CN117701996A - 贝氏体非调质钢和由其制备的型材和制品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非调质钢技术领域，并提供一种贝氏体非调质钢。具体地，本发明提供一种包含元素C、Si、Mn、Cr、Mo和V以及任选的元素S、Al和N的贝氏体非调质钢。本发明还提供包含所述贝氏体非调质钢的贝氏体非调质钢型材及其制备方法，以及由所述贝氏体非调质钢型材制备的贝氏体非调质钢制品。本发明的贝氏体非调质钢能够满足工业中齿轮钢的性能要求，可尤其用于制备贝氏体非调质钢齿轮。本发明的贝氏体非调质钢齿轮制备过程与现有技术相比可以减少工序，提高生产效率，降低成本，减少环境污染。

Description

贝氏体非调质钢和由其制备的型材和制品

技术领域

本发明涉及非调质钢技术领域，尤其是涉及一种贝氏体非调质钢以及由其制备的贝氏体非调质钢型材、制品和它们的制备方法。

背景技术

钢铁行业和汽车零部件制造行业都是碳排放相对较高的行业，尤其是目前主流的汽车用齿轮钢，以20CrMnTi、20CrMo等钢类为主，其生产工艺流程一般按以下顺序进行：下料→加热→锻造→等温正火→粗车→精车→渗碳处理→热处理(淬火+低温回火)→表面抛丸处理→修整。在这个生产流程中，为确保材料的均匀性和去除应力，锻造后的坯料要进行等温正火，使得生产时间很长、生产效率低下且有较高的能耗；为使齿轮芯部达到一定的硬度，渗碳处理后要经过油淬火。油淬火容易使齿轮产生变形和开裂倾向，使用的淬火介质油还会污染环境，这与目前倡导的绿色发展宗旨背道而驰。

非调质钢以其独特的“绿色制造”品质和特征正逐渐被市场所认知、接受，可以为用户带来了辉煌业绩，并且已经融入到汽车领域、工程机械和装备制造业中。同时非调质钢还能够充分发挥出其高品质、低成本、使用其制造制品周期短、零部件精度高等优秀品质。非调质钢的市场的需求和发展正越来越受到依赖。随着汽车、工程机械、装备制造业等下游市场的发展趋势，一种轻量化、更高强度、更高品质、低成本及更高市场竞争力的非调质钢材料，即贝氏体非调质钢材料，因市场需求应运而生。

1930年，美国钢铁协会的Davenport和Bain在研究钢的冷却速度与力学性能的关系时，发现低合金钢在经历奥氏体化处理后，在一定温度下保持一段时间，可以得到针状铁素体和一定界面上沉淀的碳化物共析组织，从而使钢获得良好的综合性能，这种组织被称为贝氏体，并将钢的贝氏体组织及等温淬火热处理工艺注册了专利。贝氏体转变是经历奥氏体化处理后过冷到中温区时发生的，故又称为中温转变。由于贝氏体，尤其是下贝氏体组织具有良好的综合力学性能，在生产中常将钢奥氏体化后过冷至中温转变区等温停留，使之形成贝氏体组织，这种热处理称为贝氏体等温淬火。

几十年来，全世界的材料领域工作者对贝氏体钢的研究进行了大量的工作。通过调整化学成分和变质处理工艺，获得了“铸态贝氏体钢”或“轧后空冷贝氏体钢”，从而取代了传统的等温淬火工艺，使其应用范围大大扩大。由于空冷贝氏体钢工艺简单，除了可使钢得到良好的综合力学性能外，还可在较大程度上减少像一般淬火(得到马氏体组织)那样产生的变形和开裂倾向。

贝氏体钢作为新世纪新钢种之一，从含碳量的角度分为高碳贝氏体钢、中碳贝氏体钢及低碳贝氏体钢。中、高碳贝氏体钢以高硬度、合金成分简单和成本低等优势应用于电厂、矿山、航空等领域。低碳贝氏体钢被广泛应用到建筑、桥梁、车辆、飞机构件和轴类件等领域。贝氏体钢在实现高强、高韧的同时又兼具良好的焊接性能，成为了最具潜力的钢种，因此，贝氏体钢是超高强钢发展的一个重要方向。研究贝氏体转变及其制备技术，对于提高和改善钢的强韧性及综合性能，具有重要的理论意义和工程应用价值。

现有技术中，为了在空气中进行连续冷却的过程中获得硬度足够高的贝氏体组织的钢材，通常需要在贝氏体钢中包含多种合金元素，例如B、Si、Mn、Cr、Mo、V等。然而，这样的贝氏体钢能否满足工业中对于汽车用齿轮钢的要求存在疑问。本领域中对于可用于生产汽车齿轮的贝氏体非调质钢，目前的研究尚不充分。

发明内容

发明目的

鉴于现有技术，本发明的目的就在于提供一种可用于生产汽车齿轮的贝氏体非调质钢以及包含该贝氏体非调质钢的贝氏体非调质钢型材，并且提供由所述贝氏体非调质钢型材制备的贝氏体非调质钢制品，所述制品尤其可以是汽车用齿轮。另外，本发明还提供制备所述贝氏体非调质钢型材和制备所述贝氏体非调质钢制品的方法。

