锰含量Mn＝1.8％、硅含量Si＝2.2％、铬含量Cr＝1.5％，Mo元素0.3％，其余为铁Fe元素的低合金钢加热至1220℃，保温30分钟，获得组织均匀的单相奥氏体组织；
步骤二、高温锻造：
保温之后立即对工件进行高温锻造，终锻温度区间为960℃，锻造比保持8，细化晶粒，获得致密细小的奥氏体组织；
步骤三、淬火冷却：
将终锻后的工件快速淬火冷却至室温，获得以马氏体为主的组织，淬火介质采用60℃热油；
步骤四、两相区加热：
将淬火冷却后的工件重新加热至865℃两相区，升温速度为40℃/分钟，保温60分钟；
步骤五、分步冷却：
先通过喷雾或风冷降温至400℃，之后空冷至室温；
步骤六、低温回火：
对步骤五的工件进行300℃回火处理，保温2小时，最终获得以均匀细小板条状下贝氏体/马氏体复相组织。
6.根据权利要求1所述的一种低合金高强韧性马贝复相钢的制备工艺，其特征在于：
步骤一、高温均匀化处理：
将主要化学成分质量百分比为：碳含量C＝0.17％、锰含量Mn＝2.5％、硅含量Si＝2.5％、铬含量Cr＝1.3％，Mo元素0.5％，其余为铁Fe元素的低合金钢加热至1180℃，保温60分钟，获得组织均匀的单相奥氏体组织；
步骤二、高温锻造：
保温之后立即对工件进行高温锻造，终锻温度区间为930℃，锻造比保持7，细化晶粒，获得致密细小的奥氏体组织；
步骤三、淬火冷却：
将终锻后的工件快速淬火冷却至室温，获得以马氏体为主的组织，淬火介质采用60℃热油；
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步骤六、低温回火：
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