準貝氏體鋼的製作方法

2023-10-19 14:20:42 1

專利名稱：準貝氏體鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種合金鋼。
由於貝氏體鋼具有熱處理簡單，淬透性相對較大，焊接性能良好等特點，所以從五十年代至今，各國材料工作者已研究出諸多種貝氏體鋼，如英國的Fortiweld 55.70，日本的MB130，150、170，中國的Mn-B系貝氏體鋼(中國專利CN 1042950A)等，現有的貝氏體鋼有一個共同特點，即均是以典型貝氏體為主要組織組成，由於空冷過程中不可避免出現典型上、下貝氏體組織，特別是典型的上貝氏體組織出現，從而惡化了貝氏體鋼的性能，如降低抗拉強度和塑性以及各種疲勞性能，尤其是明顯損害衝擊韌性，限制了貝氏體鋼的推廣應用。
本發明的目的在於避免上述現有技術中的不足之處，而提供一種製造工藝簡單，能確保熱處理質量，具有良好的熱成型性和焊接性，淬透性高，可避免空冷過程中典型上、下貝氏體組織的出現，抗拉強度高，衝擊韌性大，疲勞壽命長，成本低的準貝氏體鋼。
本發明的目的可通過以下措施來達到一種準貝氏體鋼，其特殊之處在於，它的成份由主加合金元素和至少一種附加合金元素組成，所述主加合金元素為C、Mn及阻礙碳化物析出元素，其重量百分比組成為C 0.04～1.3Mn1.0～3.5阻礙碳化物析出元素0.8～2.8所述附加合金元素及其重量百分比組成為Mo 0～0.6Cr0～2.0B 0～0.005 W 0～1.2Re 0～0.3Al0～2.8Si 0～2.8其餘為Fe。
本發明阻礙碳化物析出元素可為Si或Al。阻礙碳化物析出元素以Si或Al效果較佳，也可以取Ni或Cu等。
本發明的成份及其重量百分比組成為C 0.04～0.2Mn1.2～3.0Si0～1.5Al0～2.0Mo0～0.6B 0～0.005其餘為Fe。這種成份的鋼用作板材、型材、石油管線、焊接構件等較佳，如重型汽車的翻鬥板、汽車大梁、起重運輸設備的各種型材。
本發明的成份及其重量百分比組成為C 0.09～0.3Mn2.5～3.2Si0～2.0Al0～2.0Mo0～0.6B 0～0.005其餘為Fe。這種成份的鋼可用作石油開採設備、高強度標準件、軸類零件、石油管線、壓力容器、建築用鋼等較佳，如鑽鋌、鑽杆、螺栓、螺母、電力機車電機傳動軸、發電機轉子軸、汽輪機轉子軸、汽車半軸、汽車花鍵軸、齒輪軸、IV級鋼筋等。
本發明的成份及其重量百分比組成也可為C 0.12～0.4Mn1.0～3.0Si0～2.0Al0～2.0Cr1.0～2.0Mo0～0.6B 0～0.005其餘為Fe。這種成份的鋼用作滲碳零件用鋼，如各類滲碳齒輪、重型滲碳釺杆等較佳。
本發明的成份及其重量百分比組成也可為C 0.26～0.6Mn2.0～3.2Si0～2.8Al0～2.0％Cr0～2.0Mo0～0.6B 0～0.005Re0～0.3其餘為Fe。這種成份的鋼用作耐磨結構件、耐磨鑄鋼件等較佳，如採煤機截齒、球磨機磨球和襯板、重型釺杆、汽輪機葉片、挖掘機鬥齒、推土機鏟刀等。
本發明的成份及其重量百分比組成也可為C 0.26～0.6Mn2.0～3.2Si0～1.9Al 0～2.0％Mo0～0.4
B 0～0.005其餘為Fe。這種成份的鋼用作彈簧用鋼、建築和鐵路軌枕用V級螺紋鋼筋等較佳。
本發明的成份及其重量百分比組成也可為C 0.7～1.3Mn2.0～3.2Si1.2～1.6 或Al1.0～1.5Cr0～1.1Mo0～0.4B 0～0.004其餘為Fe。這種成份的鋼可用作工模具用鋼，如冷作模具、刀具等。
本發明中各合金元素的作用C用於保證鋼的強度級別、工藝性能等。
Mn可使TTT圖中先共析鐵素體和珠光體轉變的C曲線右移，但對低碳貝體轉變的C曲線位置影響不大，這樣可保證在很大的冷速範圍內獲得貝氏組織，提高鋼的貝氏體淬透性。Mn還能壓低貝氏體開始轉變溫度，增大貝氏體鐵素體中碳的過飽和度，有利於準貝氏體強度的提高。
Si、Al是為了阻礙碳化物的析出，得到由貝氏體鐵素體和殘餘奧氏體組成的準貝氏體組織。
Mo、W在TTT曲線上可使珠光體和貝氏體區分離，有效地右移先共析鐵素體和珠光體的開始析出線，對貝氏體的開始析出線影響不大，大大有利於空冷條件下獲得貝氏體組織，提高貝氏體淬透性，但由於Mo、W價格較貴，應儘量不用或少用。
Cr使TTT曲線的珠光體和貝氏體區分離，中、低碳的條件下，能明顯地右移先共析鐵素體和珠光體開始析出線，可在一定條件下代替部分Mo或W量，同時也可壓低貝氏體開始析出線，提高準貝體鋼的強度。
B能有效地阻止先共析素體析出，非常有利於獲得貝氏體。對於加入B的鋼，有些鋼廠的生產不夠穩定，不希望使用，但使用B可降低成本。
Re有淨化鋼的作用。
合金元素的聯合加入，其作用比單獨加入時的作用更明顯，效果更佳，合理的選取配合，可獲得最佳性能。
下面是本發明的32個實施例，其成份及重量百分比組成分別是CSiMnMoCrBW AlRe餘為Fe實施例1 0.082 1.13 1.37 0.36 餘為Fe實施例2 0.11 1.25 3.15 0.25 0.29 0.002餘為Fe實施例3 0.11 1.31 3.06 0.27 餘為Fe實施例4 0.14 1.12 2.96 0.24 餘為Fe實施例5 0.13 1.51 3.21 0.19 餘為Fe實施例6 0.15 0.96 2.16 0.37 餘為Fe實施例7 0.13 1.99 3.05 0.27 餘為Fe實施例8 0.13 1.45 2.92 0.23 餘為Fe實施例9 0.21 1.06 3.25 0.26 餘為Fe實施例10 0.22 1.77 3.42 0.24 餘為Fe
C SiMnMo Cr B WAlRe 餘為Fe實施例11 0.20 1.83 2.61 0.24 餘為Fe實施例12 0.20 1.17 2.62 0.241.020.002 餘為Fe實施例13 0.21 2.40 3.16 0.261.04 餘為Fe實施例14 0.23 1.72 2.77 0.23 餘為Fe實施例15 0.23 1.69 3.09 0.27 餘為Fe實施例16 0.27 1.74 2.67 0.35 餘為Fe實施例17 0.29 1.65 2.64 0.25 0.01 餘為Fe實施例18 0.32 2.21 2.64 0.23 餘為Fe實施例19 0.33 2.28 2.57 0.22 0.15 餘為Fe實施例20 0.35 1.65 2.45 0.22 餘為Fe實施例21 0.40 2.06 2.62 0.25 餘為Fe實施例22 0.40 2.61 3.11 0.31 餘為Fe實施例23 0.43 1.92 2.67 0.31 餘為Fe實施例24 0.30 1.31 1.90 1.09 餘為Fe實施例25 0.29 1.31 2.03 0.181.07 餘為Fe實施例26 0.20 1.22 2.02 0.381.08 餘為Fe實施例27 0.31 1.36 1.97 1.070.003 餘為Fe實施例28 0.46 1.98 2.97 0.50 餘為Fe實施例29 0.52 1.96 3.21 0.39 餘為Fe實施例30 0.47 1.12 3.10 0.30 餘為Fe實施例31 0.87 1.14 2.89 0.35 餘為Fe實施例32 0.23 1.00 2.60 0.931.2餘為Fe本發明的鑄造工藝為
澆注溫度1500～1650℃，澆注後空冷，按性能要求可直接使用或先高溫回火後，再經正火和低溫回火後使用。
本發明的鍛、軋、墊成型工藝為始鍛、軋溫度為1200℃，終鍛、軋溫度為≥850℃，熱成型溫度為850～1000℃，然後空冷，根據要求回火或不回火即可使用。
本發明與現有技術相比具有如下優點1、本發明是以準貝氏體為組織組成，準貝氏體是由碳含量過飽和的貝氏體鐵素體和殘餘奧氏體兩相組成，組織中無碳化物相存在，避免了碳化物對典型貝氏體鋼力學性能的惡性作用，從而改善了貝氏體鋼的相對力學性能。
2、本發明可避免空冷過程中典型上、下貝氏體組織的出現，所以提高了抗拉強度、塑性及各種疲勞性能，抗拉強度可在500MPa～2000MPa之間調整，工具鋼的彎曲強度(δbb)可在2000MPa～3000MPa之間調整。
3、由於本發明的組織是準貝氏體，實現了強韌性的良好配合，尤其是衝擊韌性大大提高。比同一強度級別的英國的Fortiwell55.70，日本的MB130、150、170，中國的Mn-B系貝氏體鋼(中國專利CN85100080A、CN86103008A)，衝擊韌性提高了1～2倍。
4、本發明是以Mn、Si或Al為主加合金原素，Mo、W、Cr、B、Re等為附加合金元素，通過合理的合金化方法，使得準貝氏體鋼在相當寬的冷卻速度範圍內，即可獲得準貝氏體組織，如Φ10～1000mm直徑的零件空冷後，都可獲得準貝氏體組織。所以本發明的準貝氏體鋼淬透性很高，克服了以往貝氏體鋼淬透性較低的缺點。
5、本發明在使用過程中，零件都是在空冷條件下獲得準貝氏體組織，尤其是熱軋、熱鍛、熱擠壓或其它熱成型的零件，可以利用熱成型後的餘熱直接空冷獲得準貝氏體組織，隨後低溫回火或不回火即可滿足性能要求，所以可以簡化工藝流程、降低生產成本、提高產品質量。
6、本發明在零件製造過程中，由於組織應力小、變形小、無淬火裂紋，從而保證了熱處理質量，提高了產品合格率。它良好的冷加工成型性和焊接性，使得準貝氏體鋼的應用範圍進一步擴大。
7、本發明的準貝氏體鋼，由於主加合金元素是普通合金，我國儲量豐富、價格低廉，所以該鋼種的成本與一般低合金鋼相當。
8、本發明對冶煉、澆注、軋割沒有特殊要求，所以一般鋼廠不需增加設備即可投產，具有便利的推廣性。
下面是本發明與現有技術的一些對比參數及性能分析1、採用進口的日本Keten60鋼製作的重型汽車翻鬥鋼板，其出廠鋼實測性能和本發明的性能對比aKV(J/cm2)鋼種 σb(MPa) σ5(％) -15℃ -60℃ 熱處理工藝KeTen60600 1830調質軋後空冷本發明鋼 605 2865 44+600℃回火可見本發明完全可以代替由日本進口鋼材Keten60，而且工藝得到簡化。
2、石油鑽鋌常用鋼為42CrMo，其熱處理工藝為「正火加高溫回火，再加熱水淬油冷，加兩次高溫回火」。
石油工業部的石油鑽鋌的技術要求和本發明的性能數據對比σ0.2(MPa) σb(MPa) δ4(％)硬 度AKV(J)鑽鋌外徑 79～175 ＞758 ＞965＞13HB285～341 ＞54(mm)176～280 ＞689 ＞930＞13HB285～341 ＞54本發明鋼 1042 1256 15.5 HRC42113可見利用本發明的準貝氏體鋼完全可以製造石油鑽鋌，而且強韌性配合要高於42CrMo和，另一方面，本發明的準貝氏體鋼熱處理工藝為正火加低溫回火，可以大大簡化鑽鋌生產的熱處理工藝，減少淬火變形和破裂，降低生產成本。
