CN1478916A - Mn-Re系高强韧性空冷贝氏体钢及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本成果获得一种汽车齿轮用新型微变形渗碳钢及热加工工艺。通过采用Mn－Si为主加元素再添加微量或少量其它元素，使该钢经渗碳后空冷表面即可获得高的表面硬度HRC 58～63，心部硬度HRC 34～43。表层组织为马氏体+过渡形态的贝氏体和部分残留奥氏体，心部为贝氏体。表层硬度梯度平缓、无块状和网状碳化物，从而获得高的耐磨性和接触疲劳性能，心部具有高的强韧性。由于渗碳后采用缓冷，不进行淬火和回火处理，因而这种齿轮无淬火变形开裂、尺寸精度高、热加工工艺简单，加工成本低，同时还避免了淬火介质带来的环境污染。
Description
技术领域：本发明是一种Mn-Re系高强韧性空冷贝氏体钢及其制造工艺，属于冶金技术的领域。
技术背景：大量的研究已经表明：一些过渡形态的贝氏体组织较同强度下的马氏体具有较高的韧性和疲劳性能，并能简化热处理工艺、在大截面上能获得均匀一致的贝氏体组织，淬透性高，在缓冷条件下消除了淬火裂纹、减少了变形，因而在工业领域开始得到广泛应用；现行贝氏体钢主要有三大类，一类是Si-Mn-Mo系，即以Si、Mn、Mo为主加元素再添加各种其它元素组成，在空冷条件下具有很高的淬透性，经过中温回火后可获得优异的强韧性，冶炼工艺稳定；第二类是Cr-Ni-Mo-B系，这种贝氏体钢含有较高的Cr、Ni和Mo，它们均要添加贵重元素Mo或Cr和Ni等使合金成本较高，并且要经低中温回火后才能获得良好的强韧性配合；第三类是低中碳Mn-B系空冷贝氏体钢，这类钢成本低，但冶炼工艺不太稳定，强韧性不如前两类好。
发明内容：本发明的目的在于：提供一种Mn-Re系高强韧性空冷贝氏体钢及其制造工艺，获得一种成本低廉、工艺简单、性能优异的贝氏体钢代替现行的调质钢；得到的新型贝氏体钢是以Mn、Re与Si配合不含Mo、Ni等贵重元素，因而不仅材料成本低廉，而且在空冷条件下能获得较高淬透性和高强韧性；本发明是这样构成的：Mn-Re系高强韧性空冷贝氏体钢，以C、Mn、Re、Si为主加合金元素，化学成分(重量百分数)范围为：C0.1～0.35、Mn2.0～3.0、Si0.5～1.8、Re 0.01～0.2，其余为Fe；钢中还可以含有一种或一种以上的元素如下(重量百分数)：
V0.03～0.1、Cr0.1～0.6、W0.03～0.3、Nb0.01～0.1
钢中的Cu、P、S、Al为杂质，按照重量百分比计算：其中Cu＜0.2、P＜0.03、S＜0.012、Al＜0.1。这种Mn-Re系高强韧性空冷贝氏体钢的制造工艺，对熔炼过程前期和中期进行良好的脱氧和脱硫，然后按常规工艺及给定的比例加入合金元素，熔炼温度1600～1650℃，浇铸温度1570℃～1620℃，
锻轧工艺：始锻温度1100～1200℃，终锻温度＞850℃，锻造比＞4，锻造后缓冷或直接空冷；预备热处理：680～720℃加热后，随炉冷却或空冷，硬度范围HB220～290，HRC18～26，加工成形后进行热处理，正火热处理工艺：880～920℃加热后空冷即可使用，渗碳热处理工艺：渗碳温度900℃～930℃，碳势控制在0.9％～1.1％C，渗碳后直接出炉空冷或降温出炉空冷；对于需要切削加工的零件，可在锻轧后进行高温回火，对于不需要切削加工的零构件可在锻造成形后直接使用。
本发明钢通过以锰Mn、混合稀土Re为主加元素，再添加非碳化物形成元素硅Si，提供了一类高强韧性的空冷贝氏体钢；该钢经奥氏体化后直接空冷后可获得很高的强韧性和淬透性，可应用于轴类、齿轮、及各种零构件代替现行调质钢；由于该钢不经淬火回火处理，因而零件的变形小、热加工工艺简单，材料和热加工成本低，同时还具有优异的力学性能。
本发明提供的钢中各元素的作用是这样的：
Mn：是提高淬透性的主要元素，同时还有降低贝氏体转变温度提高强度的作用。可根据零构件的尺寸对Mn量进行调整。