技术方案

为了实现上述本发明的目的，本发明采用以下技术方案：

方案1.一种贝氏体非调质钢，其中所述贝氏体非调质钢包含基于该贝氏体非调质钢总重量计的，

作为必需添加元素的：

约0.18至约0.25重量％，优选约0.20至约0.23重量％的C；

约0.50至约1.00重量％的Si；

约1.90至约2.50重量％的Mn；

约0.50至约0.90重量％的Cr；

约0.10至约0.30重量％的Mo；和

约0.05至约0.15重量％的V，

作为任选添加元素的：

约≤0.030重量％，优选约0.005至约0.020重量％的S；

约≤0.025重量％，优选约0.010至约0.020重量％的Al；和

约≤0.020重量％，优选约0.010至约0.020重量％的N，

以及余量的Fe和不可避免的杂质，其中将作为不可避免的杂质的元素

B的含量控制在约0.0005重量％以下；

Ti的含量控制在约0.005重量％以下；

Cu的含量控制在约0.1重量％以下；

P的含量控制在约0.03重量％以下；

O的含量控制在约20wppm以下；和

H的含量控制在约2.0wppm以下，

其中

选择所述贝氏体非调质钢中的元素C、Si、Mn、Cr和V的量以满足碳当量Ceq的值为约0.83至约0.92重量％，

其中

Ceq＝[C]+(1/10)[Si]+(2/11)[Mn]+(1/5)[Cr]+(1/3)[V]，

和

选择所述贝氏体非调质钢中的元素Si、Mn、Cr和Mo的量以满足式I的要求：

式I：[Si]+[Mn]+[Cr]+[Mo]＝约3.56至约4.31重量％，

其中，[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[V]和[Mo]分别表示元素C、Si、Mn、Cr、V和Mo的以重量％计的含量值。

方案2.一种贝氏体非调质钢型材，其包含根据上述方案1所述的贝氏体非调质钢，其中所述贝氏体非调质钢型材由包括以下方法步骤的方法制备：

步骤1：提供钢水，该钢水包含的元素含量符合上述方案1中限定的元素含量；

步骤2：将得自步骤1的钢水成型为铸坯；

步骤3：将得自步骤2的铸坯轧制成型材，和

步骤4：将得自步骤3的经轧制的型材进行退火处理以形成所述贝氏体非调质钢型材。

方案3.根据上述方案2所述的贝氏体非调质钢型材，其中在所述步骤2中，所述成型是通过连铸进行的，并且所得铸坯的温度保持在约1200℃以上，优选保持在约1200至约1250℃。

方案4.根据上述方案2或方案3所述的贝氏体非调质钢型材，其中在所述步骤4中，所述退火处理包括使所述经轧制的型材在约700至约740℃的温度下保持约3至约8小时，然后以约25至约35℃/小时的冷却速度冷却到约350℃以下。

方案5.根据上述方案2至4中任一项所述的贝氏体非调质钢型材，其中在经所述退火处理后获得的贝氏体非调质钢型材的硬度为约220至约260HBW，淬透性为J5点硬度约≥43HRC，优选约≥45HRC。

方案6.根据上述方案2至5中任一项所述的贝氏体非调质钢型材，其中在将所述贝氏体非调质钢型材于约850至约900℃的温度下保持约8至约15小时，并在空气中以约0.5至约0.8℃/秒冷却速度冷却到室温后，检测到所述型材具有以下性能：

组织为面积约>90％的贝氏体和面积约<10％的马氏体以及不超过约5％的铁素体，和/或

晶粒度为约≥5级，和/或

硬度为至少约32.5HRC，优选至少约35HRC，和/或

屈服强度为约≥700MPa，和/或

拉伸强度为约≥1000MPa，和/或

延伸率为约≥12％，和/或

面缩率为约≥30％。

方案7.一种贝氏体非调质钢制品，优选贝氏体非调质钢齿轮，其由根据上述方案2至6中任一项所述的贝氏体非调质钢型材制备。

方案8.根据上述方案7所述的贝氏体非调质钢制品，其由包括以下步骤的方法制备：

步骤a：根据所述贝氏体非调质钢制品的形状，将根据上述方案2至6中任一项所述的贝氏体非调质钢型材进行锻造以形成锻造毛坯，优选地，所述锻造是在约850至约900℃的温度下进行的；

步骤b：将得自步骤a的锻造毛坯进行退火处理；

步骤c：将得自步骤b的经退火处理的锻造毛坯进行机加工以形成贝氏体非调质钢制品毛坯；和

步骤d：对得自步骤c的贝氏体非调质钢制品毛坯进行渗碳处理、空冷和回火处理以形成所述贝氏体非调质钢制品。

方案9.根据上述方案8所述的贝氏体非调质钢制品，其中在所述步骤b中，所述退火处理包括使所述锻造毛坯在约700至约740℃的温度下保持约3至约8小时，然后以约25至约35℃/小时的冷却速度冷却到约350℃以下。

方案10.根据上述方案8或9所述的贝氏体非调质钢制品，其中在所述步骤d中，

所述渗碳处理包括：使所述贝氏体非调质钢制品毛坯在渗碳介质中于约850至约900℃的温度下保持约8至约15小时；和/或

所述空冷包括使经过渗碳处理的制品毛坯在空气中以约0.5至约0.8℃/秒的冷却速度冷却至室温；和/或

所述回火处理包括使经过空冷的制品毛坯在约300至约450℃的温度下保持约6至约10小时并冷却到室温。

技术效果

与现有技术中的普通齿轮钢相比，本发明的贝氏体非调质钢具有以下有益的技术效果：

在退火处理后，包含本发明的贝氏体非调质钢的贝氏体非调质钢型材的硬度为约220至约260HBW，适合方便随后用户的下料工序；淬透性为J5点硬度约≥43HRC，甚至达到约≥45HRC，使得最终经锻造、渗碳处理后获得的贝氏体非调质钢制品的芯部硬度不低于约32.5HRC，优选不低于约33.5HRC，甚至达到40HRC。

