低碳微合金化贝氏体铁素体钢及其制造方法

摘要

本发明涉及一种低碳微合金化贝氏体铁素体钢及其制造方法。该钢按重量百分计组分配比为:C0.05～0.08%,Si0.20～0.80%,Mn2.0～3.0%,Cr0.5～1.0%,Ti0.01～0.05%,N0.01～0.02%,B0.0005～0.0050%,余量为Fe。该钢是在氧气顶吹转炉或电炉中冶炼,钢锭坯经1180～1220℃加热,1150℃±50℃开轧或开锻,900℃±20℃终轧或终锻,压缩比为4～10,控制其冷速为0.1～1℃/S。本发明提供的这种钢为低碳微合金化非调质钢,无需调质处理而能保证大截面钢材表面至心部的组织均为贝氏体铁素体,具有高强度、高韧性和高抗疲劳性的良好性能,适于制造汽车前轴及连杆等构件。其制造工艺大为简化,节约能源,减少环境污染,降低生产周期和制造成本。

说明书

本发明涉及一种低合金高强度高韧性钢及其制造方法，特别是一种低碳微合金化贝氏体铁素体钢及其制造方法。

在制造汽车前轴和连杆等构件时，对钢材性能要求较高，主要的技术性能要求是较好的强韧性配合，良好的疲劳强度以及沿截面均匀的硬度和组织分布。传统上，这类构件一般用中碳45号钢或者40Cr钢在调质状态使用。由于这些钢的淬透性较低，导致截面各部位冷速不一，冷却后工件各部位生成的组织不一样，性能不均匀；此外，工件在热处理后需矫直，也产生内应力，从而影响使用寿命。还有，其复杂的热处理工序不仅影响生产周期，也增加了产品成本。所以，许多国家采用贝氏体非调质钢取代之，具有简化工艺、节省能源、免除淬火缺陷，而且其强度和抗疲劳性能相当于或超过中碳调质钢。

公开号CN1189542A，申请号97105661.7的申请案中提供一种Mn-Si-B多元微合金化空冷贝氏体钢，属微合金化中高碳贝氏体非调质钢，具有较高强度和耐磨性，适合用于制造磨球、衬板、缸套等构件，但其强韧性综合性能较差，不适合用于制造汽车前轴和连杆等构件。

本发明的目的在于提供一种低碳微合金化贝氏体铁素体钢及其制造方法，无需调质处理，保证大截面钢材表面至心部的组织均为贝氏体铁素体，具有较佳的强韧性配合和抗疲劳强度；制造工艺简化，节省能源，降低生产周期和制造成本。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种低碳微合金化贝氏体铁素体钢，其特征在于按重量百分比计组分配比为：C0.05～0.08％，Si0.20～0.80％，Mn2.0～3.0％，Cr0.5～1.0％，Ti0.01～0.05％，N0.01～0.02％，B0.0005～0.0050％，余量为Fe。

钢的组分中还含有V0.08～0.14％，Ca0.0005～0.0050％。

钢的组分中Mn＋Cr＞3.0％，Ti/N＜3.4。

钢的组分中含有P＜0.02，S＜0.03。

一种低碳微合金化贝氏体铁素体钢的制造方法，其特征在于在氧气顶吹转炉或电炉中冶炼，钢锭坯经1180～1220℃加热，1150℃±50℃开轧或开锻，900℃±20℃终轧或终锻，压缩比为4～10，控制其冷速为0.1～1℃/S。

本发明的合金成分设计的理由如下：

C：为提高贝氏体非调质钢的韧性，需降低C含量。对于贝氏体非调质钢而言，碳含量不能太低，否则钢的硬度得不到保证，也不利于贝氏体组织的获得，故碳含量基本上0.05～0.08％。

Si：Si对过冷奥氏体的稳定性影响不大。钢中加Si能提高钢质纯净度和脱氧，Si能抑制贝氏体中碳化物的析出，改变贝氏体形态，提高贝氏体的韧性。在贝氏体非调质钢中Si含量一般在1.0％以下。

