CN107630123A - 一种无碳化物贝氏体钢组织制备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种无碳化物贝氏体钢组织制备的方法，将钢加热完全奥氏体化后快速冷却至Ms点稍下的温度短时间等温，再升温至Ms点稍上的温度进行等温，然后再冷却至Ms点稍下的温度短时间等温后，再升温至Ms点稍上的温度进行等温，如此进行1～3次由Ms点稍下温度短时间等温后升温至Ms点稍上的温度等温的过程，最后再冷却到室温。可该方法可明显减少无碳化物贝氏体组织转变的时间，并方便控制其转变量、细化尺寸及马氏体含量，通过调整其工艺参数可改善不同合金成分无碳化物贝氏体钢的力学性能，达到理想的强度和韧性配合，有利于工业化生产。

Description

一种无碳化物贝氏体钢组织制备的方法

技术领域

本发明涉及一种钢组织制备的方法，特别是涉及一种无碳化物贝氏体钢组织制备的方法。

背景技术

近年研究人员为改善贝氏体钢的力学性能，使其提高强度又改善塑性和韧性，对钢中贝氏体组织转变和组织形态进行了深入研究，通过改变钢的化学成分和等温热处理工艺，制备出以无碳化物贝氏体组织为主的无碳化物贝氏体钢，这种钢的力学性能明显好于传统的下贝氏体钢。无碳化物贝氏体的组织形态对力学性能影响较大，超细化尤其是纳米尺寸的无碳化物贝氏体可使钢获得高强度和较高韧性，其组织制备的热处理工艺一般是将钢奥氏体化后快速冷却至Ms点（马氏体转变开始温度）稍上温度进行等温转变，但要在这一温度区域获得大量的无碳化物贝氏体需要较长的时间，等温温度越低（即越接近Ms点），获得的无碳化物贝氏体组织越细小，所需的转变时间就越长，往往需要几十小时甚至几周时间，这给无碳化物贝氏体钢的生产带来困难。

专利US6884306B1公开了一种纳米级尺寸的Fe-C-Si-Mn-Cr-Ni-Mo-V无碳化物贝氏体钢，具有高强度和高断裂韧性，其热处理工艺为奥氏体化后在略高于Ms点温度进行1～3周时间的等温处理；CN102112644A提出的纳米级高碳无碳化物贝氏体钢需要长达400小时的等温过程制得，可见无碳化物贝氏体钢存在无碳化物贝氏体等温转变时间过长的缺点。

为加快钢的无碳化物贝氏体等温转变时间，CN102321852B将钢先在过冷奥氏体温区 590～610℃进行50%压下量的压缩变形，然后在稍高于Ms点温度等温保持2.5～3.5h可得到大量50～70nm纳米结构无碳化物贝氏体，该方法可加速得到无碳化物贝氏体，但存在变形不均匀导致其转变不均匀和不利于规模化工业生产的不足。

专利CN104451408B提出可将钢奥氏体化后快速冷却并在250～270℃和280～300℃温度区间交替等温转变3～24小时得到无碳化物贝氏体，该方法是在贝氏体转变区的两个温度区间进行转变，工艺方便，但转变温度区间宽且转变温度高，会使转变的无碳化物贝氏体尺寸大小不均匀，此外利用微弱的热膨胀变化对无碳化物贝氏体转变促进作用有限，对其加速转变及组织细化作用较小。

此外，一些文献提出将钢奥氏体化后通过简单降温转变（非等温转变）来获得无碳化物贝氏体，如CN103160736B、CN104087852B、CN102628144A、CN103397273A，这些方法只能获得少量且尺寸不均匀无碳化物贝氏体及大量其它组织的混合组织，不能有效体现无碳化物贝氏体对力学性能的贡献。

力学性能好的细小均匀的无碳化物贝氏体一般是在接近Ms点稍上温度等温转变获得，但在该温度区的无碳化物贝氏体转变缓慢，如何缩短无碳化物贝氏体的等温转变，并获得以无碳化物贝氏体组织为主的无碳化物贝氏体钢，是重要的研究课题。

本发明提出了一种无碳化物贝氏体钢组织制备的方法，旨在保证无碳化物贝氏体细小均匀及良好力学性能基础上，缩短其转变时间，提高这种钢的生产效率。

发明内容

本发明提供的一种无碳化物贝氏体钢组织制备的方法，是将钢加热完全奥氏体化后，以冷奥氏体不发生分解的冷却速度冷却至Ms点（马氏体转变开始温度）稍下的温度短时间等温，再升温至Ms点稍上的温度进行等温，然后再冷却至Ms点稍下的温度短时间等温后，再升温至Ms点稍上的温度进行等温，如此进行1～3次由Ms点稍下温度短时间等温后升温至Ms点稍上的温度等温的过程，最后再冷却到室温，即可获得以细小均匀无碳化物贝氏体组织为主的无碳化物贝氏体钢。