本发明的贝氏体非调质钢型材在经模拟贝氏体非调质钢制品制造过程(包括锻造、退火、渗碳处理和空冷等)的加工条件后可检测到组织为面积约>90％，优选约>95％的贝氏体，晶粒度≥5级，硬度为至少约32.5HRC，甚至达到至少约35HRC。

本发明的贝氏体非调质钢型材可以满足例如齿轮钢的性能要求；与传统齿轮钢及其制备工艺相比较，本发明的贝氏体非调质钢型材具有更均匀的贝氏体，且晶粒更细，在锻造成毛坯后，可以对毛坯进行退火处理(包括加热到约700至约740℃，保温约3至约8小时)以代替现有技术齿轮钢加工过程中必要的等温正火工艺(包括加热到约940℃以上保温约3小时，风冷至约650℃后还需保温约2至约3小时)。这减少了长时间的高温热处理，减少了工序，从而大大提高了生产效率，降低了能耗。所述毛坯经机加工以及渗碳热处理后，可以用空冷代替现有技术中常用的油淬火，从而减少了毛坯的变形和开裂，降低了废品率，同时也减少了环境污染。

本发明的贝氏体非调质钢制品的基体为稳定的贝氏体组织，尤其是由其获得的齿轮即使在空冷处理后，芯部硬度也能够与现有技术中传统的经淬火和低温回火工艺获得的齿轮的芯部硬度相当。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为说明由本发明实施例9的贝氏体非调质钢制备的贝氏体非调质钢型材的组织的光学显微照片，其中左图的放大倍率为200倍，右图的放大倍率为500倍。

图2为说明由本发明实施例9的贝氏体非调质钢制备的贝氏体非调质钢制品的组织的光学显微照片，其中左图的放大倍率为200倍，右图的放大倍率为500倍。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本领域技术人员应该明了，提供所述实施例仅仅为了帮助理解本发明，它们不应被视为对本发明的具体限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。下列实施例中如未注明具体条件的工艺参数，通常按照常规条件。

在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。在本发明中使用的术语“约”具有本领域技术人员通常理解的含义，并且一般指其后所修饰的数值可以在该数值的±20％、±15％、±10％、±5％或±2％范围内波动。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本发明中具体公开。

根据本发明的第一方面，本发明一种贝氏体非调质钢，其中所述贝氏体非调质钢包含作为必需添加元素的C、Si、Mn、Cr、Mo和V，作为任选添加元素的S、Al和N，以及余量的Fe和不可避免的杂质。

在如上所述的本发明第一方面的贝氏体非调质钢中，C(碳)元素是使最终的贝氏体非调质钢制品具有良好综合力学性能的最重要、最廉价的基体强化型元素。由于本发明的最终贝氏体非调质钢制品都要进行渗碳处理，因此要求所述贝氏体非调质钢中的C含量在一定范围内，既不能太高，也不能太低。为了在制品的制造过程中减少试错成本，本发明中将所述贝氏体非调质钢中的C含量确定为与常用于制备齿轮钢的20CrMo合金钢或22CrMo合金钢中的C含量保持一致，即控制在约0.18至约0.25重量％范围内，优选约0.20至约0.23重量％范围内，例如可以将其设定为约0.19重量％、0.21重量％、0.22重量％或0.24重量％。

在如上所述的本发明第一方面的贝氏体非调质钢中，Si(硅)元素的主要作用是作为固溶强化元素，提高铁素体基体硬度，改善钢的强度和硬度，同时能够抑制碳化物或渗碳体形成。在贝氏体非调质钢中，元素Si尤其抑制渗碳体析出，稳定残余奥氏体，促使无碳化物贝氏体的形成。随着Si含量的提高，相变组织逐渐细化，粒状贝氏体减少，无碳化物贝氏体增多，从而使贝氏体板条得到细化，Si在贝氏体钢中有固溶强化和降低贝氏体开始转变温度的作用，它和元素Mn、Cr和Mo合理匹配能提高最终钢制品中的贝氏体组织面积，有利于得到空冷贝氏体，保证淬透性符合要求。因此，在本发明的贝氏体非调质钢中，元素Si的含量要控制在约0.50至约1.00％范围内，例如可以将其设定为约0.60重量％、0.70重量％、0.80重量％或0.90重量％。

在如上所述的本发明第一方面的贝氏体非调质钢中，Mn(锰)元素能够有效降低贝氏体组织转变开始温度，主要起相变强化作用。元素Mn会扩大奥氏体相区，降低相变温度，同时具有较强的固溶强化作用，能显著提高低碳贝氏体钢的淬透性和硬度，延迟低碳贝氏体钢形变强化相变进程。冶炼时，Mn与钢水中的氧和硫结合上浮到炉渣中被清除掉，可起到脱氧剂、脱硫剂的作用。但元素Mn含量过高，又会使钢的塑性下降。因此，在本发明的贝氏体非调质钢中，元素Mn的含量要控制在约1.90至约2.50重量％范围内，例如可以将其设定为约2.00重量％、约2.10重量％、约2.20重量％、约2.30重量％或约2.40重量％。

