專利名稱：含鋁低溫貝氏體鋼的制備方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料技術領域，特別涉及一種鋼鐵材料。
背景技術：
磨損和疲勞是材料破壞的主要形式，在冶金、鐵路、礦山和機械等行業使用的鋼軌、轍叉、襯板、軸承和齒輪等等，絕大部分因材料磨損和疲勞而失效，其造成的經濟損失十分驚人。據統計，在工業發達國家機械裝備及零件的磨損和疲勞所造成的經濟損失占國民經濟總產值的4%左右，因此，高性能耐磨損和抗疲勞鋼產品的研制和開發具有重要意義。低碳貝氏體鋼因其具有高強度、高韌度、適當的硬度使其表現出優良的抗接觸疲勞和耐磨性能，使它成為制作高壽命鋼軌和轍叉等軌道部件的理想材料之一。并且，目前貝氏體鋼在制作鐵路轍叉和鋼軌方面有了越來越廣泛的應用。中碳貝氏體鋼是近幾十年來發展起來的高性能耐磨鋼，這類鋼是在低合金高強度鋼基礎上發展起來的，耐磨性能好，使用壽命可達傳統結構鋼的數倍，成為新一代耐磨鋼的代表。目前，國外高強度耐磨鋼牌號較多，發達國家的一些鋼鐵公司已經有了自己的系列產品和標準，如瑞典奧克隆德的Hardox 系列、德國蒂森克虜伯的Xar系列、日本JFE的Everhard系列等，中國高強度耐磨鋼成分大多采用Mn-Si系列和Cr-Mo-V-B系列。但這些品牌的鋼板大多都是經過軋制生產線上淬火和回火得到淬火回火馬氏體組織，只有個別的是經過控軋控冷技術獲得連續轉變的貝氏體、馬氏體和殘余奧氏體綜合組織。眾所周知，軸承是機械設備中的關鍵基礎零件，它既要具有優良的耐磨性、又要具備高的抗接觸疲勞性能，軸承質量的優劣直接關系到整個設備的使用壽命。而軸承質量的好壞在很大程度上取決于材料及其熱處理工藝。傳統的軸承基本組織基本都是回火馬氏體組織，這種組織硬度高，但韌性較低。為了進一步提高軸承的服役壽命，近年來逐漸發展起了高碳貝氏體組織軸承鋼。目前，世界上公布的關于貝氏體鋼制造技術的專利很多。其中，關于貝氏體鋼轍叉和鋼軌及其制造技術方面，有中國專利ZL200910227861. 2、中國專利CN101423916A以及英國劍橋大學著名的材料科學家Bhadeshia教授發明的專利W09622396A ;關于貝氏體耐磨鋼板及其制造技術方面，有法國工業鋼克魯梭公司Beguinot的專利技術W002004048620-A1(CN1714160A)和中國專利ZL200510079346. 6 ;關于貝氏體軸承鋼的制造工藝技術方面，有中國專利ZL200610102027. 7，瑞典奧瓦科鋼鐵股份公司的專利SE9702852-6 (CN1214368A)和荷蘭SKF工程研究中心公司的專利W00063450 (CN1347462A)。然而，這些技術不能保證鋼完成充分的貝氏體相變；無法使貝氏體鋼達到更高的強度、硬度、韌性和塑性等優異的綜合力學性能。發明內容本發明的目的在于提供一種工藝簡單、能充分貝氏體相變、具有高位錯密度的厚度尺寸跨尺度的含鋁低溫貝氏體鋼的制備方法。本發明的技術方案如下(I)原材料的化學成分(wt % )為C0. 2 1.1、A10. 5 1. 5、SiO. 5 1. 5、MnO. 2 2. O、Crl. O 2. O、NiO 1. O、MoO. 2 O. 5、Ti < O. 01、V < O. 03、Nb < O. 01、S〈0. 02、Ρ〈0· 02,0 < O. OOUH < O. 0001，其余為 Fe，其中鋁和硅含量1. 5 2. 5。