上述所说的冷却至Ms点稍下的温度是比Ms点低5～20℃的温度。这是利用Ms点稍下较小的变温区间获得少量马氏体，为随后在Ms点稍上温度的无碳化物贝氏体转变提供形核条件。

上述所说的冷却至Ms点稍下的温度短时间等温的时间以保证钢件心部能达到要求温度来确定，不同尺寸（厚度或直径）的钢件所需短时间等温的时间不同，这可通过传热检测或经验公式确定，对小于16mm的钢板来说，所需短时间等温的时间一般不超过10分钟。

上述所说的升温至Ms点稍上的温度是比Ms点高5～20℃的温度，其等温时间为4～15小时。这是利用预先转变的少量马氏体表面作为异质形核界面提高形核率，经测试，当等温转变4～6小时可得到50～70%含量的无碳化物贝氏体，等温转变7～10小时可得到70～90%含量的无碳化物贝氏体，等温转变超过10小时可得到90%以上含量的无碳化物贝氏体。

上述所说的进行1～3次由Ms点稍下的温度短时间等温后升温至Ms点稍上的温度等温过程是每次的Ms点稍下的温度值相同。由此增加进行次数，可进一步提高无碳化物贝氏体转变的形核率，可明显缩短无碳化物贝氏体转变时间，提高无碳化物贝氏体在钢中的含量。

上述所说的进行1～3次由Ms点稍下的温度短时间等温后升温至Ms点稍上的温度等温过程是后一次Ms点稍下温度比前一次Ms点稍下温度低1～10℃。当过冷奥氏体一部分转变为无碳化物贝氏体后，其化学成分会发生变化，使Ms点有所降低，为此逐次降低马氏体转变温度，可克服过冷奥氏体稳定性逐次提高带来的马氏体在Ms点稍下温度难以转变的不足，从而可进一步保证无碳化物贝氏体形核率。

上述所说的进行1～3次在Ms点稍上温度等温过程中的等温累积时间不超过10小时。

上述所说的完全奥氏体化是将钢中铁素体和碳化物完全转变为奥氏体且成分均匀，达到奥氏体均匀化。

进一步解释本发明原理，钢中贝氏体组织转变可在等温条件下发生，而马氏体组织转变是在连续冷却条件下形成。无碳化物贝氏体也是在等温条件下发生转变，其等温转变温度越低（越接近Ms点），获得的组织越细小（越接近纳米尺寸），力学性能越好，但转变孕育期时间随之延长，均质形核困难，转变量明显降低。本发明将钢完全奥氏体化后快速冷却至该钢的Ms点稍下温度短时间等温，奥氏体既可以生成数量有限的马氏体，为无碳化物贝氏体转变提供有效的异质形核条件，又可以控制马氏体转变量不会≥10%，在随后升温至Ms点稍上温度等温处理中，无碳化物贝氏体转变可在上述生成的马氏体基础上进行，从而促进了过冷奥氏体向无碳化物贝氏体转变，试验证明，本发明明显缩短了无碳化物贝氏体转变时间，提高了转变效率，同时还细化了无碳化物贝氏体组织，不但提高了钢的强度，同时也提高了钢的韧性。此外，在Ms点稍下温度转变的少量马氏体，不但可以在随后的Ms点稍上温度保温中促进无碳化物贝氏体转变，而且先转变的少量马氏体可在升温过程中产生排碳至过冷奥氏体中，使马氏体脆性降低，而大量的无碳化物贝氏体转变又使未转变的过冷奥氏体稳定性提高，又可有效抑制钢在冷却到室温时的马氏体转变，进一步改善脆性。

本发明的优点在于：

1）能够促进细小、均匀的无碳化物贝氏体组织转变，有效减少钢中残余奥氏体数量，提高钢的力学性能；

2）可以方便控制无碳化物贝氏体的细化尺寸及均匀性，减少最终马氏体含量，通过调整其工艺参数可改善不同合金成分无碳化物贝氏体钢的力学性能，达到理想的强度和韧性配合。

3）明显加快了无碳化物贝氏体转变时间，可在较短热处理工艺时间内获得90%以上的纳米尺寸无碳化物贝氏体含量的贝氏体钢，有利于工业化生产并可获得良好的综合力学性能。

附图说明

图1是本发明实施例1～2的无碳化物贝氏体钢热处理工艺曲线。

图2是本发明实施例3的无碳化物贝氏体钢热处理工艺曲线。

图3是用本发明实施例1～3获得的无碳化物贝氏体钢的X射线衍射检测图谱。

图4是用本发明获得的无碳化物贝氏体钢组织的透射电镜形貌，其中：a为实施例1的透射电镜形貌，b为实施例3的透射电镜形貌。

具体实施方式

本发明的实施例选用较典型的60Mn2SiCr无碳化物贝氏体钢板，钢板厚度为16mm，化学成分wt%：0.5~0.8C、1.5~2.0Si、1.5~2.0Mn、Cr0.5~1.0、S≤0.02、P≤0.01、其余Fe及不可避免杂质。用热膨胀仪检测并计算核实该钢的Ms点为253 ℃。

实施例1

参照图1，将钢样加热至Ac1以上的T1温度并保温，使其奥氏体均匀化，可设定T1=900℃并保温40分钟，然后快速放入T3=245℃的盐浴炉中停留t1=3分钟后（奥氏体化钢在该快速放入盐浴炉中的冷却速度可大于15/s），再放入T2=260℃的盐浴炉中进行等温12小时，然后空冷至室温。

实施例2

参照图1，将钢样加热至T1=910℃并保温30分钟，然后快速放入T3=235℃的盐浴炉中停留t1=1分钟后，再放入T2=270℃的盐浴炉中等温20小时，然后空冷至室温。

实施例3

参照图2，将钢样加热至T1=890℃并保温40分钟，然后短时间水冷至接近Ms点温度再送入T31=248℃空气炉中停留t31=6分钟后，再放入T2=260℃的空气炉中等温t21=2小时；随后进行第2次降温至Ms点稍下温度短时间等温再升温至Ms点稍上温度等温的降温升温工艺参数为：风冷降温并送入T32=245℃空气炉中停留t32=6分钟，再放入T2=260℃空气炉中等温t22=3小时；随后进行第3次的降温升温工艺参数为：风冷降温并送入T33=235℃空气炉中停留t33=6分钟，再放入T2= 260℃空气炉中等温t23=4小时，然后空冷至室温。

实施例4

参照图2，将钢样加热至T1=900℃并保温40分钟，然后短时间水冷至接近Ms点温度再送入T31=240℃空气炉中停留t31=10分钟后，再放入T2=265℃的空气炉中等温t21=4小时；随后再进行第2次的降温升温工艺参数与第1次的相同，随后空冷至室温。

通过X射线衍射仪检测获得实施例1～3钢样的衍射谱线为图3所示，利用该谱线可计算出残余奥氏体量，通过透射电子显微镜观察到实施例1和实施例3钢样的显微组织为图4所示（实施例2钢样的显微组织与之相似），另外测试了各实施例钢样的力学性能，并与现有方法（即钢奥氏体化后直接在260℃等温转变）对比，得出所检测的平均数据为下表所示：

	残余奥氏体wt%	贝氏体宽度nm	硬度 Hv	韧性J
					实施例1	5.70％	61.1	770	16.3
实施例2	4.81％	65.5	733	15.1
					实施例3	4.63％	60.8	775	15.6
实施例4	4.71％	62.6	756	15.2
					现有方法	7.99％	105.4	650	14.7

由表中看出，用本发明实施例制备出试样的残余奥氏体量明显减少，组织尺寸因形核增加而普遍减小，硬度明显提高，韧性也有提高。

Claims (5)

1.一种无碳化物贝氏体钢组织制备的方法，其特征是将钢加热完全奥氏体化后，以冷奥氏体不发生分解的冷却速度冷却至Ms点稍下的温度短时间等温，，再升温至Ms点稍上的温度进行等温，然后再冷却至Ms点稍下的温度短时间等温后，再升温至Ms点稍上的温度进行等温，如此进行1～3次由Ms点稍下温度短时间等温后升温至Ms点稍上的温度等温的过程，最后再冷却到室温。

2.如权利要求 1 所述的方法，其特征是所说的冷却至Ms点稍下的温度是比Ms点低5～20℃的温度。

3.如权利要求 1 所述的方法，其特征是所说的升温至Ms点稍上的温度是比Ms点 高5～20℃的温度，其等温时间为4～15小时。

4.如权利要求 1 所述的方法，其特征是所说的进行1～3次由Ms点稍下的温度短时间等温后升温至Ms点稍上的温度等温过程是每次的Ms点稍下的温度值相同。

5.如权利要求 1 所述的方法，其特征是所说的进行1～3次由Ms点稍下的温度短时间等温后升温至Ms点稍上的温度等温过程是后一次Ms点稍下温度比前一次Ms点稍下温度低1～10℃。