专利名称：一种纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种合金钢的制备方法。
背景技术：
作为结构材料而大量使用的钢，随着含碳量的增加其强度增高，但韧性和塑性降低。如何实现钢的强度和韧性或塑性的同步提高，已成为提高其使用性能和挖掘其使用潜能的重要课题。传统低合金高碳钢一般用于制造刃具、量具和冷作模具，其强化的热处理工艺主要为淬火+低温回火，热处理后获得回火马氏体组织，具有高强度和高硬度，但其韧性和塑性较低。如果提高回火温度，虽可以提高韧性和塑性，但强度和硬度会大大降低。Bhadeshia等人(美国专利 US6884306)发明了一种贝氏体钢一 Si-Mn-Cr-Ni-Mo-V 合金化的高碳钢(含碳量重量百分比为0. 6^1. 1)，铸锭缓冷后进行高温长时间均勻化退火， 然后经奥氏体化后在稍高于该钢马氏体转变温度进行长时间(广3星期)的过冷奥氏体低温等温贝氏体转变，获得了由纳米级厚度的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的纳米结构无碳化物贝氏体组织，并具有超高强度和较高的断裂韧性，以及较好的压缩塑性。但因其是铸态组织进行的热处理，拉伸塑性和Charpy缺口试样冲击功很低。而且由于等温转变速度极为缓慢，其用于工业生产的周期长、效率低。后来在此Si-Mn-Cr-Ni-Mo-V合金化的高碳钢中又通过单独添加Co或复合添加Co和Al，来加速等温贝氏体转变(ISIJ International, 2003, Vol. 43，p. 1821)。中国发明专利 CN101693981B 公开一种高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢的制备方法，即在高碳钢中添加Mn、Cr、Si、Al、W进行合金化， 铸锭热轧成板坯消除铸造缺陷，热轧板坯直接在盐浴中等温贝氏体转变，得到由纳米级厚度的板条状贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的纳米结构无碳化物贝氏体组织，从而保证在获得高强度的同时还获得较高塑性和韧性，但其含碳量高，势必使钢的焊接性和冲击韧性较差，限制了其作为结构钢的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳含量降低、成本降低、可焊性和冲击韧性提高的纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的制备方法。本发明的纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其化学成分按重量百分比为C 0. 48 0. 52，Si 1. 2 1. 3，Mn 1. 7 1. 9，Al 1. (Tl. 4，Cr 1. 6 1. 8，Ni 0. 5 0. 6，W 1. 9 2. 3， Ρ<0· 02，S<0. 02，余量为 Fe。上述合金钢的制备方法如下
(1)熔炼用真空感应炉对上述成分的中碳合金钢进行熔炼，真空度ο.Γ0. 6 Pa、温度 1520^1560 ° C、熔炼时间0.5 1.0 h，将上述成分的钢水浇铸成钢锭，缓冷至室温；
(2)锻造将铸锭加热至1180 1220° C保温9 11 h出炉，在1140 1160 ° C开始锻造，终锻温度为980 1020 ° C，锻后缓冷至室温；
(3)压缩变形以8 12° C/s加热到980 1020 ° C保温4 6 min，以奥氏体化，再以18 25 ° C/s冷却到过冷奥氏体温区590 610 ° C，再以应变速率0.01 s—1进行50%压下量的压缩变形，然后以If 25 ° C/s冷却到稍高于马氏体转变开始温度22(Γ235 ° C等温保持2. 5^3. 5 h，再空冷到室温，制备出纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其微观组织由平均厚度为5(T70 nm的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。本发明与现有技术相比具有如下优点
1、碳含量有较大幅度降低(降低重量百分比0. Γ0. 6)，这不但有利于提高可焊性和冲击韧性，获得良好的综合力学性能，而且也会缩短处理周期。2、钢中不含价格昂贵的合金元素Co、Ni、Mo、V，能较大幅度地降低材料成本。
图1是本发明实施例1获得的纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的微观组织的扫描电镜图。图2是本发明实施例2获得的纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的微观组织的扫描电镜图。
具体实施例方式实施例1
用25 kg真空感应炉在真空度0. 1 1 和温度1520 ° C下熔炼中碳合金钢，熔炼0.5 h后浇铸成直径100 mm的圆柱形钢锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为C 0. 52， Si 1. 26，Mn 1. 8，Al 1. 28，Cr 1. 8，Ni 0. 5，W 2. 3, P 0. 012，S 0. 010，余量为 Fe。将铸锭加热到1200 ° C保温10 h，出炉在1140 ° C开始锻造，锻造成直径为30 mm的棒料，终锻温度为980 ° C，锻后缓冷至室温；将锻造棒料加工成直径为10 mm、高为20 mm的圆柱，并用热机械模拟试验机以8 ° C/s加热到980 ° C，保温4min，以25 ° C/s的冷却速度快速冷却到590 ° C，立即以应变速率0.01 s—1进行50%压下量的压缩变形，然后以20 ° C/ s的冷却速度快速冷却到220 ° C等温保持3. 5 h，再空冷到室温，制备出纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其微观组织由平均厚度为50 nm的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。实施例2
