CN104451408B

CN104451408B - 一种中碳超高强贝氏体钢及其制备方法

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Publication number: CN104451408B
Application number: CN201410729877.4A
Authority: CN
Inventors: 余伟; 徐士新; 张昳; 陈银莉; 陈雨来
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-12-04
Also published as: CN104451408A

Abstract

本发明公开了一种中碳超高强度贝氏体钢，其化学成分的质量百分比为C：0.28～0.5％，Si：1.0～1.7％，Mn：1.8～3.0％，Cr：1.0～1.6％，Mo：0～0.3％，Co：0～0.5％，Al：0.6～1.3％，P：≤0.015％，S：≤0.01％，N：≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。按照上述成分冶炼、浇铸所得坯料经1150～1200℃均热后加工至所需尺寸，再经完全奥氏体化加热后快速冷却至等温温度，在250～270℃和280～300℃区间交替等温处理，交替周期0.1～1小时，处理3‑24小时然后空冷至室温。本发明的贝氏体钢生产成本低、易焊接、抗延迟断裂、综合性能优异。

Description

一种中碳超高强贝氏体钢及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种中碳超高强度贝氏体钢及其制备方法。

背景技术

钢材的强度随着碳含量的增加而提高，但其塑韧性严重下降，如何实现强度和塑韧性的良好配比，已成为钢材发展的重要课题。更多的研究发现，在相同的碳当量条件下，具有贝氏体组织的钢具有更好的抗延迟断裂性能、疲劳强度、断裂韧性和伸长率。因此在同碳当量条件下，贝氏体钢具有比马氏体组织钢或贝氏体/马氏体复相钢更长的使用寿命和更高的应用安全系数。对于具有板条贝氏体铁素体的贝氏体钢，板条宽度细化到纳米尺度是提高其强度的重要途径。

Mawella等人(美国专利US 6884306B1)公开的一种Fe-C(0.6～1.1％)-Si(1.5～2.0％)-Mn(1.8～4.0％)-Cr(1.2～1.4％)-Ni(0～3％)-Mo(0.2～0.5％)-V(0.1～0.2％)合金系的高碳钢，在高温长时间均匀退火后，经奥氏体化在略高于Ms温度进行1～3周时间的等温处理，可获得纳米级尺寸的贝氏体铁素体+残余奥氏体结构的无碳化物贝氏体，这样的结构可达到良好的综合性能，具有超高强度和较高的断裂韧性。除此之外，英国国防部(中国发明专利CN 102112644A)也利用Fe-C(0.6～1.1％)-Si(1.5～2.0％)-Mn(0.3～1.8％)-Cr(1.0～1.5％)-Ni(0～3％)-Mo(0.2～0.5％)-V(0.1～0.2％)合金系的高碳钢通过长达100h的等温过程制备出抗拉强度达到2048MPa的超高强钢，等温时间70h，但其室温冲击韧性仅为4～7J。为获得纳米贝氏体组织，上述两种方法都存在钢中含碳量较高、热处理等温时间过长的缺点，一方面直接导致冲击韧性降低，焊接性能恶化，另一方面，其工艺不利于工业生产。

目前，贝氏体钢加速获得纳米板条组织的办法有多种：

方法1：中国发明专利CN 102112644A在含C(0.6～1.1％)高碳钢向钢中添加了约1.5％的Co元素和1％的Al元素，缩短等温处理时间。

方法2：中国发明专利CN 103468906A利用高碳钢(Fe-0.91％C-1.65％Si-2.07％Mn-1.26％Cr-0.25％Mo-0.08％V-0.06％Nb)在贝氏体转变前进行温轧处理，来增大位错密度，使得贝氏体形核位置增多，加速贝氏体转变。

方法3：利用高碳钢(Fe-0.79％C-1.56％Si-1.98Mn-1.01Cr-0.24Mo-1.51％Co-1.01％Al)在贝氏体转变期间施加一定时间的应力(拉应力或压应力)来加速贝氏体转变，但这种方式对钢材的夹持方式有严格的要求，不利于大规模的工业生产。

方法4：通过降低奥氏体化温度和缩短奥氏体化时间，使得奥氏体晶粒尺寸细化，为贝氏体转变提供了更多的形核位置，使得贝氏体相变加速。

上述方法在化学成分设计中碳含量高，贵合金(Nb、V、Co、Ni)元素含量高，热处理时间过长，导致制备工艺复杂，合金及生产成本高，不利于工业化生产与规模应用。

为了快速获得贝氏体，还可以通过合金元素发挥作用：

C:降低碳元素含量可使贝氏体转变区左移，缩短贝氏体相变孕育期，但过分降低碳含量会导致Ms点显著升高，贝氏体组织粗化，且过低的碳含量会使得碳间隙固溶强化作用下降，导致钢的强度显著降低。降低碳元素含量可以提高钢的焊接性能。

