專利名稱：含鋁低溫貝氏體鋼的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋼鐵材料。
背景技術(shù)：
磨損和疲勞是材料破壞的主要形式，在冶金、鐵路、礦山和機(jī)械等行業(yè)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(jīng)濟(jì)損失十分驚人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)械裝備及零件的磨損和疲勞所造成的經(jīng)濟(jì)損失占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的4%左右，因此，高性能耐磨損和抗疲勞鋼產(chǎn)品的研制和開(kāi)發(fā)具有重要意義。低碳貝氏體鋼因其具有高強(qiáng)度、高韌度、適當(dāng)?shù)挠捕仁蛊浔憩F(xiàn)出優(yōu)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(lái)越廣泛的應(yīng)用。中碳貝氏體鋼是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高性能耐磨鋼，這類鋼是在低合金高強(qiáng)度鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，耐磨性能好，使用壽命可達(dá)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼的數(shù)倍，成為新一代耐磨鋼的代表。目前，國(guó)外高強(qiáng)度耐磨鋼牌號(hào)較多，發(fā)達(dá)國(guó)家的一些鋼鐵公司已經(jīng)有了自己的系列產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)，如瑞典奧克隆德的Hardox 系列、德國(guó)蒂森克虜伯的Xar系列、日本JFE的Everhard系列等，中國(guó)高強(qiáng)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(jīng)過(guò)軋制生產(chǎn)線上淬火和回火得到淬火回火馬氏體組織，只有個(gè)別的是經(jīng)過(guò)控軋控冷技術(shù)獲得連續(xù)轉(zhuǎn)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(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵基礎(chǔ)零件，它既要具有優(yōu)良的耐磨性、又要具備高的抗接觸疲勞性能，軸承質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的使用壽命。而軸承質(zhì)量的好壞在很大程度上取決于材料及其熱處理工藝。傳統(tǒng)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(jìn)一步提高軸承的服役壽命，近年來(lái)逐漸發(fā)展起了高碳貝氏體組織軸承鋼。目前，世界上公布的關(guān)于貝氏體鋼制造技術(shù)的專利很多。其中，關(guān)于貝氏體鋼轍叉和鋼軌及其制造技術(shù)方面，有中國(guó)專利ZL200910227861. 2、中國(guó)專利CN101423916A以及英國(guó)劍橋大學(xué)著名的材料科學(xué)家Bhadeshia教授發(fā)明的專利W09622396A ;關(guān)于貝氏體耐磨鋼板及其制造技術(shù)方面，有法國(guó)工業(yè)鋼克魯梭公司Beguinot的專利技術(shù)W002004048620-A1(CN1714160A)和中國(guó)專利ZL200510079346. 6 ;關(guān)于貝氏體軸承鋼的制造工藝技術(shù)方面，有中國(guó)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(shù)不能保證鋼完成充分的貝氏體相變；無(wú)法使貝氏體鋼達(dá)到更高的強(qiáng)度、硬度、韌性和塑性等優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡(jiǎn)單、能充分貝氏體相變、具有高位錯(cuò)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(fā)明的技術(shù)方案如下(I)原材料的化學(xué)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(zhuǎn)爐冶煉鋼水，將鋼水經(jīng)過(guò)常規(guī)爐外精煉和常規(guī)真空脫氣處理，再經(jīng)過(guò)常規(guī)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(jìn)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(shè). 5 1. O °C /min的速度連續(xù)緩慢冷卻到鋼的Ms-1OOXC (wt%) °C溫度，其中C為原料中碳的質(zhì)量百分比含量；d、在250 350°C保溫20 30min進(jìn)行奧氏體穩(wěn)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(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、熱處理工藝中，中溫連續(xù)冷卻溫度區(qū)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(wěn)定化處理工藝，從而保證鋼在服役過(guò)程中殘余奧氏體的穩(wěn)定性能，有利于提聞鋼的抗疲勞性能。3、本發(fā)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(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高硬度、高韌性和高塑性等最佳的綜合力學(xué)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(zhì)軸承等基礎(chǔ)機(jī)械零部件。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1低碳貝氏體鋼鋼軌的制備采用氧氣轉(zhuǎn)爐熔煉鋼水，用LF爐對(duì)上述鋼水進(jìn)行爐外精煉，再用RH法對(duì)上述鋼水進(jìn)行真空脫氣處理，然后連鑄成鋼坯。該鋼坯的化學(xué)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(duì)連鑄鋼坯進(jìn)行開(kāi)坯熱軋，開(kāi)軋溫度1150°C，終軋溫度920°C，將其軋制成標(biāo)準(zhǔn)60鋼軌，軋制比為12。經(jīng)測(cè)試，上述鋼的Ms溫度為400°C。將上述鋼軌加熱到950°C進(jìn)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(kāi)始以O(shè). 