在如上所述的本发明第一方面的贝氏体非调质钢中，Cr(铬)元素是能够显著提高淬透性的合金元素；同时，Cr能与钢中的碳形成碳化物，并均匀钢中碳化物的分布，减小碳化物的尺寸，改善制品的耐磨损性能。元素Cr作为Mn系空冷贝氏体钢合金体系中最常用的合金元素之一，可有效地调控贝氏体钢的微观组织及力学性能。在本发明的贝氏体非调质钢中添加元素Cr，能使本发明的贝氏体非调质钢在较低的冷却速度下获得贝氏体，贝氏体转变温度区间也明显减小；Cr对贝氏体的形态及分布具有显著影响，当Cr含量达到约0.2重量％时，贝氏体形态以粒状贝氏体和板条上贝氏体为主，当Cr含量提高至约0.5重量％时，观察到了“柳叶状”的下贝氏体组织；Cr能显著地提高了贝氏体钢的硬度。因此，在本发明的贝氏体非调质钢中，元素Cr的含量要控制在约0.50至约0.90重量％范围内，例如可以将其设定为约0.60重量％、0.70重量％或0.80重量％。

在如上所述的本发明第一方面的贝氏体非调质钢中，Mo(钼)元素是能够有效推迟珠光体转变，使贝氏体和珠光体转变C曲线分离，从而使钢易于发生贝氏体转变的元素。Mo元素的加入能有效延迟高温铁素体相变，降低奥氏体向马氏体转变的开始温度(Ms温度)，是强烈促进贝氏体转变、扩展贝氏体转变区、并在宽的冷却速度下获得贝氏体组织的元素；Mo能显著提高钢的强度和淬透性；细化奥氏体组织，抑制裂纹萌生与扩展，改善疲劳性能。当Mo含量<0.10重量％时，其强化作用不明显；当Mo元素含量>0.30重量％时，贝氏体组织转变效率降低，在加速冷却过程中难于获得理想的贝氏体组织。因此，在本发明的贝氏体非调质钢中，元素Mo的含量要控制在约0.10至约0.30重量％范围内，例如可以将其设定为约0.15重量％、约0.20重量％或约0.25重量％。

在如上所述的本发明第一方面的贝氏体非调质钢中，V(钒)元素在珠光体钢中为沉淀强化元素，在制品冷却过程中形成碳氮化物，可以细化贝氏体铁素体晶粒大小，提高贝氏体钢的强硬度和韧塑性。当V含量<0.05重量％时，其晶粒细化强化作用较小，无法有效提高制品性能；当V含量>0.15重量％时，其提高制品强度、硬度的作用能力降低，同时沉淀强化作用过强会导致钢中存在过多析出相，对制品的冲击韧性有负面作用。V对钢有很强的二次硬化作用，碳化钒是最硬的、耐磨性最好的金属碳化物；V可以细化晶粒，使钢的表面内部均有细晶组织，对渗碳有利。因此，在本发明的贝氏体非调质钢中，元素V的含量要控制在约0.05至约0.15重量％范围内，例如可以将其设定为约0.07重量％、约0.10重量％或约0.13重量％。

Al(铝)、S(硫)和N(氮)元素为本发明第一方面的贝氏体非调质钢中任选添加的元素。

在如上所述的本发明第一方面的贝氏体非调质钢中，Al以最高为约0.025重量％的量添加到根据本发明的贝氏体非调制钢中以脱氧并结合氮(如果钢中存在氮)。此外添加铝也可以抑制渗碳体的形成。但是，Al会提高钢的奥氏体化温度。如果要为奥氏体化设定更高的退火温度，则可以合金化最多约0.025重量％的Al。由于Al提高了完全奥氏体化所需的退火温度，并且在Al含量高于约0.025重量％的情况下，非常难以实现完全奥氏体化，因此根据本发明的钢的Al含量限制为最多约0.025重量％，优选最多约0.020重量％。如果设定低的奥氏体化温度，则已证明至少为约0.010重量％，尤其是约0.015至约0.020重量％的Al含量是有利的。

在如上所述的本发明第一方面的贝氏体非调质钢中，过多的S元素对制品耐磨耗性能和耐接触疲劳性能有害；然而适当存在的S元素易于与钢中的Mn元素成MnS夹杂物，适当的MnS夹杂物有益于最终制品毛坯的切削加工。因此，为了避免S元素带来的有害作用以及为了更好地适应机加工，在本发明的贝氏体非调质钢中，元素S的含量需控制在约0.030重量％以下，优选控制在约0.005至约0.020重量％范围内。

在如上所述的本发明第一方面的贝氏体非调质钢中，过多的N元素与其它元素结合成氮化物会不利地影响制品的可成形性；然而，有些情况下还希望存在适量的氮化物，例如钒微合金化在铁素体和珠光体片层中析出细小富氮的碳氮化钒(V(C,N))，增加氮含量能够显著促进V(C,N)的析出，进一步提高沉淀强化效果；同时，V(C,N)粒子能够为铁素体提供形核质点，在相变过程中诱导晶内铁素体形成；而且在氮含量增加的情况下，V(C,N)粒子数量将大幅度增多，可阻碍奥氏体晶界迁移，阻止奥氏体静态再结晶，促进奥氏体晶粒化，提高钢的韧性。因此，在本发明的贝氏体非调质钢中，元素N的含量需控制在约0.020重量％以下，优选控制在约0.010至约0.020重量％。