Mn：锰的加入将细化钢的组织，提高钢的强度及韧性，且锰能提高V、Ti、Nb在奥氏体中的固溶度积，增强其沉淀强化效果：锰含量大于1.5％时有助于贝氏体组织的获得。贝氏体非调质钢中锰的含量在2.0～3.0％之间。Mn含量太高会强烈偏析，造成钢成份及性能不均，另外会增加MnS夹杂。

Cr：降低贝氏体转变开始点Bs，有利于贝氏体的获得，但对贝氏体相变的作用不如Mo明显。Cr是碳化物形成元素，它促进铁素体的形成，能提高钢材强度和韧性。它的加入能改善钢材的耐腐蚀性能。一般非调质传动轴钢中Cr含量小于1.0％。

B：B固溶于基体中将使钢的所有中温组织转变强烈推迟，它和Mo复合加入将使钢在很宽的冷速范围内得到贝氏体(本钢种不加Mo加Cr的原因是使钢中残留一部分铁素体以提高韧性)，但当其含量高于0.005％时会形成碳化物，故贝氏体非调质钢B的含量一般在0.0005～0.005％之间。

Ti：Ti在钢中主要与C、N形成化合物以提高强度、硬度，细小的Ti(C，N)将在加热过程中阻止奥氏体晶粒粗大，细化组织，另外它避免BN形成，可以充分发挥B的作用。另外Ti有促进粒状贝氏体形成的作用。

V：V在钢中主要起沉淀强化作用，适量的V对强度、硬度和塑性都有好处，V太高会显著降低钢的塑性和韧性，一般V含量在0.08～0.14％之间。

Ca：在钢中主要起夹杂物改性及利于切削性能的作用，Ca的溶入使硫化物中含Ca并使其硬度升高，热加工时不容易延伸拉长，从而使夹杂物球化，有利于改善钢横向性能及切削加工性能。Ca含量一般在0.0005～0.005之间。

P：磷在钢中有助于切削加工性能及耐大气腐蚀性能的改善，但磷含量较高时会促进Mn偏析及自身偏析，且P在钢中会形成共晶带状组织，影响钢的组织均匀性，一般要求钢中P的含量越低越好。对于贝氏体非调质钢来讲，P含量一般要求小于0.02％。

S：严格地说，S不是合金元素，是钢中的有害杂质元素，S与Fe会形成低熔点共晶，偏析于晶界，使钢产生热脆现象。但贝氏体非调质钢中加入一定量的S有利于改善其切削加工性。要求易切削性能的钢，S的含量一般在0.03～0.06％之间，不要保证切削性能则要求S含量越低越好，一般小于0.03％。

控制关键性元素的含量和比例，其中C＜0.08％、Mn＋Cr＞3.0％、Ti/N＜3.4且微B处理和增N，保证大截面(规格达φ150mm)钢材在冷速为0.1～1℃/S空冷时整个截面都得到贝氏体+15～45％铁素体组织，而且其硬度分布均匀，表面与中心最大差别≤40HB；控制元素S和Ca等，改善钢的切削加工性能；控制元素V、Ti和N的相对比例，控制Ti/N＜3.4使N在形成TiN以细化晶粒的同时过量，过量的N与C、V一起形成V(C，N)析出强化，V(C，N)析出强化比单纯VC或VN析出强化更有利于韧性的提高，以保证钢在高温热加工后直接空冷时(不需要调质处理)具有良好的综合机械性能，特别是具有较高的冲击韧性。本发明钢中N的含量较高，达0.01～0.02％，特别适合电炉冶炼，氧气顶吹转炉冶炼需要增N。

本发明与现有技术相比较，具有突出的特点和显著优点：本发明提供的钢属低碳微合金化贝氏体铁素体非调质钢，无需调质处理而能保证大截面钢材表面至心部的组织均为贝氏体铁素体，具有高强度、高韧性和高抗疲劳性的良好性能，适合用于制造汽车前轴及连杆等构件。其制造方法的优点是：工艺大为简化，无需复杂的热处理工序，从而节约能源，减少环境污染，降低生产周期和制造成本。

