一種納米貝氏體彈簧鋼及其製備方法與流程

2023-10-04 04:34:14

本發明涉及一種彈簧鋼及其製備方法。
背景技術：
：傳統彈簧鋼的熱處理採用淬火+中溫回火，獲得回火屈氏體組織。淬火獲得馬氏體，組織應力大，易產生淬火裂紋，回火後塑性和韌性較低，疲勞壽命不高。為此，有人提出採用等溫淬火方法來獲得下貝氏體+少量馬氏體組織，減小淬火應力，提高韌性，但下貝氏體中含有碳化物硬脆相，對疲勞性能有不利影響。申請號為201210214862.5的發明專利，公開了一種高強塑性彈簧的熱處理方法，即奧氏體化後在淬火油中冷卻到室溫～100℃並進行10～200s的短時保溫，再放入溫度為馬氏體開始溫度±30℃的爐子中等溫轉變，然後油冷至室溫，得到由馬氏體、貝氏體和殘餘奧氏體組成的復相組織，可獲得高強度和較好的塑韌性，但該方法要求在室溫～100℃的油中短時保溫，這難於保證大截面彈簧零部件的心部和表層組織均勻。最近的研究表明，高C高Si合金鋼在稍高於馬氏體開始溫度的低溫(200–300℃左右)長時間(幾天至十幾天)等溫轉變，可以獲得納米級板條貝氏體鐵素體和殘餘奧氏體組織，被稱為納米貝氏體鋼，具有高硬度、高強度、較好的塑韌性，力學性能接近昂貴的馬氏體時效鋼(CurrentOpinioninSolidStateandMaterialsScience,2004年第8卷,251–257頁)，因此，這種新型貝氏體鋼受到了廣泛關注。用其製造的裝甲板，彈道衝擊性能可達到最好的裝甲鋼的水平，且成本相對低廉。另外，這種鋼還表現出良好的耐磨和抗疲勞性能。但這種納米貝氏體組織還未見應用於彈簧鋼及其製品。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種工藝簡單易控、且適於製造具有均勻組織大截面彈簧零部件的納米貝氏體彈簧鋼及其製備方法。用本發明製備的彈簧鋼，可獲得由納米級板條貝氏體鐵素體和殘餘奧氏體組成的納米貝氏體組織，不含碳化物，無淬火應力和淬火裂紋，並且強度和塑韌性高，有較好的抗過載斷裂性能。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種納米貝氏體彈簧鋼，其化學成分按重量百分比為：C0.62～0.67、Si1.6～2.0、Mn0.8～1.1、Cr0.8～1.1、Ni0.5～0.8、Al0.8～1.2、W0.7～1.0、P≤0.02、S≤0.02，其餘為Fe和不可必避免的雜質；其金相組織為納米貝氏體，抗拉強度不小於1700MPa，屈服強度不小於1200MPa，延伸率不小於10％，U形缺口衝擊功不小於49J。一種納米貝氏體彈簧鋼的製備方法，所述方法包括以下步驟：步驟1煉鋼：按照所述納米貝氏體彈簧鋼化學成分的重量百分比：C0.62～0.67、Si1.6～2.0、Mn0.8～1.1、Cr0.8～1.1、Ni0.5～0.8、Al0.8～1.2、W0.7～1.0、P≤0.02、S≤0.02、其餘為Fe和不可必避免的雜質的設計要求，計算投料比例、熔煉、並澆注成鋼錠；步驟2退火、熱軋：將所述鋼錠退火、熱軋，熱軋後空冷至室溫，得熱軋板坯；步驟3熱處理：將所述熱軋板坯加熱至860～890℃、保溫40～60min，然後迅速放入240～300℃的鹽浴爐中等溫1.5～5h，再出爐空冷至室溫。所述納米貝氏體彈簧鋼的合金化及物理冶金學原理是：Mn、Cr、Ni、W提高淬透性、降低馬氏體開始溫度和固溶強化，Cr和W還可提高回火穩定性和降低脫碳傾向，W抑制回火脆性，Ni提高韌性，Al可提高貝氏體轉變動力學、縮短處理周期、提高生產效率，Si和Al可抑制等溫轉變過程中碳化物析出，Si、Cr、Al還可以提高抗氧化能力，使彈簧使用溫度提高。所述納米貝氏體彈簧鋼加熱到860～900℃奧氏體化後，迅速在240～300℃等溫轉變，由於Si和Al對碳化物析出的抑制作用，等溫轉變得到由板條貝氏體鐵素體和殘餘奧氏體組成的組織。此外，合金元素對奧氏體的強化及轉變溫度較低，使得以切變方式轉變的貝氏體鐵素體板條厚度得以細化，最後形成納米貝氏體組織。採用本發明的有益效果在於：(1)所述納米貝氏體彈簧鋼具有抗拉強度不小於1700MPa、屈服強度不小於1200MPa、延伸率不小於10％、衝擊功不小於49J的良好綜合力學性能，可用於製造承受較大衝擊載荷和易於過載條件使用的彈簧；(2)本發明的製備工藝流程簡單易行、工藝參數容易控制，有利於實現工業化生產，只需要精確控制熱處理的溫度即可控制產品質量，製備效率高。附圖說明圖1是本發明實施例1製備的納米貝氏體彈簧鋼的X射線衍射圖譜；圖2是本發明實施例1製備的納米貝氏體彈簧鋼微觀組織的透射電鏡照片；圖3是本發明實施例1製備的納米貝氏體彈簧鋼試樣的拉伸應力-應變曲線；圖4是本發明實施例2製備的納米貝氏體彈簧鋼微觀組織的透射電鏡照片；圖5是本發明實施例3製備的納米貝氏體彈簧鋼微觀組織的透射電鏡照片；圖6是本發明實施例4製備的納米貝氏體彈簧鋼微觀組織的透射電鏡照片。