(2)采用電爐或者氧氣轉爐冶煉鋼水，將鋼水經過常規爐外精煉和常規真空脫氣處理，再經過常規的軋制或者鍛造成形。(3)最終熱處理工藝為a、將上述鋼加熱到880 950°C進行奧氏體化處理；b、以大于50°C /min的速度冷到鋼的Ms+10°C溫度；C、從鋼的Ms+10 °C溫度，以O. 5 1. O °C /min的速度連續緩慢冷卻到鋼的Ms-1OOXC (wt%) °C溫度，其中C為原料中碳的質量百分比含量；d、在250 350°C保溫20 30min進行奧氏體穩定化處理，隨后空冷至 室溫；e、最后在180 280°C保溫60min回火，空冷至室溫。本發明與現有技術相比具有如下優點1、熱處理工藝中，中溫連續冷卻溫度區間是從鋼的Ms+10°C到Ms-1OOC (wt%) V溫度，冷卻速度十分緩慢，從而保證鋼完成充分的貝氏體相變。2、熱處理工藝中，增加了殘余奧氏體的穩定化處理工藝，從而保證鋼在服役過程中殘余奧氏體的穩定性能，有利于提聞鋼的抗疲勞性能。3、本發明制備的含鋁低溫貝氏體鋼具有貝氏體鐵素體板條厚度尺寸從20nm到300nm跨尺度變化、殘余奧氏體薄膜分布其間的兩相組織結構，表現出高強度、高硬度、高韌性和高塑性等最佳的綜合力學性能。4、具有這種含鋁低溫貝氏體組織的鋼可以用于制造高壽命鐵路鋼軌和轍叉、高性能耐磨鋼板、聞品質軸承等基礎機械零部件。
具體實施例方式實施例1低碳貝氏體鋼鋼軌的制備采用氧氣轉爐熔煉鋼水，用LF爐對上述鋼水進行爐外精煉，再用RH法對上述鋼水進行真空脫氣處理，然后連鑄成鋼坯。該鋼坯的化學成分(wt%)為C0. 20、A10. 50、Sil. 40、MnO. 98、Crl. 52、NiO. 52、MoO. 35、SO. 01、PO. 02，其余為 Fe。對連鑄鋼坯進行開坯熱軋，開軋溫度1150°C，終軋溫度920°C，將其軋制成標準60鋼軌，軋制比為12。經測試，上述鋼的Ms溫度為400°C。將上述鋼軌加熱到950°C進行奧氏體化處理，以55°C /min冷卻速度冷卻到410°C，然后，從410°C開始以O. 60C /min的冷卻速度冷卻到380°C，然后直接在350 V保溫20min后，在空氣中自然冷卻到室溫。最后再將鋼軌加熱到280 V保溫60min后空冷至室溫。在軌頭表層以下20_深度處取縱向試樣測試鋼軌的力學性能，力學性能達到Qb= 1330MPa, σ α2 = 1105MPa, δ 5 = 18%, aKU = 175J/cm2, aKU (40-c) = 92J/cm2, HRC41。實施例2中低碳貝氏體鋼轍叉的制備采用氧氣轉爐熔煉鋼水，用LF爐對上述鋼水進行爐外精煉，再用VD法對上述鋼水進行真空脫氣處理，然后連鑄成鋼坯。該鋼坯的化學成分(wt%)為C0.35、A10.98、Sil. 02、Mnl. 36、Crl. O、Nil. O、MoO. 5、TiO. 008、VO. 0011、NbO. 008、SO. 006、PO. 012、
00.0008, HO. 00008,其余為Fe。對連鑄鋼坯進行開坯熱軋，開軋溫度1170°C，終軋溫度950°C。軋制坯斷面尺寸為120X 190mm，軋制比為7。經測試，上述鋼的Ms溫度為350°C。將上述鋼坯加熱到940°C進行奧氏體化處理，以60°C /min的速度冷卻到360°C，然后，從360°C開始以O. 70C /min的速度冷卻到320°C，接著把爐溫保持在320°C保溫25min后，在空氣中自然冷卻到室溫。最后再將鋼坯加熱到260°C保溫60min后空冷至室溫。