在如上所述的本发明第一方面的贝氏体非调质钢中，需要控制作为不可避免的杂质的元素B(硼)、Ti(钛)、Cu(铜)、P(磷)、O(氧)和H(氢)元素的含量。

元素B作为不可避免的杂质优选完全不存在于本发明的贝氏体非调制钢中。现有技术中，通常在贝氏体钢中会加入元素B，B可以使铁素体转变曲线大大右移，有利于空冷得到全贝氏体。然而，由于如果在本发明的贝氏体非调制钢中存在Ti会不利地在钢中产生TiN夹杂物，最终影响汽车齿轮的疲劳寿命，而如果在本发明的贝氏体非调质钢中存在B，则需添加Ti，因此，在本发明的贝氏体非调制钢中，元素B的量需控制在约0.0005重量％以下，优选约0.0003重量％以下。

元素Ti作为不可避免的杂质优选完全不存在于本发明的贝氏体非调制钢中。Ti元素会不利地在本发明的贝氏体非调质钢中产生TiN夹杂物，最终影响汽车齿轮的疲劳寿命。因此，在本发明的贝氏体非调制钢中，元素Ti的含量需控制在约0.005重量％以下，优选约0.003重量％以下。

元素Cu作为不可避免的杂质优选完全不存在于本发明的贝氏体非调制钢中。在本发明的贝氏体非调质钢中，随着Cu含量的增加，断裂延伸率会显著降低。此外，当Cu含量大于约0.1重量％时，可焊接性显著降低并且红脆性趋势增加，因此Cu含量最多为约0.1重量％。

元素P作为不可避免的杂质优选完全不存在于本发明的贝氏体非调制钢中。在本发明的贝氏体非调质钢中，过多的P会在钢组织晶界处偏聚，严重降低制品的韧性。因此，在本发明的贝氏体非调质钢中，元素P的含量需控制在约0.03重量％以下，优选控制在约0.02重量％以下。

元素O和H作为不可避免的杂质优选完全不存在于本发明的贝氏体非调制钢中。在本发明的贝氏体非调质钢中，过多的H元素容易使制品芯部产生白点缺陷，过多的O元素会使制品中的夹杂物含量增加。因此，在本发明的贝氏体非调质钢中，元素O的含量需控制在约20wppm以下，元素H的含量需控制在约2.0wppm以下。

在如上所述的本发明第一方面的贝氏体非调质钢中，还需要选择元素C、Si、Mn、Cr和V的量以满足以下限定条件：

碳当量Ceq的值为约0.83至约0.92重量％，优选约0.84至约0.90重量％，例如可以将其设定为约0.85重量％、约0.86重量％、约0.87重量％、约0.88重量％或约0.89重量％，其中

Ceq＝[C]+(1/10)[Si]+(2/11)[Mn]+(1/5)[Cr]+(1/3)[V]；

以及，还需要选择元素Si、Mn、Cr和Mo的量以满足式I的要求：

式I：[Si]+[Mn]+[Cr]+[Mo]＝约3.56至约4.31重量％，优选约3.76至约4.11重量％，例如可以将式I的值设定为约3.80重量％、约3.90重量％、约4.00重量％或约4.10重量％，

其中在确定上述碳当量Ceq的式子和式I中的[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[V]和[Mo]分别表示元素C、Si、Mn、Cr、V和Mo的以重量％计的含量值。

满足以上Ceq的范围条件，可以使得本发明的贝氏体非调质钢型材在经过后续的锻造、退火、渗碳处理和空冷后，其硬度能够达到约32.5HRC以上，优选33.5HRC以上，甚至约35HRC以上。

满足以上式I的“[Si]+[Mn]+[Cr]+[Mo]”的含量范围条件，可以保证本发明的贝氏体非调质钢型材的淬透性达到J5点硬度为约43HRC以上，并且在经过后续的锻造、退火、渗碳处理和空冷后，可具有约>90％的贝氏体组织面积，甚至达到约95％以上。

在本发明的第二方面，本发明提供一种贝氏体非调质钢型材，其包含如上所述的本发明第一方面的贝氏体非调质钢。本发明第二方面的贝氏体非调质钢型材是由包含以下方法步骤的方法制备的：

步骤1：提供钢水，该钢水所包含的元素含量符合如上所述的本发明第一方面的贝氏体非调质钢包含的元素含量；

步骤2：将得自步骤1的钢水成型为铸坯；

步骤3：将得自步骤2的铸坯轧制成型材，和

步骤4：将得自步骤3的型材进行退火处理以形成所述贝氏体非调质钢型材。

在上述本发明第二方面中所述方法的步骤1中，可通过本领域中已知的任何方式获得所述钢水，例如优选地，可通过以下方式获得所述钢水：

利用液态生铁、废钢、铁合金和造渣剂等原材料进行电炉炼钢或转炉炼钢等过程，其中所述原材料中的液态生铁比例优选为约80至约82重量％，其余主要为废钢或铁合金。造渣剂包含石灰和白云石，其主要化学成分为CaO+SiO₂。控制所述炼钢过程使获得的钢水中的C含量为约0.05至约0.15重量％，P含量为约≤0.02重量％。符合要求后出钢至准备好的钢包中，离开冶炼炉的钢水温度为约1600至约1700℃，出钢过程中加入精炼渣、石灰等造渣，并加入Al锭脱氧及部分Si、Mn、Cr合金。