用25 kg真空感应炉在真空度0.3 1 和温度1540 ° C下、熔炼中碳合金钢，熔炼0. 7 h后浇铸成直径100 mm的圆柱形钢锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为C 0.48， Si 1. 3，Mn 1. 9，Al 1. 0，Cr 1. 7，Ni 0. 55, W 2. Ι,Ρ 0. 012，S 0. 010，余量为 Fe。将铸锭加热到1180 ° C保温11 h，出炉在1160 ° C开始锻造，锻造成直径为30 mm的棒料，终锻温度为1020 ° C，锻后缓冷至室温；将锻造棒料加工成直径为10 mm、高为20 mm的圆柱，并用热机械模拟试验机以10 ° C/s加热到1020 ° C，保温5min，以18 ° C/s的冷却速度快速冷却到610 ° C，立即以应变速率0.01 s—1进行50%压下量的压缩变形，然后以25 ° C/ s的冷却速度快速冷却到235 ° C等温保持2. 5 h，再空冷到室温，制备出纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其微观组织由平均厚度为70 nm的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。实施例3用25 kg真空感应炉在真空度0. 6 Pa和温度1560 ° C下熔炼中碳合金钢，熔炼1. 0 h后浇铸成直径100 mm的圆柱形钢锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为C 0.5， Si 1.2，Mn 1.7，Al 1. 4, Cr 1. 6，Ni 0. 6, W 1. 9，P 0. 012，S 0.010，余量为 Fe。将铸锭加热到1220 ° C保温9 h，出炉在1150 ° C开始锻造，锻造成直径为30 mm的棒料，终锻温度为1000 ° C，锻后缓冷至室温；将锻造棒料加工成直径为10 mm、高为20 mm的圆柱，并用热机械模拟试验机以12 ° C/s加热到1000 ° C，保温6min，以20 ° C/s的冷却速度快速冷却到600 ° C，立即以应变速率0.01 s—1进行50%压下量的压缩变形，然后以18 ° C/ s的冷却速度快速冷却到228 ° C等温保持3 h，再空冷到室温，制备出纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其微观组织由平均厚度为60 nm的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。
权利要求
1.一种纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其特征在于其化学成分按重量百分比为C 0.48、. 52，Si 1.2 1.3，Mn 1. 7 1. 9，Al 1. (Tl. 4，Cr 1. 6 1. 8，Ni 0. 5 0. 6，W 1. 9 2. 3，Ρ<0· 02，S<0. 02，余量为 Fe。
2.上述纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的制备方法，其特征在于(1)熔炼用真空感应炉对上述成分的中碳合金钢进行熔炼，真空度0.Γ0. 6 Pa、温度 1520^1560 ° C、熔炼时间0.5 1.0 h，将上述成分的钢水浇铸成钢锭，缓冷至室温；(2)锻造将铸锭加热至1180 1220° C保温9 11 h出炉，在1140 1160 ° C开始锻造，终锻温度为980 1020 ° C，锻后缓冷至室温；(3)压缩变形以8 12° C/s加热到980 1020 ° C保温4 6 min，以18 25 ° C/s冷却到59(Γ610 ° C，再以应变速率0.01 s—1进行50%压下量的压缩变形，然后以18 25 ° C/ s冷却到22(Γ235 ° C等温保持2. 5^3. 5 h，再空冷到室温。
3.根据权利要求1所述的一种纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其特征在于该纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的微观组织由平均厚度为5(T70 nm的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。
全文摘要
一种纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其化学成分按重量百分比为C 0.48~0.52，Si1.2~1.3，Mn1.7~1.9，Al1.0~1.4，Cr1.6~1.8，Ni0.5~0.6，W1.9~2.3，P<0.02，S<0.02，余量为Fe；其制备方法是用真空感应炉熔炼上述成分的中碳合金钢，浇铸成钢锭后缓冷至室温；加热并保温，出炉后开始锻造，锻后缓冷至室温；再加热奥氏体化后快速冷却到过冷奥氏体温区，立即以应变速率0.01s-1进行50%压下量的压缩变形，然后快速冷却到稍高于马氏体转变开始温度进行等温转变，再空冷到室温。本发明合金钢的碳含量比高碳钢有较大幅度降低，不但有利于提高可焊性和冲击韧性，而且缩短处理周期，材料成本低。
文档编号C21D8/00GK102321852SQ20111025520
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者张淼, 张福成, 王天生 申请人:燕山大学