專利名稱：一種貝氏體鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料領(lǐng)域，尤其涉及一種貝氏體鋼及其制備方法。
背景技術(shù)：
自二十世紀(jì)二十年代末，E. C. Bain首次在鋼中發(fā)現(xiàn)貝氏體相變以來，關(guān)于貝氏體理論及應(yīng)用的研究已有半個多世紀(jì)了。國內(nèi)學(xué)者對貝氏體相變做了諸多研究，研發(fā)出了一系列貝氏體鋼。貝氏體鋼由于兼具優(yōu)良的強度、韌性和耐磨性，在冶金、電力、建材和化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其作為球磨機耐磨鋼球、礦山機械刮板和耐磨傳輸管材等的零部件應(yīng)用效果較好。貝氏體鋼按合金成分劃分，可分為Mo-B系貝氏體鋼和Mn-B系貝氏體鋼。研究表明，Mo-B系貝氏體鋼中Mo與B結(jié)合可使鋼在相當(dāng)寬的連續(xù)冷卻速度范圍內(nèi)獲得貝氏體組織，但原料Mo的價格高，且Mo-B鋼的貝氏體組織轉(zhuǎn)變溫度高，最終產(chǎn)品的強度和韌性低，因此Mo-B系貝氏體合金鋼的發(fā)展受到限制。Mn-B系貝氏體鋼中原料Mn的價格比Mo低，在 Mn-B系貝氏體鋼中添加Cr、Si和V等合金元素，在空冷過程中即可形成貝氏體組織，因此 Mn-B系貝氏體鋼發(fā)展迅速，成為貝氏體鋼發(fā)展的主要方向。對于Mn-B系貝氏體鋼的研究，近年來主要集中于合金化與工藝改進(jìn)方面。例如公開號為101104906A的中國專利公開了一種低碳貝氏體鋼及其制備方法。該專利公開的低碳貝氏體鋼包括:0. 12wt%~ 0. 43wt % ^ C, 1. Owt 2. 6wt % ^ Mn, 1. Owt 2. Owt % 的Si，O 0.Cr，O 0.P，O 0.S和余量的Fe ；其熱處理工藝為(1)將上述成分的原料熔煉，熔煉溫度為1500°C 1600°C，原料熔化后電磁攪拌，澆鑄，澆鑄溫度為1500°C 1580°C ； (2)利用工件澆注時的余熱進(jìn)行淬火處理，淬火溫度為 880940°C，淬火液為堿性水溶液，pH值為9 14，密度為1. 00g/cm3 1. 65g/cm3，淬火后得到低碳貝氏體鋼。此專利的低碳貝氏體鋼通過調(diào)節(jié)合金元素Cr、Mn和Si的含量， 同時采用了利用工件澆鑄時的余熱進(jìn)行熱處理的方法，獲得了下貝氏體和馬氏體的混合組織，但是該低碳貝氏體鋼的強度不穩(wěn)定，強度波動范圍大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種貝氏體鋼及其制備方法，由該方法制備的貝氏體鋼強度穩(wěn)定性好，即材料的強度波動范圍較小。有鑒于此，本發(fā)明公開了一種貝氏體鋼，包括0. Iwt % 0. 3wt % 的 C ；1. 5wt % 3. Owt % 的 Mn ；1. Owt% 2. (^%的 Si ；0. 003wt % 0. 006wt % 的 B ；0. 05wt% 0.Ti ；大于零且小于等于1.Cr ；
