一種具有trip效應(yīng)的超細(xì)結(jié)構(gòu)貝氏體鋼及其制備方法
【專利摘要】一種具有TRIP效應(yīng)的超細(xì)結(jié)構(gòu)貝氏體鋼及其制備方法，屬于高強(qiáng)度、高塑性鋼領(lǐng)域?；瘜W(xué)成分質(zhì)量百分比為：C，0.30～0.60％；Si，2.00～3.00％；Mn，0.20～0.50％；Al，0.50～0.90％；P，≤0.06％；S，≤0.04％；其余為Fe及雜質(zhì)。采用電弧爐或感應(yīng)電爐冶煉，模鑄成鑄錠，經(jīng)過高溫鍛造的鍛坯進(jìn)行余熱熱處理，將高溫鍛坯裝入950℃熱處理爐中，保溫0.5～1.5小時(shí)后直接淬入300～400℃熔鹽中鹽浴保溫1～10個(gè)小時(shí)，等溫轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢有∮?00nm的貝氏體超細(xì)結(jié)構(gòu)，并含有一定數(shù)量的殘余奧氏體。本發(fā)明在變形過程中發(fā)生TRIP效應(yīng)，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到1400MPa以上，延伸率達(dá)到28％，大大提高綜合性能，強(qiáng)塑積達(dá)到39GPa％以上。
【專利說明】一種具有TRIP效應(yīng)的超細(xì)結(jié)構(gòu)貝氏體鋼及其制備方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1] 技術(shù)涉及到一種具有TRIP效應(yīng)的超細(xì)結(jié)構(gòu)貝氏體鋼及其制備工藝，屬于高強(qiáng)度、 高塑性鋼領(lǐng)域，其主要涉及到一種以超細(xì)結(jié)構(gòu)無碳化物貝氏體和殘余奧氏體為主體的貝氏 體鋼，貝氏體片層間距小于600nm，其在變形過程中發(fā)生TRIP效應(yīng)，提高其抗拉強(qiáng)度和延伸 率，從而大大提高其綜合性能。 【背景技術(shù)】
[0002] 氏體鋼是一種具有較高強(qiáng)度和良好韌性的鋼種，一直是鋼鐵材料界研究的重點(diǎn)。 20世紀(jì)30年代，美國人Bain等發(fā)現(xiàn)低合金鋼在中溫條件下，等溫可以獲得一種與高溫轉(zhuǎn)變 以及低溫轉(zhuǎn)變都不同的組織，該組織具有較高的強(qiáng)韌性能，之后被人們稱為貝氏體。50年 代，英國人Pickering等發(fā)明了 Mo-B系空冷貝氏體鋼，加入合金元素 Mo、B使鋼在比較寬的 連續(xù)冷卻速度范圍得到貝氏體組織，簡(jiǎn)化了加工工藝，但是Mo元素價(jià)格昂貴，轉(zhuǎn)變溫度高， 得到的組織粗大，產(chǎn)品強(qiáng)韌性比較差，使其發(fā)展受到了一定的限制。70年代，我國清華大學(xué) 方鴻生等研發(fā)出一種在正火狀態(tài)就可以獲得貝氏體組織的Mn-B系貝氏體鋼，Μη顯著降低 轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力，降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，細(xì)化晶粒尺寸，改善了韌性和強(qiáng)度。
[0003] 003年，英國劍橋大學(xué)Bhadeshia教授等人利用Si對(duì)碳化物析出的抑制作用研制 出了超級(jí)貝氏體鋼，這種貝氏體板條中間不是析出碳化物而是殘余奧氏體薄膜，這中貝氏 體鐵素體組織極為細(xì)小，其厚度小于l〇〇nm，這種鋼的亞微米超細(xì)貝氏體和少量馬氏體或殘 余奧氏體組織結(jié)構(gòu)決定了其超高強(qiáng)度和良好的韌性，其極限強(qiáng)度可以達(dá)到2. 5GPa，硬度為 600?700HV，斷裂韌性為30?40MPa · m1/2,由于其良好的性能，受到廣泛的關(guān)注。
[0004] hadeshia等人研發(fā)的這種納米貝氏體鋼雖然擁有良好的強(qiáng)度和韌性，但其加入了 大量Cr、Mo、V等貴合金元素，大大提高了其成本，而且制備工藝繁瑣，在等溫淬火前要經(jīng)過 長(zhǎng)時(shí)間的均勻化擴(kuò)散退火，空冷后進(jìn)行奧氏體化，之后在125?300°C鹽浴中等溫淬火，其 貝氏體轉(zhuǎn)變需很長(zhǎng)時(shí)間，少則幾天，多則長(zhǎng)達(dá)一月之久，制備時(shí)間過長(zhǎng)，大大增加了成本。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明的目的在于利用合金成分和制備工藝的優(yōu)化，生產(chǎn)一種具有TRIP效應(yīng)的超 細(xì)結(jié)構(gòu)貝氏體鋼，提1?鋼的綜合性能。