将经过上述炼钢过程获得的钢水进行精炼，包括但不限于LF炉精炼。其中使用Al粒进行扩散脱氧，并将钢水成分调整到基本符合上述本发明第一方面的贝氏体非调质钢的合金元素含量要求范围内。精炼温度例如可以为约1600至约1650℃。使用氩气搅拌使钢水成分、温度均匀，同时使钢水中的夹杂物碰撞长大，上浮到渣中。在精炼之后获得的钢水的合金元素成分已经基本符合本发明第一方面的贝氏体非调质钢的成分要求。

使经精炼后的钢水进一步经历脱气处理，优选RH真空脱气。所述脱气处理优选可以在约67Pa以下的真空度下进行，脱气时间优选至少约15分钟。

由此可以获得符合上述本发明第一方面的贝氏体不锈钢的元素含量要求范围内的钢水。

在上述本发明第二方面中所述方法的步骤2中，所述成型可以通过本领域中已知的任何方式进行。例如可以采用模铸或连铸，优选连铸的方式实施所述步骤2。优选地，在所连铸过程中的浇铸温度可以为约1515℃至约1535℃。

所得铸坯的形状没有特别限制，其可根据最终形成制品的形状确定。例如，根据最终要形成的齿轮规格需求，优选连铸铸坯的形状为具有约410×530mm或约300×400mm断面的铸坯。

在上述本发明第二方面中所述方法的步骤2中，所述铸坯的温度优选保持在约1200℃以上，更优选约1200至约1250℃。这样的温度可以保证随后的轧制过程能够顺利进行，并且确保最终型材具有理想的性能。

在上述本发明第二方面中所述方法的步骤3中，所述轧制可通过轧机利用轧辊进行。经过轧制获得的型材的形状没有特别限制，其可根据最终形成制品的形状确定，例如其可以是板材、块材、线材或棒材的形式，在本发明的情况下，所述型材的形状特别优选是棒材。

在上述本发明第二方面中所述方法的步骤3中，在所述轧制之后获得的型材的温度可以保持在约700℃以上，并直接进行随后步骤4的保温过程，然而所述型材也可能被降温到约700℃以下，甚至降低到约500或约600℃以下，以方便该型材的转移等后续操作。

在上述本发明第二方面中所述方法的步骤4中，通过退火处理最终形成本发明的贝氏体非调质钢型材。

所述退火处理的具体参数没有特别限制，只要这种退火处理可以使本发明的贝氏体非调质钢型材具有下文所述的有利性能即可，尤其是具有适合于随后进行的进一步加工的硬度。优选地，在上述本发明第二方面中所述方法的步骤4中，所述退火处理包括使所述型材在约700至约740℃的温度下保持约3至约8小时，例如约5至约7小时，特别是约6小时，以约25至约35℃/小时，例如为约30℃/小时的冷却速度冷却到约350℃以下。

优选地，在经退火处理后，所述贝氏体非调质钢型材优选具有以下有利性能：

硬度为约220至约260HBW(根据GB/T 231.1测定)；和/或

淬透性为J5点硬度约≥43HRC，甚至达到约45HRC以上(根据GB/T 225测定)。

具有以上性能的贝氏体非调质钢型材不仅具有适合于随后进行锻造步骤所需的硬度，而且还能够保证在将该型材制成制品(例如齿轮)后，所述制品具有足够的芯部硬度，例如32.5HRC以上，优选33.5HRC以上的硬度。

进一步优选地，所述贝氏体非调质钢型材在经模拟贝氏体非调质钢制品制造过程(包括锻造、退火、渗碳处理和空冷等)的加工条件后，例如在将所述贝氏体非调质钢型材的试样加热到约850至约900℃，保温约8至约15小时，在空气中以约0.5至约0.8℃/秒，例如约0.6℃/秒的冷却速度冷却到室温之后，具有以下有利性能：

检测到的组织为面积约>90％的贝氏体和面积约<10％的马氏体和不超过约5％的铁素体(根据GB/T 13298测定)；和/或

晶粒度为≥5级(根据GB/T 6394测定)；和/或

硬度为约32.5HRC以上，优选33.5HRC以上，甚至达到约35HRC以上(根据GB/T230.1测定)；和/或

屈服强度为约≥700MPa，甚至达到约≥820MPa，拉伸强度为约≥1000MPa，甚至达到约≥1100MPa，延伸率为约≥12％，面缩率为约≥30％(根据GB/T 228.1测定)。

再进一步优选地，本发明的贝氏体非调质钢型材在经历上述模拟加工条件处理后再进行回火处理，可再进一步显著提高所述型材的屈服强度，使其甚至达到约900MPa以上，面缩率甚至可达到约40％以上。

在本发明的第三方面，本发明提供一种贝氏体非调质钢制品，其由如上所述本发明第二方面的贝氏体非调质钢型材制备。

特别优选地，本发明第三方面的贝氏体非调质钢制品包括贝氏体非调质钢齿轮。

如上所述的本发明第三方面的贝氏体非调质钢制品优选由包括以下步骤的方法制备：

步骤a：将如上所述本发明第二方面的贝氏体非调质钢型材根据所要制备的贝氏体非调质钢制品的形状进行锻造以形成锻造毛坯；优选地，所述锻造是在约850至约900℃的温度下进行的；

步骤b：将得自步骤a的锻造毛坯进行退火处理，优选地，所述退火处理包括使所述锻造毛坯在约700至约740℃的温度下保持约3至约8小时，例如约4小时，以约25至约35℃/小时，例如约30℃/小时的冷却速度冷却到约350℃以下；