在軋坯表面下30mm處切取力學性能試樣，測試得到經過這種處理的鋼的力學性能為0b = 1551MPa，σ 0 2 = 1276MPa, δ 5 = 16%, aKU = 132J/cm2，HRC46。實施例3中碳貝氏體鋼耐磨板的制備采用氧氣轉爐熔煉鋼水，用LF爐對上述鋼水進行爐外精煉，再用RH法對上述鋼水進行真空脫氣處理，然后連鑄成鋼坯。該鋼坯的化學成分(wt%)為C0.48、A10.76、Sil. 50、Μη2· 0、Cr2. 0、Μο0· 43,SO. 019,PO. 019，其余為 Fe。軋制耐磨鋼板的厚度為 18mm,寬度為3m。經測試，上述鋼的Ms溫度為250°C。將上述鋼板加熱到920°C進行奧氏體化處理，以70°C /min速度冷卻到260°C，然后，從260°C開始以1. (TC /min的速度冷卻到202°C，直接 在300°C保溫30min后，在空氣中自然冷卻到室溫。最后再將鋼板加熱到250°C保溫60min后空冷至室溫。機械性能為ob= 1721MPa，σ 0 2 = 1446MPa, δ5 = 10%,aKU = 98J/cm2，HRC56。實施例4高碳貝氏體軸承鋼的制備采用氧氣轉爐熔煉鋼水，用LF爐對上述鋼水進行爐外精煉，再用VD法對上述鋼水進行真空脫氣處理，然后連鑄成鋼坯。該鋼坯的化學成分為(wt%) :C1. 10、A11.50、
SiO.50、MnO. 20、Crl. 52、MoO. 20、SO. 005、PO. 008、00. 0008、HO. 0001，其余為 Fe。采用常規的鍛造工藝對鋼坯進行塑性熱變形加工，鍛造比為9。經測試，上述鋼經過900°C奧氏體化后Ms溫度為200°C。將上述鋼加熱到900°C進行奧氏體化處理，以60°C /min冷卻速度冷卻到210°C，然后，從210°C開始以0. 60C /min的冷卻速度冷卻到100°C，把爐溫直接升到250°C保溫25min后，在空氣中冷卻到室溫。最后再將鋼加熱到180°C保溫60min后空冷至室溫。獲得的整體硬貝氏體軸承的硬度為HRC62、σ b = 2400MPa, σ 0 2 = 2186MPa, δ 5 =5%, aKU = 22J/cm2，其抗滾動接觸疲勞性能比普通淬火回火馬氏體組織GCrl5軸承鋼提高1. 2 倍。實施例5中低碳貝氏體鋼轍叉的制備采用氧氣轉爐熔煉鋼水，用LF爐對上述鋼水進行爐外精煉，再用RH法對上述鋼水進行真空脫氣處理，然后連鑄成鋼坯。該鋼坯的化學成分(wt%)為C0. 30、A10. 58,Sil. O、Mnl. 67、Crl. 32、NiO. 42、MoO. 40、TiO. 008、V0. 0009、NbO. 007、SO. 008、PO. 010、00. 0008、HO. 00009,其余為Fe。對連鑄鋼坯進行開坯熱軋，開軋溫度1180°C，終軋溫度960°C。軋制坯斷面尺寸為120X 190mm，軋制比為8。經測試，上述鋼的Ms溫度為340°C。將上述鋼坯加熱到930°C進行奧氏體化處理，以65°C /min的速度冷卻到350°C，然后，從350°C開始以0. 80C /min的速度冷卻到310°C，接著把爐溫保持在310°C保溫27min后，在空氣中自然冷卻到室溫。最后再將鋼坯加熱到250°C保溫60min后空冷至室溫。在軋坯表面下30mm處切取力學性能試樣，測試得到經過這種處理的鋼的力學性能為Wb = 1389MPa，σ α2 =1159MPa, δ 5 = 17%, aKU = 151J/cm2, HRC43。實施例6