[0006] 達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] 種具有TRIP效應(yīng)的超細(xì)結(jié)構(gòu)貝氏體鋼及其制備工藝，該工藝適用的貝氏體鋼化 學(xué)質(zhì)量百分比如下：碳（C) 0· 30?0· 60 % ;硅（Si) 2. 00?3. 00 % ;錳（Μη) 0· 20?0· 50 % ; 鋁（Α1)0. 50?0. 90% ;磷（Ρ) < 0. 06% ;硫（S) < 0. 04% ;其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0008] 發(fā)明的制備工藝包括：按照化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱取原料，在電弧爐或感應(yīng)電爐 中進(jìn)行冶煉，模鑄成鑄錠；鑄錠在1200?900°C溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行鍛造，之后空冷至室溫；鍛 坯無需進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火，直接裝入950°C的熱處理爐中保溫0. 5?1. 5小時(shí)；均熱后，將 鍛坯取出并迅速投入到溫度為300?400°C鹽浴爐中，進(jìn)行低等溫?zé)崽幚?，保??10小 時(shí)，既保證貝氏體組織的轉(zhuǎn)變，又確保殘余奧氏體的含量及形態(tài)分布，以便在變形時(shí)發(fā)生 TRIP效應(yīng)，后將鍛坯取出空冷至室溫。
[0009] 發(fā)明的微觀組織由片層厚度小于600nm無碳化物貝氏體和殘余奧氏體組成，介穩(wěn) 的殘余奧氏體呈薄膜狀分布于片層貝氏體間隙，在變形過程中殘余奧氏體發(fā)生相變?cè)鏊苄?應(yīng)，提高強(qiáng)度和塑性。
[〇〇1〇] 發(fā)明通過合理設(shè)計(jì)合金成分，不添加 Cr、Mo、V元素等價(jià)格高昂的合金元素，優(yōu)化 制備工藝，合理選擇溫度，從成分和工藝兩方面降低成本。通過對(duì)工藝的優(yōu)化，納米貝氏體 鋼最終組織中含有大量的殘余奧氏體，并在變形時(shí)發(fā)生TRIP效應(yīng)，提高貝氏體鋼的強(qiáng)度和 延伸率，從而進(jìn)一步提升其綜合性能。 【專利附圖】

【附圖說明】：
[0011] 圖1為熱處理工藝示意圖。
[0012] 圖2為拉伸曲線圖。 【具體實(shí)施方式】
[0013] 面對(duì)本發(fā)明合金組成的數(shù)值限定的原因做詳細(xì)的說明。
[0014] 1)碳（C) :0· 30 ?0· 60% (重量）
[0015] 元素是本發(fā)明中保證獲得納米貝氏體組織的最基本元素，其作為強(qiáng)間隙固溶強(qiáng)化 元素，其固溶強(qiáng)化對(duì)提高強(qiáng)度至關(guān)重要，但過高的碳含量會(huì)降低焊接性能和沖擊韌性。C在 奧氏體中的溶解度很大，而在鐵素體中卻很小。它能減慢奧氏體中原子的擴(kuò)散速度，延長(zhǎng) 奧氏體轉(zhuǎn)變前的孕育期，從而減慢轉(zhuǎn)變速度，增加奧氏體的穩(wěn)定性，提高鋼的淬透性，因此C 含量的提高會(huì)使得原始奧氏體晶粒的穩(wěn)定性增強(qiáng)，降低貝氏體相變速率。另一方面，C的增 加不但降低了 Bs溫度和Ms溫度，而且可以使Bs溫度和Ms溫度之間的溫度差擴(kuò)大，這有利于 獲得納米貝氏體組織。
[0016] 2)硅（Si) :2· 00 ?3. 00% (重量）
[〇〇17] i元素是保證本發(fā)明鋼中無碳化物析出的元素，其作為非碳化物形成元素，當(dāng)其含 量較低時(shí)，以非金屬夾雜物形式存在，從而阻止奧氏體晶粒細(xì)化。但當(dāng)其含量過高時(shí)，可作 為置換型合金元素加入固溶體，則促進(jìn)了奧氏體晶粒的粗化。Si不僅具有明顯抑制脆性相 Fe3C型碳化物析出的作用，還可以增加組織中殘余奧氏體量及其穩(wěn)定性，一定量的Si可提 高納米貝氏體鋼的韌性。
[0018] 3)錳（Μη) :0· 20 ?0· 50% (重量）
[〇〇19] η元素與Si協(xié)同作用可以保證本發(fā)明鋼種獲得高強(qiáng)度、高硬度的同時(shí)，仍具有較 高的韌性。Μη是屬于置換型合金元素，它在鋼中具有固溶強(qiáng)化的作用。作為擴(kuò)大奧氏體相 區(qū)元素，加入Μη能使鋼的Art、A rt、Bs和Ms溫度下降，有利于納米貝氏體組織形成。適量的 Μη在中溫以下的相界處富集時(shí)，對(duì)相界遷移起拖曳作用，同時(shí)顯著降低貝氏體的相變驅(qū)動(dòng) 力，使貝氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，是保證獲得細(xì)小貝氏體鐵素體尺寸的主要因素之一。同時(shí)也可 提高奧氏體在室溫的穩(wěn)定性。