步骤c：将得自步骤b的经退火处理的锻造毛坯进行机加工以形成贝氏体非调质钢制品毛坯；

步骤d：对得自步骤c的贝氏体非调质钢制品毛坯进行渗碳处理、空冷和回火处理以形成所述贝氏体非调质钢制品，其中优选地，所述渗碳处理包括：使所述贝氏体非调质钢制品毛坯在本领域中已知的渗碳介质中于约850至约900℃的温度下保持约8至约15小时；所述空冷包括使经过渗碳处理的制品毛坯在空气中以约0.5至约0.8℃/秒，例如约0.6℃/秒的冷却速度冷却至室温；所述回火处理包括使经过空冷的制品毛坯在约300至约450℃的温度下保持约6至约10小时并冷却到室温。

优选地，通过如上所述的步骤获得的本发明第三方面的贝氏体非调质钢制品具有以下有利性能：

检测到制品基体的组织为面积约>90％的贝氏体和面积约<10％的马氏体和不超过约5％的铁素体(根据GB/T 13298测定)；和/或

晶粒度为≥5级(根据GB/T 6394测定)；和/或

硬度为约32.5HRC以上，优选约33.5HRC以上，甚至达到约35HRC以上(根据GB/T230.1测定)；和/或

屈服强度为约≥900MPa，拉伸强度为约≥1000MPa，甚至达到约≥1100MPa，延伸率为约≥12％，面缩率为约≥40％(根据GB/T 228.1测定)。

进一步优选地，通过如上所述的步骤a至d获得的本发明第三方面的贝氏体非调质钢制品可任选进行进一步的修整，例如将其表面强力喷丸、去除其表面的毛刺、清理可能存在的异物等，从而最终形成可以工业使用的贝氏体非调质钢制品零件，优选齿轮零件。

下面结合具体实施例和对比例对本发明作进一步详细地描述。

制备本发明实施例1-10和对比例1-4的贝氏体非调质钢并测量其性能

具体地，经公知的如上文所述的(1)转炉冶炼→(2)LF炉精炼→(3)RH炉真空脱气的过程提供符合如下表1中列出的本发明实施例1-10和对比例1-4的贝氏体不锈钢元素含量要求范围的钢水；

将所获得的钢水连铸成断面规格为约410×530mm的铸坯，保持所述铸坯温度在约1200至约1250℃；

将所述铸坯通过轧机的一对旋转轧辊轧制成型材，其断面规格为约50×220mm；

使所述经轧制的型材进行退火处理，即在约700至约740℃的温度下保持约5至约7小时，以约30℃/小时的冷却速度冷却到约350℃以下，从而获得各实施例和对比例的贝氏体非调质钢型材；

取本发明的实施例1-10和对比例1-4的贝氏体非调质钢型材的试样，通过以下方式测量所获得的经退火处理后的试样的性能，其中：

根据GB/T 231.1测定所述试样的硬度；

根据GB/T 225测定所述试样的淬透性。

另外，将所述试样加热到约850至约900℃，保温约8至约15小时，在空气中以约0.5至约0.8℃/秒的冷却速度冷却到室温之后，通过以下方式测量经处理后的试样的性能，其中：

根据GB/T 13298测定所述试样的组织；

根据GB/T 6394测定所述试样的晶粒度；

根据GB/T 230.1测定所述试样的硬度；

根据GB/T 228.1测定所述试样的屈服强度、拉伸强度、延伸率和面缩率。

表1中总结了通过以上过程获得的实施例1-10和对比例1-4的贝氏体非调质钢的元素范围，以及商品1-2(现有技术常用于制备齿轮的20MnCr5合金钢)的元素范围，其中式I＝[Si]+[Mn]+[Cr]+[Mo]，Ceq＝[C]+(1/10)[Si]+(2/11)[Mn]+(1/5)[Cr]+(1/3)[V]，另外在实施例和对比例中的O的含量被控制在约20wppm以下，H的含量被控制在约2.0wppm以下。

表2中总结了由本发明实施例1-10和对比例1-4的贝氏体非调质钢以及两种商品1和2制备的型材的性能。

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由表1中的元素含量和表2中相应获得的实验数据可知，由符合本发明的元素含量要求的贝氏体非调质钢制备的型材和制品能够整体上实现如上所述的本发明要实现的技术效果，而即使由符合各个单独元素含量要求的贝氏体非调质钢制备的型材和制品，在不符合Ceq和式I要求的情况下，也不能同时满足本发明要实现的全部技术效果。

由图1所示的本发明实施例9的贝氏体非调质钢制备的型材的光学显微照片和由图2所示的制备的制品的光学显微照片可以看出，所述型材和制品的组织为：贝氏体面积达到95％上，马氏体和铁素体面积相对非常少，这正是本发明实施例的贝氏体非调质钢具有综合优异性能的原因。

与现有技术常用的两种马氏体齿轮钢“20MnCr5钢”相比，本发明实施例1-10的贝氏体非调质钢制品也能够达到相当或更好的硬度。然而，这两种现有技术制备的齿轮钢均采用了“等温正火”和“油淬火”工艺过程，与本发明的对比，不仅耗能，而且成品率低，而本发明实施例制备的贝氏体非调质钢制品则采用“退火、空冷”工艺替代“等温正火”和“油淬火”工艺，实现了“减少工序、提高生产效率、降低成本和减少环境污染”的优点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种贝氏体非调质钢，其特征在于，所述贝氏体非调质钢包含基于该贝氏体非调质钢总重量计的，