3、本發明的準貝氏體鋼與典型貝氏體鋼(如英國的Fortiwell70、CH8510080A、CN86103008A中的M-B系貝氏體鋼)相比，實現了強韌性的更佳配合，尤其是衝擊韌性大大提高，克服了典型貝氏體鋼韌塑性低的缺點。
化學成份(Wt％)對比鋼 號 C Si MnBMo C 備註10.12 0.812.6 0.003CN8510080A82 0.45 0.8 2.2 0.002N86102008AFortiwell70 0.11.5 0.003 0.5 1.5 英 國本發明鋼 0.27 1.742.67 0.35本發明鋼 0.13 1.452.92 0.23力學性能對比鋼號 σb(MPa)σ0.2(MPa)δ(％)ψ(％)aku(J/cm2)1940 600 1650 6082 1300 1200 730 40Fortiwell701164 920 20.2 62.4 70本發明鋼 1711 1404 1137 88本發明鋼 907 653 2867 1264、重型釺具用鋼一般為23CrNi3MoA，滲碳後830℃淬油或水，低溫回火後使用而且本發明的準貝氏體鋼代替23CrNi3MoA，其性能完全能達到或超過23CrNi3MoA鋼，但由於本發明的準貝氏體鋼用Mn、Si這些普通的合金元素代替了Cr、Ni這些價格昂貴，我國資源儲量少的元素，所以準貝氏體鋼成本大大降低，實用性、推廣性更強。性能對比鋼種σb(MPa)σ0.2(MPa)δ5(％) aKu(J/cm2)23CrNi3MoA 930 735 11 78本發明鋼 12561042 15.5 80本發明鋼 1340 959 14.8 895、本發明準貝氏體鋼可作為耐磨用鋼使用，如代替35CrMn2Si、42CrMo。生產截齒，代替高錳鋼、高鉻鑄鐵生產磨球、襯板等，使用準貝氏體鋼可提高性能、簡化工藝、降低成本。
本發明的準貝氏體鋼與35CrMn2Si相比，綜合力學性能提高，耐磨性提高，截齒壽命可提高1～2倍，性能對比鋼號 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ5(％)aKu(J/cm2) 相對耐磨性35CrMnSi16509 50 1本發明鋼1711 1404 11 89 0.75～0.91注相對耐磨性等於試樣失重/標準失重。
與高錳鋼相比，本發明的準貝氏體鋼在載荷不很大時，其耐磨性優於高錳鋼，可代替高錳鋼製造挖掘機的鬥齒，推土機的鏟刀等，鑄件即可使用。所以，工藝簡單，性能優良，成本低廉，這是使用本發明準貝氏體鋼的特點。
磨損失重(mg)鋼 號 熱處理工藝 σb(MPa) 硬 度 銷盤式 動載式1050～1100℃Mn13 水韌化 560 HB179～229 39 228本發明鋼 正火加300℃1711 HRC49 81回 火本發明鋼 鑄 態 2149 HRC5432 113註銷盤式磨損條件為正壓力2300g，180目水砂紙。
動載式磨損條件為衝擊功2J，磨料80目石英砂。
6、建築和鐵路軌枕使用的V級螺紋鋼筋，目前我國常選用45Si2Cr等，經軋制穿水淬火後，再用鉛浴加熱回火，能源消耗，鉛源消耗較大，工藝複雜，生產成本高，同時環境汙染較嚴重。而使用本發明的準貝氏體鋼軋制後加低溫回火，性能即可滿足國標GB4463～88的要求，工藝簡單、生產成本低。況且，目前我國V級螺紋鋼筋市場供不應求，所以推廣準貝氏體V級螺紋鋼筋具有很大的潛力。對照表如下松馳率σb(MPa) σ0.2(MPa) δ10(％) 0.8δ0.2×10hGB4463-8814701330 61.545Si2Cr 15901420 7.0 1.19本發明鋼 18491581 7.5 0.73
