一種高氮納米貝氏體鋼及其制備方法

　　【技術(shù)領(lǐng)域】

　　[0001]本發(fā)明涉及一種高氮納米貝氏體鋼及其制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。

　　【背景技術(shù)】

　　[0002]20世紀50年代，英國人Pickering等發(fā)明了 Mo_B系空冷貝氏體鋼。Mo和B的結(jié)合可以使鋼在相當寬的連續(xù)冷卻速度范圍內(nèi)獲得貝氏體組織。20世紀70年代初清華大學方鴻生在研究中發(fā)現(xiàn)，當Μη在一定含量時，使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線上存在明顯的上下C曲線分離，Μη與Β的結(jié)合，使高溫轉(zhuǎn)變孕育期較中溫轉(zhuǎn)變增長，以此為理論依據(jù)成功地用普通元素即可進行合金化，發(fā)明了 Μη-Β系空冷貝氏體鋼。西北工業(yè)大學的康沫狂、楊延清等人研制了 S1-Mn-Mo系準貝氏體鋼。他們在鋼中加入S1、Al等阻礙碳化物析出的合金元素，在空冷時得到貝氏體鐵素體和奧氏體組成的非典型或碳化物貝氏體，稱為準貝氏體。Bhadeshia等利用高碳高硅鋼在較低的溫度進行長時間的等溫轉(zhuǎn)變，可以獲得組織極其細小的貝氏體組織，其貝氏體鐵素體板條厚度最低能夠達到30 nm，富碳的殘余奧氏體薄膜均勻分布于鐵素體板條間，這種組織超細的貝氏體被稱為納米貝氏體。

　　[0003]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)枮?01310424351.0，公開了一種低溫溫乳制備2000MPa級納米尺度貝氏體鋼工藝，其化學成分是通過添加Cr、Mo、V、Nb等元素，最終獲得超細貝氏體中亞結(jié)構(gòu)為厚度20?40nm的薄片貝氏體鐵素體和厚度小于10nm的富碳殘余奧氏體薄膜。檢索中還發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)枮?01310423172.5，該專利公開了一種2100MPa納米貝氏體鋼的制備方法，其化學成分是通過添加Mo、Cr、Co、A1等元素，最終獲得納米尺寸貝氏體鐵素體板條和薄膜狀殘余奧氏體組成的雙相組織。檢索中還發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?01410135887.5，一種2400MPa級低成本納米貝氏體鋼的制備方法，其化學成分是主要通過添加A1元素，最終獲得了超細貝氏體中顯微結(jié)構(gòu)為厚度(100nm的薄片貝氏體鐵素體板條和分布在板條間的薄膜狀富碳殘余奧氏體，組織中無滲碳體析出。

　　[0004]通常，氮元素被視為鋼中的一種有害元素。如鐵水、廢鋼、出鋼過程中吸氮等，都會造成鋼中氮含量增加。近年來隨著高氮不銹鋼的成功應(yīng)用，氮作為合金元素的作用，越來越受到重視。研究表明，氮作為鋼中的間隙原子，與碳相比，氮是一種更有效的固溶強化元素，在高氮鋼中氮作為合金元素可以和鋼中的其他合金元素交互作用，而賦予該鋼種許多優(yōu)異性能。經(jīng)過文獻檢索發(fā)現(xiàn)，氮元素的強化作用已經(jīng)在不銹鋼、高速工具鋼、模具鋼中廣泛應(yīng)用。因此，設(shè)計出高氮的納米貝氏體鋼對于發(fā)展我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)具有重要意義。

　　【發(fā)明內(nèi)容】

　　[0005]本發(fā)明旨在提供一種高氮納米貝氏體鋼及其制備方法，由于加入了氮元素，所得高氮納米貝氏體鋼性能優(yōu)異。

　　[0006]本發(fā)明提供了一種高氮納米貝氏體鋼，由以下重量百分比的化學元素組成:

　　C: 0.81-1.09%，S1: 1.7-2.9%，

　　Μη: 1.8-3.3%，

　　Nb: 0.04-0.11%，

　　V:0.13-0.22%，

　　N:310ppm < N < 500ppm，

　　S 0.01%，

　　P 0.01%，

　　其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。

　　[0007]優(yōu)選地，所述的高氮納米貝氏體鋼由以下重量百分比的化學元素組成:

　　C: 0.86-1.00%，

　　S1: 1.8-2.5%，

　　Μη: 2.1-3.0%，

　　Nb: 0.05-0.09%,

　　V:0.15-0.20%，

　　N:320ppm < N < 500ppm，

　　S 0.01%，

　　P 0.01%，

　　其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。

　　[0008]本發(fā)明提供了一種所述的高氮納米貝氏體鋼的制備方法，包括以下步驟:

　　第一步，首先將鋼迅速加熱到奧氏體化溫度900-1200°C，等溫5-50min后淬火到室溫;