作为必需添加元素的：

0.18-0.25重量％的C；

0.50-1.00重量％的Si；

1.90-2.50重量％的Mn；

0.50-0.90重量％的Cr；

0.10-0.30重量％的Mo；和

0.05-0.15重量％的V，

作为任选添加元素的：

≤0.030重量％的S；

≤0.025重量％的Al；和

≤0.020重量％的N，

以及余量的Fe和不可避免的杂质，其中将作为不可避免的杂质的元素B的含量控制在0.0005重量％以下；

Ti的含量控制在0.005重量％以下；

Cu的含量控制在0.1重量％以下；

P的含量控制在0.03重量％以下；

O的含量控制在20wppm以下；和

H的含量控制在2.0wppm以下，

其中

选择所述贝氏体非调质钢中的元素C、Si、Mn、Cr和V的量以满足碳当量Ceq的值为0.83-0.92重量％，

其中

Ceq＝[C]+(1/10)[Si]+(2/11)[Mn]+(1/5)[Cr]+(1/3)[V]，

和

选择所述贝氏体非调质钢中的元素Si、Mn、Cr和Mo的量以满足式I的要求：

式I：[Si]+[Mn]+[Cr]+[Mo]＝3.56-4.31重量％，

其中，[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[V]和[Mo]分别表示元素C、Si、Mn、Cr、V和Mo的以重量％计的含量值。

2.根据权利要求1所述的贝氏体非调质钢，其特征在于，

所述C元素的含量为0.20-0.23重量％，和/或，

所述S元素的含量为0.005-0.020重量％，和/或，

所述Al元素的含量为0.010-0.020重量％，和/或，

所述N元素的含量为0.010-0.020重量％。

3.一种贝氏体非调质钢型材，其包含根据权利要求1或2所述的贝氏体非调质钢，其特征在于，所述贝氏体非调质钢型材由包括以下步骤的方法制备：

步骤1：提供钢水，该钢水包含的元素含量符合权利要求1或2中限定的元素含量；

步骤2：将得自步骤1的钢水成型为铸坯；

步骤3：将得自步骤2的铸坯轧制成型材，和

步骤4：将得自步骤3的经轧制的型材进行退火处理以形成所述贝氏体非调质钢型材。

4.根据权利要求3所述的贝氏体非调质钢型材，其特征在于，

在所述步骤2中，所述成型是通过连铸进行的，并且所得铸坯的温度保持在1200℃以上，优选保持在1200至1250℃；和/或，

在所述步骤4中，所述退火处理包括使所述经轧制的型材在700-740℃的温度下保持3-8小时，然后以25-35℃/小时的冷却速度冷却到350℃以下。

5.根据权利要求3至4中任一项所述的贝氏体非调质钢型材，其特征在于，在经所述退火处理后获得的贝氏体非调质钢型材的硬度为220-260HBW，淬透性为J5点硬度≥43HRC，优选≥45HRC。

6.根据权利要求3至4中任一项所述的贝氏体非调质钢型材，其特征在于，在将所述贝氏体非调质钢型材于850-900℃的温度下保持8-15小时，并在空气中以0.5-0.8℃/秒冷却速度冷却到室温后，检测到所述型材具有以下性能：

组织为面积>90％的贝氏体和面积<10％的马氏体以及不超过5％的铁素体，和/或

晶粒度为≥5级，和/或

硬度为至少32.5HRC，优选至少35HRC，和/或

屈服强度为≥700MPa，和/或

拉伸强度为≥1000MPa，和/或

延伸率为≥12％，和/或

面缩率为≥30％。

7.一种贝氏体非调质钢制品，其由根据权利要求3至6中任一项所述的贝氏体非调质钢型材制备。

8.根据权利要求7所述的贝氏体非调质钢制品，其由包括以下步骤的方法制备：

步骤a：根据所述贝氏体非调质钢制品的形状，将根据权利要求3至6中任一项所述的贝氏体非调质钢型材进行锻造以形成锻造毛坯；

步骤b：将得自步骤a的锻造毛坯进行退火处理；

步骤c：将得自步骤b的经退火处理的锻造毛坯进行机加工以形成贝氏体非调质钢制品毛坯；和

步骤d：对得自步骤c的贝氏体非调质钢制品毛坯进行渗碳处理、空冷和回火处理以形成所述贝氏体非调质钢制品。

9.根据权利要求8所述的贝氏体非调质钢制品，其特征在于，

在所述步骤a中，所述锻造是在850-900℃的温度下进行的；和/或，

在所述步骤b中，所述退火处理包括使所述锻造毛坯在700-740℃的温度下保持3-8小时，然后以25-35℃/小时的冷却速度冷却到350℃以下；和/或，

所述贝氏体非调质钢制品为贝氏体非调质钢齿轮。

10.根据权利要求8或9所述的贝氏体非调质钢制品，其特征在于，在所述步骤d中，

所述渗碳处理包括：使所述贝氏体非调质钢制品毛坯在渗碳介质中于850-900℃的温度下保持8-15小时；和/或，

所述空冷包括使经过渗碳处理的制品毛坯在空气中以0.5-0.8℃/秒的冷却速度冷却至室温；和/或，

所述回火处理包括使经过空冷的制品毛坯在300-450℃的温度下保持6-10小时并冷却到室温。