Si：非碳化物合金元素，Si在渗碳体中的溶解度极低，从而扩大了残余奥氏体稳定区，使得可以形成贝氏体铁素体和残余奥氏体的混合物；加入适量的Si元素有利于无碳化物贝氏体的形成

Co：非碳化物合金元素，可增加γ-Fe→α-Fe的自由能，使贝氏体相变区左移，缩短贝氏体相变孕育期，提高贝氏体相长大速率。但Co元素价格较为昂贵，不利于大规模的工业生产。

Al：增加γ-Fe→α-Fe的自由能，也可使贝氏体相变区左移，而且Al元素在碳化物中的溶解度较低，能够进一步抑制碳化物的析出，Al元素的增加进而可适当减少Si元素含量，可使钢材进一步降低合金成本。

为了获得具有纳米板条宽度的高强度贝氏体钢，还需要添加如下合金元素：

Mn：锰增加贝氏体钢的淬透性，提高钢的强度和韧性。

Cr：Cr元素主要是用来增加贝氏体钢的淬透性，Cr元素可扩大CCT曲线中贝氏体转变区，提高过冷奥氏体的稳定性。

Mo：Mo能抑制贝氏体相变，使得贝氏体相变开始与终止温度都降低；Mo可以在贝氏体铁素体和碳化物之间发生再分配，使相变过程减缓。

为控制高强度贝氏体钢的力学性能，需要控制S、P等元素的残留：

S：硫在钢中易形成FeS和MnS夹杂，产生热脆现象，显著降低钢的韧性，因此，应尽量降低钢中的硫含量；

P：磷在钢中常偏聚于晶界，破坏基体的连续性，显著降低钢的韧性，使焊接性能变坏，易产生冷脆，因此，应尽量降低钢中的磷含量。

发明内容

本发明的目的是提高超高强度贝氏体钢可焊接性，降低合金成本和热加工制备成本，利于生产与应用。

本发明的中碳超高强度贝氏体钢，其化学成分按质量百分比为C：0.28～0.5％，Si：1.0～1.7％，Mn：1.8～3％，Cr：1.0～1.6％，Mo：0～0.3％，Co：0～0.5％，Al：0.6～1.3％，P：≤0.015％，S：≤0.01％，N：≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明的具体步骤如下：

1)按照上述化学成分进行冶炼，然后浇铸成坯料；

2)在1150～1200℃保温后热加工成所需尺寸钢材；

3)在将钢材在完全奥氏体化加热保温化后，快速冷却至等温处理温度，在250～270℃和280～300℃温度区间交替等温处理，交替周期0.1～1小时，处理3-24小时然后空气冷却至室温。

本发明的有益效果：

1)相比Mawella、英国国防部等所述的超高强钢，在保证超高强度的同时，较大幅度的提高了延伸率和降低了碳含量，碳的质量百分比降低约为0.2％～0.7％，使得焊接性和韧性大幅提高，热处理时间也大幅缩短；

2)具有优异的综合力学性能，抗拉强度达1500～1900MPa，延伸率12％～15％，U缺口室温冲击功53～90J；

3)大幅度降低了钢中贵合金元素，其成本仅为马氏体时效钢的1/90；

4)本发明的中碳贝氏体超高强钢，可用作高强度机械构件，如轻量化汽车用钢板、装甲板、防弹钢盔和非调质轴类零件等产品。

具体实施方式

本发明采用对比钢1(专利CN 102112644A高碳钢)、对比钢2(CN 103451549A高碳钢)、作为对比钢，其化学成分如表1所示。

表1 钢的化学成分(质量分数，％)

将钢坯在1150～1200℃保温后将钢坯加工成所需尺寸钢材，并加热至850～1000℃奥氏体化，并分别在250～270℃和280～300℃温度区间交替等温处理，交替周期0.1～1小时，再空冷至室温。

不同成分对应的力学性能如表2所示。

表2 力学性能

Claims

1.一种中碳超高强度贝氏体钢的制备方法，其特征在于各化学成分的质量百分比为C：0.28～0.5％，Si：1.0～1.7％，Mn：1.8～3％，Cr：1.0～1.6％，Mo：0～0.3％，Co：0～0.5％，Al：0.6～1.3％，P：≤0.015％，S：≤0.01％，N：≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质；

制备步骤如下：按照所述化学成分进行冶炼、浇铸；所得钢坯在1150～1200℃均热后，加工至所需尺寸钢材，再经完全奥氏体化加热保温后，快速冷却至等温处理温度，在250～270℃和280～300℃温度区间交替等温处理，交替周期0.1～1小时，处理3-24小时然后空气冷却至室温；钢组织为纳米级宽度的板条贝氏体，抗拉强度1500～1900MPa，伸长率12％～15％，U型缺口室温冲击功为53～90J。