高强韧性高淬透性空冷贝氏体钢

摘要

本发明提供一种高强韧性高淬透性空冷贝氏体合金结构钢，属合金钢领域。钢的成分为(％wt)：C0.05—0.50，Si1.00—3.00，Mn2.00—4.00，Mo0.31—0.49，B0.0005—0.005。;本发明的钢具有高的贝氏体淬透性，当其从高温奥氏体状态空冷后即获得贝氏体组织，具有优良的高强韧性。本发明的钢适宜于以锻轧热成型状态或铸造成型状态用于制造需要高强韧性能的大尺寸的重型机件，也适宜于制造普通尺寸的高强韧机件。本发明的钢不需淬火热处理，因而热加工工艺简化，能源节省，设备节省，生产率提高。

说明书

本发明提供一种高强韧性高淬透性空冷贝氏体合金结构钢，属合金钢领域。

近些年对贝氏体的研究进展表明，粒状贝氏体等非典型贝氏体表现出了比回火马氏体较为优越的力学性能：在等强度下，具有较高的冲击韧性和断裂韧性，较长的疲劳寿命，较高的硬化指数，较高的均匀面缩率和较高的均匀伸长率，较高的裂纹形核功和裂纹扩展功，相等的疲劳强度。其缺点是较低的屈服强度和屈强比。因此得出结论：粒状贝氏体等非典型贝氏体的综合力学性能优良，具有广泛应用前景。于是，近些年在应用上兴起了空冷贝氏体钢这个新钢种，新钢种省去了通常的淬火热处理，不仅免除了淬火缺陷，更重要的是节省了能源和设备，简化了生产工艺过程，从而提高了生产率，降低了成本。在现有的空冷贝氏体钢中，YB6-71中的钢号15SiMn3Mo虽然原设计不是空冷贝氏体钢，但具有空冷贝氏体钢的特征，该钢虽然以价廉的Si、Mn为合金元素，但使用了高达0.5-0.6%的Mo，这就使得钢具有高居不下的成本，因而一直未能推广应用。中国专利CN1036231A所提供的Si-Mn-Mo钢，由于Mo含量较少（0.2-0.3%），且不含B，因而贝氏体淬透性显得不足，不能使大尺寸重型机件在锻轧后空冷时稳定地获得所希望的粒状贝氏体等非典型贝氏体组织，致使韧性不足。

本发明的目的是提供一种高强韧性高淬透性的空冷贝氏体钢，以满足重要的大尺寸重型机件对钢高强韧性和高淬透性的同时要求，以及满足重要的普通尺寸高强韧性能机件的要求，并使成本较低。

本发明所提供的钢的化学成分范围为（%wt.）：

C    Si    Mn    Mo    B

0.05    1.00    2.00    0.31    0.0005

-0.50    -3.00    -4.00    -0.49    -0.005

余为Fe。

钢中还含有元素Re    0.001-0.3（%wt.）。

除上述所述成分外，钢中还可以含有一种或一种以上的下列元素（%wt.）：

Ca    Mg    Ga    Be    Cu    Ti    V

0.001    0.001    0.001    0.001    0.01    0.001    0.001

-0.1    -0.1    -0.1    -0.5    -0.5    -0.05    -0.5

钢中的C、Si、Mn含量在较宽的范围内供选用，以适应不同的需要，当成分为（%wt.）：

（1）C0.05-0.15、Si+Mn4-6，钢的无珠光体理想临界贝氏体淬透直径为110-190mm，抗拉强度为750-1000MPa。

（2）C0.15-0.25、Si+Mn4-6，钢的无珠光体理想临界贝氏体淬透直径为170-240mm，抗拉强度为950-1200MPa。

（3）C0.25-0.35、Si+Mn4-6，钢的无珠光体理想临界贝氏体淬透直径为220-270mm，抗拉强度为1150-1450MPa。

（4）C0.35-0.50、Si+Mn4-6，钢的无珠光体理想临界贝氏体淬透直径为250-290mm，抗拉强度为1350-1700MPa。

本发明所提供的钢其热加工工艺参数为：铸造浇注温度1500-1650℃。锻轧热成型温度1250-550℃。铸造或锻轧热成型后在900-300℃之间以平均冷速＞1℃/min的速率空冷，再于250-500℃回火，即可使用而无需再进行淬火回火热处理。但是该钢也适应进行合金结构钢的各种常规热处理，例如退火、正火、淬火、回火、渗碳、渗氮等。