Si：在钢中Si起到抑制碳化物从奥氏体中析出，避免贝氏体形成时析出碳化物，从而提高强韧性，Si也能增加淬透性和强化贝氏体铁素体，使心部强度增加，Si元素降低碳的浓度梯度，在奥氏体状态还有促进碳扩散作用。
Re：加入少量的混合稀土合金Re与Si、Mn配合可显著提高淬透性，在较大冷速范围获得过渡形态的贝氏体，并且可以起到细化奥氏体晶粒、大幅度提高钢在空冷条件下的冲击韧性，在冶炼过程中，进行良好的脱氧、脱硫，同时控制好易于与Re结合的其它元素便能使较多的Re元素固溶到奥氏体中。
V、Cr、W、Nb：这些元素与上述元素配合可进一步细化晶粒，增加淬透性，并提高钢的强韧性。
主要性能指标：空冷条件下的力学性能可在如下范围调整：
HRC28～50，强度及塑性：σb＝900～1600MPa，σ0.2＝600～1200MPa
δ5＝10～25％，Ψk＝40～60％，冲击韧性ak＝70～130J/cm2
900℃空冷在小于Φ50mm直径的轴类零件心部硬度可达HRC48
直径Φ120mm时截面硬度可在HRC33～42调整
900℃渗碳后空冷，表面硬度HRC58～63，心部硬度HRC33～44，
与现有技术相比：本发明的主要特点：1、本发明的钢制做的轴类零件经锻轧后空冷或重新加热后空冷获得的组织为束形态的非典型贝氏体或细小的岛状贝氏体组织，该组织在不回火的条件下可获得很高的强韧性；2、该钢制成的零件经渗碳后空冷，表层组织为马氏体+过渡形态的贝氏体和少量残留奥氏体，心部主要是贝氏体，表层硬度梯度平缓，无块状和网状碳化物，从而可获得高的耐磨性和接触疲劳性能，心部也具有很高的强韧性，在获得高表面硬度(HRC58～63)的同时，还可减少变形、无淬火开裂等缺陷，使零件的的尺寸精度提高；3、本发明钢的成分元素少、不含Mo、Ni等贵重元素，材料成本低廉，冶炼工艺简单，同时在不回火的条件下具有优良的强韧性。
本发明钢与现行调质钢性能比较如下：
本发明钢：(900℃空冷)、40Cr、30CrMnSi：880℃淬火500℃回火
钢号 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ5(％) Ψk(％) ak(J/cm2) HRC
40Cr 1100 985 8.5 45 50 35
30CrMnSi 1250 1050 11 52 65 37
本发明钢 1240 980 13 57 110 37
本发明钢与现行渗碳钢性能比较如下：
(20CrMnTi 900℃淬火200℃回火，本发明钢900℃空冷)
钢号 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ5(％) Ψk(％) akJ/cm2)
20CrMnTi 1200-1350 850-1050 10-12 55-58 57-74
本发明钢 1150-1450 820-1000 13-18 45-57 65-120
渗碳4小时 HRC(表)HRC(心)渗层深度(mm)
20CrMnTi(渗碳淬火后200℃回火) 58-62 35-45 0.8～1.0
本发明钢(900℃渗碳空冷) 58-63 34-42 1.1～1.3
上述性能对比表明，在相同的强度条件下，本发明钢不经回火处理的冲击韧性显著高于40Cr、30CrMnSi、20CrMnTi，渗碳性能优异，在同条件下渗速高于20CrMnTi。
碳浓度分布：渗碳温度900℃ 4小时
钢号碳浓度 (距表0.1mm) (距表面0.5m) (距表面0.9mm)
20CrMnTi 1.0％ 0.62％ 0.39％
本发明钢 0.8％ 0.7％ 0.60％
从碳浓度分布看本发明钢的碳浓度分布平缓，表面碳浓度低于20CrMnTi，在相同条件下具有较大的渗层深度，渗层碳浓度分布合理，有利于提高表面耐磨性能。
本发明的实施例1：C0.1、Mn2.0、Si0.5、Re0.01，其余为Fe。
本发明的实施例2：C0.35、Mn3.0、Si1.8、Re0.2，其余为Fe。
本发明的实施例3：C0.13、Mn2.7、Si1.2、Re0.08、其余为Fe。
本发明的实施例4：C0.32、Mn2.1、Si1.3、Re0.03、其余为Fe。