[0020] 4)鋁（Α1) :0· 50 ?0· 90% (重量）
[0021] 1元素在本發(fā)明中作用是與Si協(xié)同作用以保證鋼種獲得更好的韌性。Α1在貝氏 體鋼中作用于Si相似，可以抑制滲碳體的析出。且作為一種可完全溶解的元素，A1在組織 中不會(huì)發(fā)送偏析，也不會(huì)產(chǎn)生表面氧化物。同時(shí)，A1可抑制馬氏體相變，增加奧氏體穩(wěn)定性。 A1的另一個(gè)作用是加速貝氏體轉(zhuǎn)變，這是因?yàn)槠渫ㄟ^對(duì)相變驅(qū)動(dòng)力磁性和非磁性部分的影 響而使相變驅(qū)動(dòng)力增加。增加了相變驅(qū)動(dòng)力，使得形核密度增加，一方面減小了對(duì)性能有害 的殘留奧氏體島，另一方面更多的形核位置會(huì)使貝氏體鐵素體板條細(xì)化。
[0022] 傳統(tǒng)的納米貝氏體鋼成分，往往是高C高Μη高Si，再加入一定量的Cr和Mo等合 金元素。Cr可提高淬透性，但易于形成碳化物；Mo可推遲珠光體轉(zhuǎn)變及碳化物的析出，也可 細(xì)化奧氏體晶粒。本發(fā)明通過降低Μη含量，摒棄了昂貴的Cr和Mo,再加入一定量的Si和 A1，使得鍛造組織更加均勻且不含碳化物，無需退火即可直接進(jìn)行熱處理。
[0023] 1為各成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)
[0024]
【權(quán)利要求】
1. 一種具有TRIP效應(yīng)的超細(xì)結(jié)構(gòu)貝氏體鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比如下： 0· 30 ?0· 60% ;Si 2. 00 ?3. 00% ;Mn 0· 20 ?0· 50% ;A1 0· 50 ?0· 90% ;彡 0· 06% ; S < 0. 04% ;其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2. -種如權(quán)利要求1所述具有TRIP效應(yīng)的超細(xì)結(jié)構(gòu)貝氏體鋼的制備方法，其特征在于 按照權(quán)利要求1所述的化學(xué)成分質(zhì)量百分比稱取原料，在電弧爐或感應(yīng)電爐中進(jìn)行冶煉， 模鑄成鑄錠，鑄錠在1200?900°C溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行鍛造，將鑄錠鍛成一定尺寸的鍛坯，之后 空冷至室溫，獲得以珠光體為基體的組織；具體熱處理工藝為： 1) 鍛坯無需進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火，直接裝入950°C的熱處理爐中保溫0. 5?1. 5小時(shí)，奧 氏體化溫度過高，時(shí)間過長(zhǎng)，將導(dǎo)致奧氏體晶粒過大會(huì)降低強(qiáng)度和韌性，所以奧氏體化的溫 度與時(shí)間選擇要既保證組織完全奧氏體化，又不使奧氏體晶粒過大； 2) 均熱后，將鍛坯取出并迅速淬入到鹽浴爐中，鹽浴為硝酸鉀與亞硝酸鈉1:1配比，鹽 浴爐體積足夠大，保證鍛坯進(jìn)入后溫度不會(huì)過大升高，也保證在600?700°C珠光體轉(zhuǎn)變的 溫度范圍內(nèi)盡可能快速冷卻，躲過C曲線鼻子尖，避免珠光體轉(zhuǎn)變，獲得以貝氏體為主的基 體組織； 3) 在300?400°C等溫1?10小時(shí)，等溫溫度與時(shí)間決定殘余奧氏體與貝氏體的體積 分?jǐn)?shù)和形態(tài)，直接影響性能，溫度過高貝氏體片層厚度增加影響強(qiáng)度，溫度太低，殘余奧氏 體含量減少，塑性降低，時(shí)間長(zhǎng)短影響殘余奧氏體的穩(wěn)定性，決定能否發(fā)生TRIP效應(yīng)； (4)熱處理完畢，將鍛坯取出空冷至室溫。
3. 如權(quán)利要求2所述具有TRIP效應(yīng)的超細(xì)結(jié)構(gòu)貝氏體鋼的制備方法，其特征在于具 有TRIP效應(yīng)的超細(xì)結(jié)構(gòu)貝氏體鋼微觀組織由片層厚度小于600nm無碳化物貝氏體和殘余 奧氏體組成，介穩(wěn)的殘余奧氏體呈薄膜狀分布于片層貝氏體間隙，在變形過程中殘余奧氏 體發(fā)生相變?cè)鏊苄?yīng)、即TRIP效應(yīng)，提高貝氏體鋼的強(qiáng)度和塑性。
【文檔編號(hào)】C22C33/04GK104087824SQ201410328892
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】趙愛民, 智超, 何建國, 趙復(fù)慶, 曾尚武, 周開春, 胡漢江, 丁簫楠, 趙征志, 武會(huì)賓, 米振莉 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)