7、在各種疲勞實驗中，本發明的準貝氏體鋼與同強度的其它類型的鋼件相比，其疲勞性能都顯示出了優越性。
旋轉彎曲疲勞性能對比鋼號σb(MPa)σ-1(MPa)30CrMnSi 1100 31040CrNiMo 1200 490本發明鋼 1150 550拉伸疲勞性能對比(拉伸應力1000～1200MPa)鋼號 σb(MPa) 疲勞壽命(周次)30CrMnSi1100 210500本發明鋼1135 358467衝擊疲勞性能對比鋼號 b(MPa) 疲勞壽命(周次)18Cr2Ni4W 1440 12000本發明鋼1280 1650008、本發明的準貝氏體鋼在強度相近的條件下，其斷裂韌性高於其它類型的鋼種，例如鋼號 σb(MPa) K1c(MPa·m1/2)18Cr2Ni4W 1440 97本發明鋼 1280 140
權利要求
1.一種準貝氏體鋼，其特徵在於，它的成份由主加合金元素和至少一種附加合金元素組成，所述主加合金元素為C、Mn及阻礙碳化物析出元素，其重量百分比組成為C 0.04～1.3Mn1.0～3.5阻礙碳化物析出元素0.8～2.8所述附加合金元素及其重量百分比組成為Mo0～0.6 Cr 0～2.0B 0～0.005 W 0～1.2Re0～0.3 Al 0～2.8Si0～2.8 其餘為Fe。
2.如權利要求1所述的準貝氏體鋼，其特徵在於所述的阻礙碳化物析出元素為Si或Al。
3.如權利要求1或2所述的準貝氏體鋼，其特徵在於，它的成份及其重量百分比組成為C0.04～0.2Mn 1.2～3.0Si 0～1.5 Al 0～2.0Mo 0～0.6 B 0～0.005其餘為Fe。
4.如權利要求1或2所述的準貝氏體鋼，其特徵在於，它的成份及其重量百分比組成為C0.09～0.3Mn 2.5～3.2Si 0～2.0Al0～2.0Mo 0～0.6B 0～0.005其餘為Fe。
5.如權利要求1或2所述的準貝氏體鋼，其特徵在於，它的成份及其重量百分比組成為C 0.12～0.4Mn1.0～3.0Si0～2.0Al0～2.0Cr1.0～2.0Mo0～0.6B 0～0.005其餘為Fe。
6.如權利要求1或2所述的準貝氏體鋼，其特徵在於，它的成份及其重量百分比組成為C 0.26～0.6Mn2.0～3.2Si0～2.8Al0～2.0％Cr0～2.0Mo0～0.6B 0～0.005Re0～0.3其餘為Fe。
7.如權利要求1或2所述的準貝氏體鋼，其特徵在於，它的成份及其重量百分比組成為C 0.26～0.6Mn2.0～3.2Si0～1.9Al0～2.0％Mo0～0.4B 0～0.005其餘為Fe。
8.如權利要求1或2所述的準貝氏體鋼，其特徵在於，它的成份及其重量百分比組成為C 0.7～1.3Mn2.0～3.2Si0～2.8Al0～2.8Cr0～1.1Mo0～0.4B 0～0.004其餘為Fe。
全文摘要
一種準貝氏體鋼,以Mn、阻礙碳化物析出元素為主加合金元素,以Mo、Cr、B、W、Re等之一種或多種為附加合金元素,它是以準貝氏體為組織組成,組織中無碳化物相存在,從而改善了貝氏體鋼的相對力學性能,其製造工藝簡單,具有良好的成型性和焊接性,淬透性及抗拉強度均較高,衝擊韌性大,疲勞壽命長,成本低,克服了現有貝氏體鋼在空冷過程中不可避免出現典型上、下貝氏體組織,從而惡化貝氏體鋼體能的缺陷。
文檔編號C22C38/38GK1172171SQ9511372
公開日1998年2月4日 申請日期1995年8月24日 優先權日1995年8月24日
發明者康沫狂, 楊延清, 賈虎生, 武小雷, 劉曉, 楊東方, 張明星, 王瑞清, 雷經義, 周賢良, 馬鳴圖 申請人:康沫狂