本发明的实施例5：C0.18、Mn2.3、Si1.0、Re0.07、V0.03、Cr0.1、W0.03、Nb0.01、其余为Fe、
本发明的实施例6：C0.2、Mn2.8、Si1.05、Re0.03、V0.1、Cr0.6、W0.3、Nb0.1、其余为Fe、
本发明的实施例7：C0.1、Mn3.0、Si0.5、Re0.2，W0.2、其余为Fe、
本发明的实施例8：C0.35、Mn2.0、Si1.8、Re0.01，Nb0.1、其余为Fe、
本发明的实施例9：C0.2、Mn2.5、Si1.0、Re0.01，V0.05、Cr0.3、其余为Fe、
本发明的实施例10：C0.3、Mn2.2、Si1.5、Re0.1，V0.07、Cr0.4、W0.2、其余为Fe、
本发明的实施例11：C0.35、Mn3.0、Si1、Re0.2，Cr0.6、W0.3、Nb0.1、其余为Fe、
本发明的实施例12：C0.1、Mn2.0、Si1.8、Re0.2，W0.3、Nb0.1、其余为Fe、
本发明的实施例13：C0.22、Mn2.5、Si1.3、Re0.03、V0.06、其余为Fe
本发明的实施例14：、C0.24、Mn2.3、Si1.0、Re0.12、V0.05、其余为Fe
本发明的实施例15：C0.28、Mn2.3、Si1.7、Re0.05、V0.09、Cr0.4、其余为Fe
对于实施例的制造工艺是：对熔炼过程前期和中期进行良好的脱氧和脱硫，然后按常规工艺及给定的比例、及原料加入合金元素，熔炼温度1600～1650℃，浇铸温度1570℃～1620℃，锻轧工艺：始锻温度1100～1200℃，终锻温度＞850℃，锻造比＞4，锻造后缓冷或直接空冷；预备热处理：680～720℃加热后，随炉冷却或空冷，硬度范围HB220～290，HRC18～26，加工成形后进行热处理，正火热处理工艺：880～920℃加热后空冷即可使用，渗碳热处理工艺：渗碳温度900℃～930℃，碳势控制在0.9％～1.1％C，渗碳后直接出炉空冷或降温出炉空冷；对于需要切削加工的零件，可在锻轧后进行高温回火，对于不需要切削加工的零构件可在锻造成形后直接使用。
Claims (6)
1、一种Mn-Re系高强韧性空冷贝氏体钢，其特征在于：以C、Mn、Re、Si为主加合金元素，化学成分(重量百分数)范围为：C0.1～0.35、Mn2.0～3.0、Si0.5～1.8、Re0.01～0.2，其余为Fe。
2、按照权利要求1所述的Mn-Re系高强韧性空冷贝氏体钢，其特征在于：钢中还可以含有一种或一种以上的元素如下(重量百分数)：
V0.03～0.1、Cr0.1～0.6、W0.03～0.3、Nb0.01～0.1
3、按照权利要求1、2所述的Mn-Re系高强韧性空冷贝氏体钢，其特征在于：钢中的Cu、P、S、Al为杂质，按照重量百分比计算：其中Cu＜0.2、P＜0.03、S＜0.012、Al＜0.1。
4、一种Mn-Re系高强韧性空冷贝氏体钢的制造工艺，其特征在于：对熔炼过程前期和中期进行良好的脱氧和脱硫，然后按常规工艺及给定的比例加入合金元素，熔炼温度1600～1650℃，浇铸温度1570℃～1620℃，锻轧工艺：始锻温度1100～1200℃，终锻温度＞850℃，锻造比＞4，锻造后缓冷或直接空冷。
5、按照权利要求4所述的这种Mn-Re系高强韧性空冷贝氏体钢的制造工艺，其特征在于：预备热处理：680～720℃加热后，随炉冷却或空冷，硬度范围HB220～290，HRC18～26，加工成形后进行热处理，正火热处理工艺：880～920℃加热后空冷即可使用，渗碳热处理工艺：渗碳温度900℃～930℃，碳势控制在0.9％～1.1％C，渗碳后直接出炉空冷或降温出炉空冷。
6、按照权利要求4、5所述的这种Mn-Re系高强韧性空冷贝氏体钢的制造工艺，其特征在于：对于需要切削加工的零件，可在锻轧后进行高温回火，对于不需要切削加工的零构件可在锻造成形后直接使用。
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