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(cè)試鋼軌的力學(xué)性能，力學(xué)性能達(dá)到Qb= 1330MPa, σ α2 = 1105MPa, δ 5 = 18%, aKU = 175J/cm2, aKU (40-c) = 92J/cm2, HRC41。實(shí)施例2中低碳貝氏體鋼轍叉的制備采用氧氣轉(zhuǎn)爐熔煉鋼水，用LF爐對(duì)上述鋼水進(jìn)行爐外精煉，再用VD法對(duì)上述鋼水進(jìn)行真空脫氣處理，然后連鑄成鋼坯。該鋼坯的化學(xué)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(duì)連鑄鋼坯進(jìn)行開(kāi)坯熱軋，開(kāi)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(jīng)測(cè)試，上述鋼的Ms溫度為350°C。將上述鋼坯加熱到940°C進(jìn)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(kāi)始以O(shè). 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(xué)性能試樣，測(cè)試得到經(jīng)過(guò)這種處理的鋼的力學(xué)性能為0b = 1551MPa，σ 0 2 = 1276MPa, δ 5 = 16%, aKU = 132J/cm2，HRC46。實(shí)施例3中碳貝氏體鋼耐磨板的制備采用氧氣轉(zhuǎn)爐熔煉鋼水，用LF爐對(duì)上述鋼水進(jìn)行爐外精煉，再用RH法對(duì)上述鋼水進(jìn)行真空脫氣處理，然后連鑄成鋼坯。該鋼坯的化學(xué)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(jīng)測(cè)試，上述鋼的Ms溫度為250°C。將上述鋼板加熱到920°C進(jìn)行奧氏體化處理，以70°C /min速度冷卻到260°C，然后，從260°C開(kāi)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(jī)械性能為ob= 1721MPa，σ 0 2 = 1446MPa, δ5 = 10%,aKU = 98J/cm2，HRC56。實(shí)施例4高碳貝氏體軸承鋼的制備采用氧氣轉(zhuǎn)爐熔煉鋼水，用LF爐對(duì)上述鋼水進(jìn)行爐外精煉，再用VD法對(duì)上述鋼水進(jìn)行真空脫氣處理，然后連鑄成鋼坯。該鋼坯的化學(xué)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(guī)的鍛造工藝對(duì)鋼坯進(jìn)行塑性熱變形加工，鍛造比為9。經(jīng)測(cè)試，上述鋼經(jīng)過(guò)900°C奧氏體化后Ms溫度為200°C。將上述鋼加熱到900°C進(jìn)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(kāi)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?jié)L動(dòng)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(shí)施例5中低碳貝氏體鋼轍叉的制備采用氧氣轉(zhuǎn)爐熔煉鋼水，用LF爐對(duì)上述鋼水進(jìn)行爐外精煉，再用RH法對(duì)上述鋼水進(jìn)行真空脫氣處理，然后連鑄成鋼坯。該鋼坯的化學(xué)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(duì)連鑄鋼坯進(jìn)行開(kāi)坯熱軋，開(kāi)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(jīng)測(cè)試，上述鋼的Ms溫度為340°C。將上述鋼坯加熱到930°C進(jìn)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(kāi)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(xué)性能試樣，測(cè)試得到經(jīng)過(guò)這種處理的鋼的力學(xué)性能為Wb = 1389MPa，σ α2 =1159MPa, δ 5 = 17%, aKU = 151J/cm2, HRC43。實(shí)施例6
高碳貝氏體軸承鋼的制備采用氧氣轉(zhuǎn)爐熔煉鋼水，用LF爐對(duì)上述鋼水進(jìn)行爐外精煉，再用RH法對(duì)上述鋼水進(jìn)行真空脫氣處理，然后連鑄成鋼坯。該鋼坯的化學(xué)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(guī)的鍛造工藝對(duì)鋼坯進(jìn)行塑性熱變形加工，鍛造比為8。經(jīng)測(cè)試，上述鋼經(jīng)過(guò)900°C奧氏體化后Ms溫度為200°C。將上述鋼加熱到880°C進(jìn)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(kāi)始以O(shè). 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?jié)L動(dòng)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(quán)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(xué)成分質(zhì)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(zhuǎn)爐冶煉鋼水，將鋼水經(jīng)過(guò)常規(guī)爐外精煉和常規(guī)真空脫氣處理，再經(jīng)過(guò)常規(guī)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(jìn)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(shè). 5 1. O V /min的速度連續(xù)緩慢冷卻到鋼的Ms-100 XCwt %°C 溫度； d、在250 350°C保溫20 30min進(jìn)行奧氏體穩(wěn)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(jīng)過(guò)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(xù)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(fā)明工藝簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)C21D8/00GK103014527SQ201210504420
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者張福成, 呂博, 王天生, 鄭煬曾, 張明, 鄭春雷, 楊志南 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)