附图的图面说明如下：

图1是本发明一个实施例钢的贝氏体+40％铁素体金相组织照片图(放大400倍)。

图2是本发明一个实施例钢的形变奥氏体CCT曲线图。

图3是本发明一实施例钢不同冷速下金相组织照片图(放大400倍)。

图4和图5分别是本发明一个实施例钢不同冷速下的硬度与铁素体量图。

图6是本发明一个实施例钢与45号钢调质态的疲劳性能对比图。

本发明的实施例：根据设计的化学成份范围在实验非真空感应炉冶炼了100kg钢锭，其化学成份为：

0.07％C，0.53％Si，2.52％Mn，0.015％P，0.028％S，0.82％Cr，0.024％Ti，0.13％V，0.015％N，0.00325Ca，0.0019％B。

钢锭经1180～1220℃加热，1150℃开轧(锻)，900℃终轧(锻)后空冷，压缩比大于4。控制其冷速为0.1～1℃/S时，获得含有适量铁素体组织的贝氏体——铁素体复合组织。在钢材表面和中心分别取样测定其硬度为HB235～255，其它机械性能见下表，该钢的组织见图1。σ_0.2(MPa)     σ_b(MPa)     δ₅(％)     ψ(％)      a_k(J/cm²)

                                                   (V型缺口)  542              852          21            56           75

本实施例钢与常用40Cr钢调质态及现有12Mn2VB非调质钢的性能对比如下，从由下表可知本发明具有高强度、高韧性的特点： 钢种   σ_0.2(MPa) σ_b(MPa) δ₅(％)  ψ(％)     a_k(J/cm²)本发明      542       852       21        56      75(V型缺口) 40Cr       518       794       24        58      68(U型缺口)12Mn2VB  660～700   790～812   15～19   55～58  75～90(U型缺口)

注：本实施例钢规格为60×60mm，在1/4对角线处取样；40Cr钢规格为φ60mm，调质处理后在R/2处取样。12Mn2VB性能是在锻造并回火的前轴上取样得到。a_ku＝ba_bv，b＝1.3～2.2。

由于材料在空气中自然冷却时其冷却速度随环境温度的变化而变化，且不同尺寸的材料在相同的环境温度下冷却时其冷速也不一样，再者由于材料本身表面与芯部冷速也有差异，这些因素都将影响材料的组织与性能。因此，为了研究本实施例钢在不同的冷速下的组织与硬度，进而控制其力学性能，所以在实验室THERMECMASTER-Z热模拟试验机上测定了动态CCT曲线。图2为本发明钢动态CCT曲线。其组织、硬度和铁素体量随冷却速度的变化分别见图3、图4和图5。

由图2和图3可知，随着冷速的增加，铁素体量逐渐减少，且细小；贝氏体量逐渐增加，且形态由粒贝向下贝转变。冷速介于0.1～1℃/S之间时，有适量的铁素体含量，到5℃/S时，铁素体基本消失，到10℃/S后，贝氏体为下贝且开始出现马氏体。

由图4和图5可知，冷速介于0.1～1℃/S之间，其硬度介于HV232～274之间，即HB225～265之间，铁素体含量介于15～45％之间，此时组织和硬度均符合合金设计的初衷。

对本实施例钢的疲劳性能进行了测试。试验机为PQ1-6纯弯曲疲劳试验机，应力比R＝1，试验频率为83Hz，最长循环周次为1.0×10⁷，测试依据为GB4337-84，选用旋转弯曲疲劳形式，其σ_-1＝350MPa。调质态45钢的疲劳极限σ_-1＝367MPa，两者对比见图6。本实施例钢的疲劳极限比45钢调质态低17MPa，这与本发明钢中含有较多的S(约0.025％)有关，虽然进行了Ca处理，但Ca量远远不够，不能有效球化硫化物夹杂。但两者疲劳极限相差不大，能满足用户要求。