本发明采用足量强烈提高淬透性的Mn元素进行合金化，与能最有效获得贝氏体淬透性的Mo-B配合合金化相协同，使得钢不仅具有高的淬透性，而且能保证获得所希望的贝氏体组织。采用了中等的Mo含量，既保证获得贝氏体，又不使成本太高。由于粒状贝氏体等非典型贝氏体的基体是饱和度不高的铁素体，为保证足够的强韧性，必须加入足够量的Si元素以保证获得粒状贝氏体，并使铁素体基体强韧化。微量B对获得高的贝氏体淬透性有重要作用，在用微量B合金化时，只要炼钢时在加B前做到脱氧定氮，并用Re保护B，加B的技术是容易掌握的，我国已有35年生产硼钢的经验。当使用B合金化时，同时配合加入稀土元素Re，能很有效地提高钢的淬透性和韧性。微量元素Ca、Mg、Ga、Be均能有效提高钢的韧性。Ti和V使钢晶粒细化，以使高温热加工后空冷时仍具有细的晶粒尺度，从而进一步保证了空冷后的高强韧性。元素Cu能提高钢的耐大气腐蚀性，并使铁素体基体强韧性进一步提高。元素B、Re、Ca、Mg等能有效地抑制铸件凝固时柱状晶的发展，这对于改善钢锭组织，以及改善离心铸造厚壁管重型机件都是很有好处的。

本发明所提供的钢，既能在锻轧热成型状态使用，也能在铸造成型状态使用。由于该钢具有高强韧性、高淬透性、空冷获得贝氏体三大特点，就使得该钢特别适宜于用作制造重要的要求高强韧性的大尺寸重型机件，厚壁长管重型机件（例如钻铤、加重钻杆、钻杆、高压釜、轴、发电机转子轴、汽轮机转子轴等），模具等，以及用于制造重要的要求高强韧性的普通尺寸机件，例如汽车、拖拉机、机车车辆、船舶、矿山与钻探机械、工程机械、发动机等的轴、曲轴、连杆、齿轮、紧固件、车轮、轮箍、重型弹簧、冲压件，以及用于制造防弹板和防弹制品等。

本发明所提供的钢具有如下优点：

1、高强韧性，例如用该钢经旋转精密锻造成型后空冷并回火制造的钻铤，抗拉强度平均值为σ_b1076MPa，夏氏缺口冲击韧性功平均值为AKV106.4J。这种高强韧性就连4145H钢经淬火回火热处理制造的钻铤也难达到。这就使该钢能应用于重要的要求高强韧性的机件。

2、高淬透性，其无珠光体的贝氏体淬透性指标达到理想临界直径110-290mm，这就能使钢应用于大尺寸的重型机件。

3、不需淬火等热处理，锻轧热成型后或铸造成型后空冷即能获得贝氏体组织而具有高的强韧性，空冷冷速只要保证在900-300℃之间的平均冷速＞1℃/min即可，同时免除了淬火变形和裂纹等缺陷。

4、节省能源，节省热处理设备的投资。

5、热加工工艺简单，生产率提高，成品率提高。

本发明的非限定实施例：

本发明的钢较低碳含量者用于制造钻铤，旋转精密锻造成型后空冷并回火;性能为抗拉强度平均值σ_b＝1076MPa，散布范围为99.7%的σ_b≥933MPa;夏氏缺口冲击韧性功平均值AKV＝106.4J，散布范围为99.7%的AKV≥69.8J。

本发明的钢中等碳含量者用于制造大马力发动机曲轴，经热模锻成型后空冷并回火，性能为抗拉强度σ_b≥1270MPa，σ_0.2≥850MPa，δ≥13%，ψ≥48%，σ_-1≥480MPa，AKV≥40J。

本发明的钢较高碳含量者用于制造重型弹簧，热成型后空冷并回火，抗拉强度σ_b≥1350MPa。

本发明的钢较高碳含量者用于制造注塑模具，热锻后空冷并回火，C级洛氏硬度HRC≥43。

No    C    Si    Mn    Mo    B    Re

1    0.09    1.15    2.41    0.40    0.002    0.11

2    0.13    1.50    3.12    0.34    0.001    0.08

3    0.14    1.36    2.90    0.32    0.002    0.14

4    0.16    1.55    3.03    0.35    0.002    0.10

5    0.21    1.41    3.01    0.37    0.002    0.13

6    0.25    1.14    3.16    0.42    0.001    0.05

7    0.29    1.23    2.93    0.33    0.002    0.06

8    0.34    1.33    2.86    0.41    0.001    0.10

9    0.38    1.98    2.99    0.36    0.002    0.13

10    0.44    1.82    2.86    0.38    0.002    0.07

11    0.49    2.10    2.93    0.40    0.001    0.05