高碳貝氏體軸承鋼的制備采用氧氣轉爐熔煉鋼水，用LF爐對上述鋼水進行爐外精煉，再用RH法對上述鋼水進行真空脫氣處理，然后連鑄成鋼坯。該鋼坯的化學成分為(wt%) :C0.98、A11.00、
Sil.22、ΜηΟ· 46, Crl. 61、ΜοΟ· 25、SO. 004、PO. 011、00. 0008、HO. 00009，其余為 Fe。采用常規的鍛造工藝對鋼坯進行塑性熱變形加工，鍛造比為8。經測試，上述鋼經過900°C奧氏體化后Ms溫度為200°C。將上述鋼加熱到880°C進行奧氏體化處理，以60°C /min冷卻速度冷卻到210°C，然后，從210°C開始以O. 60C /min的冷卻速度冷卻到100°C，把爐溫直接升到260°C保溫28min后，在空氣中冷卻到室溫。最后再將鋼加熱到180°C保溫60min后空冷至室溫。獲得的整體硬貝氏體軸承的硬度為HRC61、σ b = 2277MPa，σ 0 2 = 2008MPa, δ 5 =5%, aKU = 24J/cm2，其抗滾動接觸疲勞性能比普通淬火回火馬氏體組織GCrl5軸承鋼提高1.3 倍。
權利要求
1.含鋁低溫貝氏體鋼的制備方法，其特征在于 (1)原材料的化學成分質量比被％為:C0.2 1. 1、Α10· 5 1. 5、SiO. 5 1. 5、ΜηΟ· 2 2. O、Crl. O 2. O、NiO 1. O、MoO. 2 O. 5、Ti < O. 01、V < O. 03、Nb < O. 01、S〈0. 02、Ρ〈0· 02,0 < O. 001、H < O. 0001，其余為Fe，其中鋁和硅含量之和為1. 5 2. 5 ; (2)采用電爐或者氧氣轉爐冶煉鋼水，將鋼水經過常規爐外精煉和常規真空脫氣處理，再經過常規的軋制或者鍛造成形； (3)最終熱處理工藝為 a、將上述鋼加熱到880 950°C進行奧氏體化處理； b、以大于50°C/min的速度冷到鋼的Ms+10°C溫度； C、從鋼的Ms+10 V溫度，以O. 5 1. O V /min的速度連續緩慢冷卻到鋼的Ms-100 XCwt %°C 溫度； d、在250 350°C保溫20 30min進行奧氏體穩定化處理，隨后空冷至室溫； e、最后在180°C 280°C保溫60min回火，空冷至室溫。
全文摘要
一種含鋁低溫貝氏體的制備方法，其原材料為含鋁量0.5～1.5wt％、含碳量0.2～1.1wt％的合金鋼，其它主要合金元素為Cr、Si、Mo、Mn和Ni。經過冶煉鋼水，爐外精煉和真空脫氣，再軋制或者鍛造成形。將上述鋼加熱到880-950℃；以大于50℃/min的速度冷到鋼的Ms+10℃溫度；從鋼的Ms+10℃溫度，以0.5-1.0℃/min的速度連續緩冷到鋼的Ms-100×C wt％℃溫度；在250-350℃保溫20-30min，空冷至室溫；在180-280℃保溫60min，空冷至室溫。本發明工藝簡單，可獲得貝氏體鐵素體板條厚度尺寸從20nm到300nm跨尺度變化、殘余奧氏體薄膜分布其間的組織結構。
文檔編號C21D8/00GK103014527SQ201210504420
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月29日 優先權日2012年11月29日
發明者張福成, 呂博, 王天生, 鄭煬曾, 張明, 鄭春雷, 楊志南 申請人:燕山大學