大于零且小于等于0. 03wt%&RE;0 O.Olwt^S;0 余量的佝。優(yōu)選的，所述C的含量為0. 15wt% 0. 25wt%。優(yōu)選的，所述Mn的含量為1. 5wt% 2. 5wt%。優(yōu)選的，所述Cr的含量為0. 2wt% 1.0wt%。優(yōu)選的，所述Ti的含量為0. IOwt % 0. 15wt%。優(yōu)選的，所述RE為La。本發(fā)明還提供了一種貝氏體鋼的制備方法，包括以下步驟a)、鑄造如下成分的鑄錠0. Iwt % 0. 3wt % 的 C，1. 5wt % 3. Owt % 的 Mn，1. Owt % 2. Owt % 的 Si， 0. 003wt% 0. 006wt%&B，0. 05wt% 0. 15wt% 的 Ti，大于零且小于等于 1. Owt^Cr， 大于零且小于等于0. 03wt%的RE，0 0. Olwt%的S，0 0. Olwt%的P和余量的!^e ；b)、將所述鑄錠進(jìn)行熱處理，具體為bOl)、加熱至900°C 1000°C進(jìn)行預(yù)正火處理；b02)、將步驟bOl)得到的鑄錠加熱至900°C 950°C進(jìn)行二次正火處理；b03)、將步驟得到的鑄錠加熱至200°C 250°C進(jìn)行回火處理，得到貝氏體鋼。優(yōu)選的，步驟bOl)中所述預(yù)正火處理的保溫時間為60min 120min，冷卻方式為空冷。優(yōu)選的，步驟b02)中所述二次正火處理的保溫時間為30min 60min，冷卻方式為空冷。優(yōu)選的，步驟b0!3)中所述回火處理的保溫時間為90min 120min。本發(fā)明提供了一種貝氏體鋼，其包括0. lwt% 0. 3wt%&C，1.5wt% 3. 0wt% 的 Mn，1. Owt % 2. 0wt%&Si，0. 003wt% 0. 006wt%&B，0. 05wt% 0. 15wt%&Ti，大于零且小于等于1. Owt %的Cr，大于零且小于等于0.RE，0 0. Olwt %的S，0 0. Olwt^的P和余量的!^e ；本發(fā)明在貝氏體鋼中添加了合金元素Mn，錳元素對Bs和Ms點的壓低作用直接影響到貝氏體組織的形態(tài)和性能，Bs點越低，相轉(zhuǎn)變組織中下貝氏體的量就越多，鋼的強度和韌性配合就越好；同時在貝氏體鋼中添加了對ABs/AMs比值壓低最強的合金元素Cr，Δ Bs/Δ Ms的比值越低，貝氏體組織長大的范圍就越窄，貝氏體組織就越細(xì)小，起到細(xì)晶強化的作用。在貝氏體鋼中添加MruB和Cr等合金元素，能夠使基體中獲得更多的尺寸較小的貝氏體，同時能夠細(xì)化晶粒，有效提高基體強度的穩(wěn)定性。本發(fā)明還提供了上述貝氏體鋼的制備方法，其經(jīng)過鑄造工序和熱處理工序后得到了貝氏體鋼。在熱處理過程中將鑄造得到的鑄錠加熱至900°C 1000°C進(jìn)行預(yù)正火處理， 使鑄錠組織初步奧氏體化；隨后將預(yù)正火處理后的鑄錠加熱至900°C 950°C進(jìn)行二次正火處理，此階段用于細(xì)化晶粒，防止或消除殘余鑄態(tài)組織，使鑄錠的綜合性能提高；最后將二次正火處理后的鑄錠加熱至200°C 250°C進(jìn)行回火處理，得到貝氏體鋼，此階段的回火處理用于消除正火過程中引入的殘余應(yīng)力，同時獲得部分貝氏體組織，有助于提高貝氏體鋼強度的穩(wěn)定性。綜上所述，本發(fā)明通過合理設(shè)計貝氏體鋼的配方和熱處理工藝，得到的貝氏體鋼強度指標(biāo)穩(wěn)定。實驗證明，本發(fā)明提供的貝氏體鋼的強度穩(wěn)定性好，硬度超過37HRC。


圖1為本發(fā)明的熱處理工藝圖。
具體實施例方式為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。本發(fā)明實施例公開了一種貝氏體鋼，包括0. Iwt % 0. 3wt % 的 C ；1. 5wt % 3. Owt % 的 Mn ；1. 0wt% 2.Si ；
0. 003wt % 0. 006wt % 的 B ；0. 05wt% 0.Ti ；大于零且小于等于1.Cr ；大于零且小于等于0. 03wt%&RE;0 0 余量的Fe。本發(fā)明貝氏體鋼中的Mn強壓低Bs點，弱壓低Ms點；Mn能控制貝氏體相轉(zhuǎn)變曲線，并提高貝氏體鋼的淬透性和貝氏體鋼的強度。本發(fā)明中提供的貝氏體鋼中Mn的含量為 1. 5wt% 3. 0wt%，優(yōu)選為 1. 5wt% 2. 5wt%。Si可壓低Bs點，并使貝氏體相轉(zhuǎn)變C曲線右移；同時能抑制過冷奧氏體分解，從而促進(jìn)貝氏體-鐵素體間富碳奧氏體和M-A島狀組織的形成。Si雖然是非碳化物形成元素，但是由于Si強烈阻止過飽和鐵素體的脫溶，因而Si對貝氏體轉(zhuǎn)變有頗為強烈的滯緩作用。硅在鋼中的另一個重要作用是增加組織中殘余奧氏體量及其穩(wěn)定性。但是Si作為合金元素溶于固溶體時，會使奧氏體晶粒粗化。因此本發(fā)明提供的貝氏體鋼中控制Si的含量為 1. 0wt% 2. 0wt%。Cr強壓低Bs點，弱壓低Ms點，是壓低ABs/AMs比值最強的合金元素；Cr對貝氏體轉(zhuǎn)變C曲線的影響最大，能提高貝氏體鋼的淬透性和強度。本發(fā)明貝氏體鋼中Cr的含量不超過1. Owt %，優(yōu)選為0. 2wt% 1. Owt %。在中低碳貝氏體鋼中多邊形鐵素體轉(zhuǎn)變溫度很快，連續(xù)冷卻時不可能得到最大量的貝氏體轉(zhuǎn)變，為此，本發(fā)明向鋼中加入一定量的B用于抑制多邊形鐵素體的轉(zhuǎn)變。此外，B也可以提高鋼的淬透性，改善材料的性能。本發(fā)明提供的貝氏體鋼中B的含量為 0. 003wt% 0. 006wt%。Ti和RE均作為變質(zhì)劑加入，在基體中形成高熔點碳化物，起到彌散強化的作用。本發(fā)明提供的貝氏體鋼中Ti的含量為0.05wt% 0. 15wt%，優(yōu)選為0. 10wt% 0. 15wt%, RE的含量不超過0. 03wt%。上述稀土元素RE為鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(ft·)、釹 (Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿 (Yb)、镥(Lu)、鈧(Sc)和釔(Y)中的一種或幾種，優(yōu)選為鑭(La)。本發(fā)明還提供了一種貝氏體鋼的制備方法，包括以下步驟a)、鑄造如下成分的鑄錠0. Iwt % 0. 3wt % 的 C，1. 5wt % 3. Owt % 的 Mn，1. Owt % 2. Owt % 的 Si， 0. 003wt% 0. 006wt%&B，0. 05wt% 0. 15wt% 的 Ti，大于零且小于等于 1. Owt^Cr， 大于零且小于等于0. 03wt%的RE，0 0. Olwt%的S，0 0. Olwt%的P和余量的!^e ；b)、將所述鑄錠進(jìn)行熱處理，具體為bOl)、加熱至900°C 1000°C進(jìn)行預(yù)正火處理；b02)、將步驟bOl)得到的鑄錠加熱至900°C 950°C進(jìn)行二次正火處理；b03)、將步驟得到的鑄錠加熱至200°C 250°C進(jìn)行回火處理，得到貝氏體鋼。步驟a)為鑄造工序，本發(fā)明對步驟a)所述的鑄造方法沒有特殊限制，可以為砂型鑄造或金屬鑄造等本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法。步驟b)為熱處理工序，在得到鑄錠后，將上述鑄錠進(jìn)行熱處理。如圖1所示，圖1 為本發(fā)明的熱處理工藝圖。首先將上述鑄錠加熱至900°C 1000°C進(jìn)行預(yù)正火處理，此階段使鑄錠組織奧氏體化，為了確保充分奧氏體化，上述預(yù)正火處理的保溫時間優(yōu)選為60min 120min，更優(yōu)選為SOmin llOmin。上述預(yù)正火處理的冷卻方式優(yōu)選為空冷。上述加熱的溫度優(yōu)選為 920 IOOOO。隨后將預(yù)正火處理后的鑄錠重新加熱至900°C 950°C進(jìn)行二次正火處理，此階段用于細(xì)化晶粒，預(yù)防或消除殘余鑄態(tài)組織，使鑄錠的綜合性能提高。上述二次正火處理的保溫時間優(yōu)選為30min 60min，更優(yōu)選為40min 50min。上述二次正火處理的冷卻方式優(yōu)選為空冷。上述加熱的溫度優(yōu)選為920°C 950°C。最后將二次正火處理后的鑄錠重新加熱至200°C 250°C進(jìn)行回火處理，得到貝氏體鋼。此階段的回火處理用于消除正火過程中引入的殘余應(yīng)力，同時獲得部分貝氏體組織，提高貝氏體鋼的綜合性能。上述回火處理的保溫時間優(yōu)選為90min 120min，更優(yōu)選為 IOOmin 120min。上述加熱的溫度優(yōu)選為220°C 250°C。上述回火處理的冷卻環(huán)節(jié)，可以是將貝氏體鋼在加熱爐中冷卻到室溫，或者在空氣中冷卻，對此本發(fā)明并無特別的限制。本發(fā)明提供的上述貝氏體鋼，在貝氏體鋼中添加合金元素Mn，錳元素對Bs和Ms 點的壓低作用直接影響到貝氏體組織的形態(tài)和性能，Bs點越低，相轉(zhuǎn)變組織中下貝氏體的量就越多，鋼的強韌性配合就越好；同時在貝氏體鋼中加入了對ABs/AMs比值壓低最強的合金元素Cr，Δ Bs/Δ Ms的比值越低，貝氏體組織長大的范圍就越窄，貝氏體組織就越細(xì)小，起到細(xì)晶強化的作用。本發(fā)明在貝氏體鋼中添加MruB和Cr等合金元素，能夠使基體中獲得更多的尺寸較小的貝氏體，同時能夠細(xì)化晶粒，提高基體強度的穩(wěn)定性。本發(fā)明在制備貝氏體鋼的過程中，經(jīng)過鑄造工序和熱處理工序后得到了貝氏體鋼。在熱處理過程中將鑄造得到的鑄錠加熱至900°C 1000°C進(jìn)行預(yù)正火處理，使鑄錠組織初步奧氏體化；隨后將預(yù)正火處理后的鑄錠加熱至900°C 950°C進(jìn)行二次正火處理，此階段用于細(xì)化晶粒，防止或消除殘余鑄態(tài)組織，使鑄錠的綜合性能提高；最后將二次正火處理后的鑄錠加熱至200°C 250°C進(jìn)行回火處理，得到貝氏體鋼，此階段的回火處理能夠消除正火過程中引入的殘余應(yīng)力，同時獲得部分貝氏體組織，有助于提高貝氏體鋼強度的穩(wěn)定性。綜上所述，本發(fā)明通過合理設(shè)計貝氏體鋼的配方和熱處理工藝，提高了貝氏體鋼強度的穩(wěn)定性，同時避免了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明提供的貝氏體鋼的制備方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實施例的限制。實施例1(1)制備鑄錠，鑄錠成分列于表1 ；(2)將步驟(1)得到的鑄錠加熱至900°C保溫60min后空冷；(3)將步驟(2)得到的鑄錠重新加熱至900°C保溫30min后空冷；(4)將步驟(3)得到的鑄錠重新加熱至200°C保溫90min后，得到貝氏體鋼。將按照上述方法制備的貝氏體鋼進(jìn)行硬度測試，結(jié)果參見表2。實施例2(1)制備鑄錠，鑄錠成分列于表1 ；(2)將步驟(1)得到的鑄錠加熱至1000°C保溫120min后空冷；(3)將步驟(2)得到的鑄錠重新加熱至950°C保溫60min后空冷；(4)將步驟(3)得到的鑄錠重新加熱至250°C保溫120min后，得到貝氏體鋼。將按照上述方法制備的貝氏體鋼進(jìn)行硬度測試，結(jié)果參見表2。實施例3(1)制備鑄錠，鑄錠成分列于表1 ；(2)將步驟(1)得到的鑄錠加熱至920°C保溫70min后空冷；(3)將步驟⑵得到的鑄錠重新加熱至910°C保溫50min后空冷；(4)將步驟(3)得到的鑄錠重新加熱至對01保溫IOOmin后，得到貝氏體鋼。將按照上述方法制備的貝氏體鋼進(jìn)行硬度測試，結(jié)果參見表2。實施例4(1)制備鑄錠，鑄錠成分列于表1 ；(2)將步驟(1)得到的鑄錠加熱至940°C保溫SOmin后空冷；(3)將步驟(2)得到的鑄錠重新加熱至930°C保溫50min后空冷；(4)將步驟(3)得到的鑄錠重新加熱至對01保溫120min后，得到貝氏體鋼。將按照上述方法制備的貝氏體鋼進(jìn)行硬度測試，結(jié)果參見表2。實施例5(1)制備鑄錠，鑄錠成分列于表1 ；(2)將步驟(1)得到的鑄錠加熱至980°C保溫90min后空冷；(3)將步驟(2)得到的鑄錠重新加熱至950°C保溫40min后空冷；(4)將步驟(3)得到的鑄錠重新加熱至對01保溫IlOmin后，得到貝氏體鋼。將按照上述方法制備的貝氏體鋼進(jìn)行硬度測試，結(jié)果參見表2。
實施例6(1)制備鑄錠，鑄錠成分列于表1 ；(2)將步驟(1)得到的鑄錠加熱至950°C保溫IOOmin后空冷；(3)將步驟(2)得到的鑄錠重新加熱至920°C保溫40min后空冷；(4)將步驟(3)得到的鑄錠重新加熱至230°C保溫IOOmin后，得到貝氏體鋼。將按照上述方法制備的貝氏體鋼進(jìn)行硬度測試，結(jié)果參見表2。對比例1(1)按照表1的成分配料，將配好的原料熔煉，熔煉溫度為1500°C，原料熔化后，再進(jìn)行20min的電磁攪拌，攪拌之后澆鑄，澆鑄溫度為1580°C ；(2)將步驟(1)得到的低碳貝氏體鋼鑄錠的溫度冷卻至940°C時，直接置于pH值為12，密度為1. 15g/cm3的堿性水溶液中淬火，得到貝氏體鋼。將按照上述方法制備的貝氏體鋼進(jìn)行硬度測試，結(jié)果參見表2。對比例2(1)按照表1的成分配料，將配好的原料熔煉，熔煉溫度為1550°C，原料熔化后，再進(jìn)行15min的電磁攪拌，攪拌之后澆鑄，澆鑄溫度為1500°C ；(2)將步驟(1)得到的低碳貝氏體鋼鑄錠的溫度冷卻至880°C時，直接置于PH值為14，密度為1. 65g/cm3的堿性水溶液中淬火，得到貝氏體鋼。將按照上述方法制備的貝氏體鋼進(jìn)行硬度測試，結(jié)果參見表2。表1實施例及對比例中貝氏體鋼成分(wt % )
組別CMnSiCrBTiRESPFe實施例10.151.51.00.10.0030..120.020.0030.002余量實施例10.151.51.50.20.0060100 020.0020.006余量實施例30.202.01.50.80.0040..150.010.0020.003余量實施例40.182.52.00.40.0050..050.020.0090.002余量實施例50.251.82.01.00.0040..150.010.0050.004余量實施例60.303.01.80.20.0050..140.010.0020.009余量對比例10.432.62.000.8000.050.05余量對比例20.382.11.500.5000.040.03余量表2本發(fā)明實施例及對比例提供的貝氏體鋼的硬度測試結(jié)果
權(quán)利要求
1. 一種貝氏體鋼，其特征在于，包括0.lwt% 0.C ；1.5wt% 3.；1.Owt 2. Owt % ^ Si ；0. 003wt % 0. 006wt % 的 B ； 0. 05wt% 0.Ti ；大于零且小于等于1. Owt %的Cr ； 大于零且小于等于0.RE ；0 0.S ；0 0.P ；余量的狗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的貝氏體鋼，其特征在于，所述C的含量為0.15wt % 0.^wt %。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的貝氏體鋼，其特征在于，所述Mn的含量為1.5Wt% 2. 5wt%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的貝氏體鋼，其特征在于，所述Cr的含量為0.2wt% 1.Owt %。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的貝氏體鋼，其特征在于，所述Ti的含量為0.IOwt % 0. 15wt%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的貝氏體鋼，其特征在于，所述RE為La。
7.一種貝氏體鋼的制備方法，其特征在于，包括以下步驟a)、鑄造如下成分的鑄錠0. Iwt % 0. 3wt % 的 C，1. 5wt % 3. Owt % 的 Mn，1. Owt % 2. Owt % 的 Si， 0. 003wt% 0. 006wt%&B，0. 05wt% 0. 15wt% 的 Ti，大于零且小于等于 1. Owt^Cr， 大于零且小于等于0. 03wt%的RE，0 0. Olwt%的S，0 0. Olwt%的P和余量的!^e ；b)、將所述鑄錠進(jìn)行熱處理，具體為bOl)、加熱至900°C 1000°C進(jìn)行預(yù)正火處理；b02)、將步驟bOl)得到的鑄錠加熱至900°C 950°C進(jìn)行二次正火處理；b03)、將步驟得到的鑄錠加熱至200°C 250°C進(jìn)行回火處理，得到貝氏體鋼。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟bOl)中所述預(yù)正火處理的保溫時間為60min 120min，冷卻方式為空冷。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟中所述二次正火處理的保溫時間為30min 60min，冷卻方式為空冷。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟b0!3)中所述回火處理的保溫時間為 90min 120min。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種貝氏體鋼，包括0.1wt％～0.3wt％的C，1.5wt％～3.0wt％的Mn，1.0wt％～2.0wt％的Si，0.003wt％～0.006wt％的B，0.05wt％～0.15wt％的Ti，大于零且小于等于1.0wt％的Cr，大于零且小于等于0.03wt％的RE，0～0.01wt％的S，0～0.01wt％的P和余量的Fe。本發(fā)明還提供了上述貝氏體鋼的制備方法。本發(fā)明提供的貝氏體鋼中添加了Mn、Si、Cr和B等合金元素，并且通過對熱處理工藝進(jìn)行調(diào)整，提高了貝氏體鋼強度的穩(wěn)定性，延長了其在摩擦磨損工況條件下的使用壽命。
文檔編號C22C38/34GK102560261SQ20121008107
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者嚴(yán)峻, 孫偉, 薛會鋒 申請人:三一重型裝備有限公司