　　第二步，然后再將鋼迅速加熱到奧氏體化溫度800-1100°C，等溫5-50min，使奧氏體晶粒細化；

　　采取較低的奧氏體化溫度是為了使奧氏體晶粒更加細化；

　　第三步，再將鋼快速淬火到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度；所述貝氏體轉(zhuǎn)變溫度在300-600°C之間；第四步，然后在上述貝氏體轉(zhuǎn)變溫度300-600°C進行保溫l_6h，且要在氮氣氣氛中進行保溫，以獲得納米級的貝氏體顯微組織；

　　第五步，最后再淬火到室溫，在室溫獲得穩(wěn)定的納米貝氏體顯微組織。

　　[0009]進一步地，所述第三步中快速淬火的速度為50~100°C /s，采用水冷卻。

　　[0010]所述第四步中等溫過程要在氮氣氣氛中進行，以保證納米貝氏體組織的穩(wěn)定性。

　　[0011]本發(fā)明的有益效果:

　　(1)本發(fā)明加入氮元素可以穩(wěn)定奧氏體組織，而且可以提高殘余奧氏體相對于貝氏體相的穩(wěn)定性；氮的加入還可以改善納米貝氏體鋼的各種腐蝕，包括點蝕、應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕的性能；

　　(2)由于氮的存在，在鋼材表面形成了一層富氮鈍化膜而抗腐蝕；

　　(3)氮的引入，抑制了碳化物的析出，從而避免因碳化物的析出而引起的晶間腐蝕；

　　(4)本設(shè)計的含氮鋼具有較低的蠕變速率，由于亞晶界上細小的富Nb和V的MX相，它與M2X型析出物組合在一起，穩(wěn)定精細的位錯結(jié)構(gòu)，從而延緩了該鋼的回復性能，進而使蠕變速率降低； (5)采用本成分范圍的高氮納米貝氏體鋼，避免了在煉鋼過程中脫氮所采取的各種技術(shù)措施，降低了成本。

　　【附圖說明】

　　[0012]圖1是實施例1產(chǎn)品的顯微組織結(jié)構(gòu)圖。

　　【具體實施方式】

　　[0013]下面通過實施例來進一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實施例。

　　[0014]實施例1

　　本發(fā)明實施例鋼的組分及重量百分比含量為:c:0.81%，Si:1.82%，Μη:2.80%，Nb:0.05%，V:0.18%，N:330ppm，P:0.0095%, S:0.0023%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。

　　[0015]制備方法如下:

　　首先將鋼以20°C /s的速度加熱到奧氏體化溫度950°C，等溫lOmin后淬火到室溫；然后再將鋼以20°C /s的速度迅速加熱到奧氏體化溫度850°C，等溫8min ;再將鋼以50°C /s的速度淬火到溫度40(TC ;然后在淬火溫度400°C進行保溫，且要在氮氣氣氛中進行保溫2h ;最后再淬火到室溫，在室溫獲得穩(wěn)定的納米貝氏體顯微組織。在顯微鏡下觀察其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　[0016

　　]根據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》檢驗所得復相鋼產(chǎn)品，拉伸實驗在Zwick T1-FR020TN A50標準拉伸實驗機上進行。經(jīng)測試，鋼的抗拉強度Rm為1935MPa，屈服強度Rpa2S 1567MPa，總延伸率為13.2%。

　　[0017]實施例2

　　本發(fā)明實施例鋼的組分及重量百分比含量為:c:0.81%，Si:1.82%，Μη:2.80%，Nb:0.05%，V:0.18%，N:330ppm，P:0.0095%, S:0.0023%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。

　　[0018]制備方法如下:

　　首先將鋼以15°C /s的速度加熱到奧氏體化溫度920°C，等溫9min后淬火到室溫；然后再將鋼以20°C /s的速度迅速加熱到奧氏體化溫度810°C，等溫6min ;再將鋼以50°C /s的速度淬火到溫度380°C ;然后在淬火溫度380°C進行等溫，且要在氮氣氣氛中進行保溫3h ;最后再淬火到室溫，在室溫獲得穩(wěn)定的納米貝氏體顯微組織。

　　[0019]根據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》檢驗所得復相鋼產(chǎn)品，拉伸實驗在Zwick T1-FR020TN A50標準拉伸實驗機上進行。經(jīng)測試，鋼的抗拉強度Rm為1956MPa，屈服強度Rpa2S 1573MPa，總延伸率為13.0%。

　　[0020]實施例3

　　本發(fā)明實施例鋼的組分及重量百分比含量為:c:0.98%，Si:1.87%，Μη:2.9%，Nb:0.06%，V:0.17%，N:400ppm，P:0.0086%，S:0.0033%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。

　　[0021]制備方法如下:

　　首先將鋼以15°C /s的速度加熱到奧氏體化溫度1000°C，等溫20min后淬火到室溫；然后再將鋼以15°C /s的速度迅速加熱到奧氏體化溫度900°C，等溫lOmin ;再將鋼以50°C /s的速度淬火到溫度360°C ;然后在淬火溫度360°C進行等溫，且要在氮氣氣氛中進行保溫3h ;最后再淬火到室溫，在室溫獲得穩(wěn)定的納米貝氏體顯微組織。

　　[0022]根據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》檢驗所得復相鋼產(chǎn)品，拉伸實驗在Zwick T1-FR020TN A50標準拉伸實驗機上進行。經(jīng)測試，鋼的抗拉強度Rm為1975MPa，屈服強度Rpa2S 1634MPa，總延伸率為12.6%。

　　[0023]實施例4

　　本發(fā)明實施例鋼的組分及重量百分比含量為:c:0.98%，Si:1.87%，Μη:2.9%，Nb:0.06%，V:0.17%，N:400ppm，P:0.0086%，S:0.0033%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。

　　[0024]制備方法如下:

　　首先將鋼以15°C /s的速度加熱到奧氏體化溫度1200°C，等溫8min后淬火到室溫；然后再將鋼以10°C /s的速度迅速加熱到奧氏體化溫度1100°C，等溫5min ;再將鋼以60°C /s的速度淬火到溫度340°C ;然后在淬火溫度340°C進行等溫，且要在氮氣氣氛中進行保溫4h ;最后再淬火到室溫，在室溫獲得穩(wěn)定的納米貝氏體顯微組織。

　　[0025]根據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》檢驗所得復相鋼產(chǎn)品，拉伸實驗在Zwick T1-FR020TN A50標準拉伸實驗機上進行。經(jīng)測試，鋼的抗拉強度Rm為2021MPa，屈服強度Rpa2S 1789MPa，總延伸率為12.2%。

　　[0026]本發(fā)明中由于加入了氮元素，所得高氮納米貝氏體鋼性能優(yōu)異。中國專利201310423172.5中，公開了一種2100MPa納米貝氏體鋼的制備方法，涉及到的鋼種的抗拉強度為1600-2100MPa，延伸率在6%_12%之間。而本發(fā)明所制備的高氮納米貝氏體鋼延伸率在12%以上，且具有其相當高的強度。

　　【主權(quán)項】

　　1.一種高氮納米貝氏體鋼，其特征在于:由以下重量百分比的化學元素組成:C: 0.81-1.09%，S1: 1.7-2.9%，Μη: 1.8-3.3%，Nb: 0.04-0.11%， V:0.13-0.22%， N:310ppm < N < 500ppm， S 0.01%， P 0.01%， 其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高氮納米貝氏體鋼，其特征在于:由以下重量百分比的化學元素組成:C: 0.86-1.00%，S1: 1.8-2.5%，Μη: 2.1-3.0%，Nb: 0.05-0.09%, V:0.15-0.20%， N:320ppm < N < 500ppm， S 0.01%， P 0.01%， 其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。3.一種權(quán)利要求1或2所述的高氮納米貝氏體鋼的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 第一步，首先將鋼迅速加熱到奧氏體化溫度900-1200°C，等溫5-50min后淬火到室溫; 第二步，然后再將鋼迅速加熱到奧氏體化溫度800-1100°C，等溫5-50min，使奧氏體晶粒細化； 第三步，再將鋼快速淬火到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度300-600°C ； 第四步，然后在上述貝氏體轉(zhuǎn)變溫度300-600°C進行保溫l_6h，且要在氮氣氣氛中進行保溫，以獲得納米級的貝氏體顯微組織； 第五步，最后再淬火到室溫，在室溫獲得穩(wěn)定的納米貝氏體顯微組織。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高氮納米貝氏體鋼的制備方法，其特征在于:所述第三步中快速淬火的速度為50~100°C /s，采用水冷卻。

　　【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高氮納米貝氏體鋼及其制備方法，各組分重量百分比為：C：0.81-1.09%，Si：1.7-2.9%，Mn：1.8-3.3%，Nb：0.04-0.11%，V：0.13-0.22%，N：310ppm≤N≤500ppm，P：≤0.01%，S：≤0.01%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)；制備方法為：首先將鋼加熱到奧氏體化溫度，等溫后淬火到室溫；然后再加熱到奧氏體化溫度等溫；再將鋼快速淬火到溫度Bs～Bf之間；然后保持在該淬火溫度，在氮氣氣氛中保溫，獲得納米級的貝氏體鋼；最后再淬火到室溫，獲得穩(wěn)定的納米貝氏體顯微組織。本發(fā)明避免了在煉鋼過程中脫氮所采取的技術(shù)措施，降低了成本。

　　【IPC分類】C22C33/04, C22C38/12

　　【公開號】CN105256229

　　【申請?zhí)枴緾N201510722912

　　【發(fā)明人】劉和平, 王志云, 劉斌, 白培康, 李大趙, 李志勇, 孫鳳兒

　　【申請人】中北大學

　　【公開日】2016年1月20日

　　【申請日】2015年10月29日