具體實施方式實施例1步驟1：按照質量百分比為C0.63、Si1.7、Mn0.8、Cr1.03、Ni0.76、Al0.89、W0.7、P0.008、S≤0.004，其餘為Fe和不可必避免的雜質的配比，計算投料比例、在真空中頻感應電爐中熔煉、並澆注成直徑為170mm的圓柱形鋼錠。步驟2退火、熱軋：將鋼錠加熱至1220℃保溫4h進行均勻化處理，出爐空冷至1190℃開軋，終軋溫度為885℃，經過6道次軋制，軋後空冷至室溫，得20mm厚的熱軋板坯。步驟3熱處理：將所述熱軋板坯加熱至890℃、保溫40min，然後迅速放入300℃的鹽浴爐中等溫1.5h，再出爐空冷至室溫。對本實施例所製得板材進行X射線衍射和透射電鏡分析，其X射線衍射圖見圖1，微觀組織的透射電鏡照片見圖2。從圖1中可以看出，本實施例製備的納米貝氏體彈簧鋼的組織是由體心立方結構的貝氏體鐵素體(α)和面心立方結構的殘餘奧氏體(γ)組成，並可測得殘餘奧氏體的體積含量VRA；從圖2中可以看出，本實施例製備的納米貝氏體彈簧鋼的微觀組織由板條貝氏體鐵素體和殘餘奧氏體組成，並可測得板條平均厚度t。測得的微觀組織參數結果見表1。將本實施例的板材按照GB/T228.1-2010標準進行拉伸試驗，測得應力—應變曲線見圖3，由此測得試樣的抗拉強度Rm、屈服強度Rp0.2和延伸率A；按照GB/T229-2007標準進行U形缺口試樣夏比擺錘衝擊試驗，測得衝擊功AKU。具體拉伸和衝擊性能數據測試結果見表1。結果表明：本實施例製備納米貝氏體鋼，其組織中貝氏體鐵素體板條厚度小於100nm，得到了納米貝氏體組織，且具有高強度和高塑韌性，拉伸曲線表現出明顯的加工硬化，可用於製造承受較大衝擊載荷和易於過載條件使用的彈簧。表1實施例1～4的微觀組織參數及拉伸和衝擊性能數據實施例t(nm)VRA(vol.％)Rp0.2(MPa)Rm(MPa)A(％)AKU(J)186271210172013.462274261240181512.354355251300196511.652441231360213710.049實施例2步驟1：按照質量百分比為C0.67、Si1.96、Mn1.05、Cr0.82、Ni0.51、Al1.17、W0.92、P0.006、S0.003，其餘為Fe和不可必避免的雜質的配比，計算投料比例、在真空中頻感應電爐中熔煉、並澆注成直徑為170mm的圓柱形鋼錠。步驟2退火、熱軋：將鋼錠加熱至1220℃保溫4h進行均勻化處理，出爐空冷至1190℃開軋，終軋溫度為885℃，經過6道次軋制，軋後空冷至室溫，得20mm厚的熱軋板坯。步驟3熱處理：將所述熱軋板坯加熱至860℃、保溫60min，然後迅速放入280℃的鹽浴爐中等溫2h，再出爐空冷至室溫。對本實施例所製得板材進行X射線衍射分析測定VRA，用透射電鏡進行微觀組織分析(見圖4)測定t。將本實施例的板材按照GB/T228.1-2010標準進行拉伸試驗，測定抗拉強度Rm、屈服強度Rp0.2和延伸率A；按照GB/T229-2007標準進行U形缺口試樣夏比擺錘衝擊試驗，測定衝擊功AKU。所得組織參數及拉伸和衝擊性能數據測試結果見表1。結果表明：本實施例製備納米貝氏體鋼，其組織中貝氏體鐵素體板條厚度小於100nm，得到了納米貝氏體組織，且具有高強度和高塑韌性，拉伸曲線表現出明顯的加工硬化，可用於製造承受較大衝擊載荷和易於過載條件使用的彈簧。實施例3與實施例1不同的是：在步驟3中將所述熱軋板坯加熱至890℃、保溫30min，然後迅速放入260℃的鹽浴爐中等溫4h，再出爐空冷至室溫。對本實施例所製得板材進行X射線衍射和透射電鏡分析及拉伸和衝擊試驗，結果見表1。結果表明：本實施例製備納米貝氏體鋼，其組織中貝氏體鐵素體板條厚度小於100nm，得到了納米貝氏體組織，且具有高強度和高塑韌性，拉伸曲線表現出明顯的加工硬化，可用於製造承受較大衝擊載荷和易於過載條件使用的彈簧。實施例4與實施例2不同的是：在步驟3中將所述熱軋板坯加熱至860℃、保溫60min，然後迅速放入240℃的鹽浴爐中等溫5h，再出爐空冷至室溫。對本實施例所製得板材進行X射線衍射和透射電鏡分析及拉伸和衝擊試驗，結果見表1。結果表明：本實施例製備納米貝氏體鋼，其組織中貝氏體鐵素體板條厚度小於100nm，得到了納米貝氏體組織，且具有高強度和高塑韌性，拉伸曲線表現出明顯的加工硬化，可用於製造承受較大衝擊載荷和易於過載條件使用的彈簧。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp