低合金超高强度复相钢及其热处理方法

摘要

本发明公开的一种低合金超高强度复相钢及其热处理方法，复相钢成分为wt％：C 0.3－0.7，Si 0.01－3.0，Al 0.0－2.0，Nb 0.0－0.25，V 0.0－0.3，Mo0.0－2.0，Ni 0.0－4.0，Mn 0.05－3.0，Cr 0.00－3.0，Co 0.00－2.0，W 0.0－2.0，S＜0.04，P＜0.04，其余为Fe。热处理方法为：首先将工件加热到800－1000℃进行奥氏体化处理，然后将工件迅速淬入50－250℃的液体淬火介质中，再将工件在250－450℃的液体淬火介质中配分，再将工件迅速淬至100－250℃保温，最后将工件淬入水中，使钢件具有马氏体、纳米贝氏体和富碳的残余奥氏体三相组织，从而增加工件的强度和塑性。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种材料技术领域的合金钢及其热处理方法，具体是一种低合金超高强度复相钢及其热处理方法。

背景技术

热处理一直是钢铁材料生产过程中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善钢铁材料的综合性能。残余奥氏体是影响钢铁材料塑性的重要因素。当存在塑性变形时，残余奥氏体发生相变转化为马氏体是钢铁材料获得良好塑性的重要原因。经调质处理(淬火+高温回火)的传统马氏体钢虽然具有较高的强度和一定的塑性，但由于不含残余奥氏体，其塑性相对于先进高强度钢(如TRIP钢、DP钢等)而言，还有很大差距的。组织中的一定含量的残余奥氏体是有益的，尤其是当存在塑性变形时，残余奥氏体具有TRIP效应，可大大提高材料的塑性。已经研发的超高强度马氏体型钢——马氏体时效钢和二次硬化钢，具有较高的强度和较好的韧性，但由于都含高合金量，成本昂贵，不宜广泛应用。

目前随着钢铁企业的发展，对先进高强钢的强度和塑性提出了越来越高的要求。经过低温长时间处理得到的纳米贝氏体具有较高的强度、良好的塑性和很高的冲击韧性，其综合机械性能比索氏体更好。纳米贝氏体钢具有良好的综合力学性能，是发展超级钢、超细晶钢和纳米钢铁材料的途径之一。

经对现有技术的文献检索发现，F.G.Caballero，H.K.D.H.Bhadeshia等人在Materials Science and Technology 18(2003)P279-284上发表的″VeryStrong Low Temperature Bainite″一文阐述了纳米贝氏体的制备工艺，获得超高强度纳米贝氏体钢，纳米贝氏体具有高强度和良好的韧性，但是碳含量在0.7-1.0％，焊接性能不好。检索中还发现，J.Speer等在Acta Materialia 51(国际材料学报)(2003)P2611-2622上发表的“Carbon partitioning intoaustenite after martensite transformation”一文阐述了淬火到某一温度时，碳原子从马氏体到残余奥氏体分配的原理，通过碳原子的分配可以使残余奥氏体富碳进而在室温得到稳定的残余奥氏体，以获得马氏体—残余奥氏体双相钢，但并没有引入强度和韧性俱佳的纳米贝氏体组织。中国专利申请号为2007100458861，名称为“采用碳分配和回火提高淬火钢件机械性能的热处理方法”，该专利获得是马氏体、残余奥氏体和回火析出的碳化物三相组织，利用的是析出相强化的原理，也没有引入强度和韧性俱佳的新型纳米贝氏体组织。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种低合金超高强度复相钢及其热处理方法。本发明是一种中碳多元化低合金钢，采用热处理工艺在获得马氏体、残余奥氏体的基础上，又引入了高强度和良好韧性的纳米贝氏体组织，增加工件的强度，同时又保证工件具有良好的韧性，而且属于低合金化，成本低廉。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的低合金超高强度复相钢，其包含的组分及重量百分比含量(wt％)为：C 0.3-0.7，Si 0.01-3.0，Al 0.0-2.0，Nb 0.0-0.25，V 0.0-0.3，Mo 0.0-2.0，Ni 0.0-4.0，Mn 0.05-3.0，Cr 0.0-3.0，Co 0.0-2.0，W 0.0-2.0，S＜0.04，P＜0.04，其余为Fe。

本发明所述的低合金超高强度复相钢，成分中含Si元素目的是抑制碳配分和等温淬火过程中渗碳体的析出，提高钢中残余奥氏体的力学稳定性；Co、Al元素可以加快等温淬火处理，增加γ→α的相变自由能，细化奥氏体晶粒，并使残余奥氏体进一步稳定化；Nb、V元素可以细化晶粒；Mo、W元素可以使中高温转变区显著右移，抑制配分过程中上贝氏体的产生，增加等温淬火过程纳米贝氏体的淬透性；Mn、Ni、C、Cr元素能降低Ac3温度，提高奥氏体的稳定性，提高钢铁材料的强度。由此可使钢件获得由硬相马氏体、软相残余奥氏体和强度韧性俱佳的纳米贝氏体组成的复相组织，该组织可使钢件在具有高强度的同时，塑性仍然维持在一个较高的水平。经淬火、碳分配和等温淬火的钢比一般淬火和回火钢具较高的韧性，同时具有较高的强度。

本发明所涉及的上述低合金超高强度复相钢热处理方法，包括以下步骤：

第一步，将工件加热到800℃-1000℃进行奥氏体化处理；

第二步，将第一步得到的工件迅速淬入50℃-250℃的液体淬火介质中，淬火温度的高低决定奥氏体向马氏体的转变量；

第三步，将第二步得到的工件在250℃-450℃的液体淬火介质中配分5s-2000s，使得过饱和碳原子充分从马氏体扩散至残余奥氏体中；

第四步，将第三步得到的工件迅速淬至100℃-250℃长时间保温，保温时间1h-500h；

第五步，将第四步得到的工件淬入水中。这样可获得马氏体、残余奥氏体和在残余奥氏体中形成的细小纳米贝氏体三相组织，以得到良好的综合力学性能。

本发明中，所述的液体淬火介质，是Sn-Bi浴、恒温油浴和恒温盐浴(55％硝酸钾+45％亚硝酸钠)。

本发明根据工件本身的化学成分，来调整初次淬火温度、碳配分温度和时间、等温淬火温度及时间来获得具有不同相对含量的马氏体、富碳残余奥氏体和纳米贝氏体的微观组织。工件的成分决定合适的初次淬火介质温度，根据M_s温度、马氏体转变量与淬火温度T的关系式Vm＝1-exp[-0.011×(M_s-T)]可得到获得任一温度时马氏体的转变量，式中，Vm是马氏体转变量，M_s是马氏体转变开始温度。液体淬火介质的温度T对应于Vm＝40％～80％的温度。对于含碳量0.3％-0.7％的钢，可以选取的淬火温度为50℃-250℃。碳配分温度和时间的确定以碳能从马氏体充分扩散到奥氏体而又不发生其他相变(渗碳体析出、上贝氏体相变等)为准则。等温淬火温度和时间根据碳配分后残余奥氏体的含量和钢件的用途确定，以期最终获得不同配比的残余奥氏体、马氏体和纳米贝氏体复相组织。

本发明适用于含Si、Mn、或(和)Al、或(和)Nb、或(和)Co、或(和)Ni、或(和)Mo、或(和)Cr、或(和)W、或(和)V等元素的合金钢。

与现有技术相比，本发明根据淬火—碳分配—等温淬火的原理，低合金中碳钢经过最终的等温热处理可以获得40-60％的马氏体(体积分数，下同)、5-15％的残余奥氏体和30-50％纳米贝氏体组织，从而是工件获得优异的综合力学性能。以往超细的纳米贝氏体都是在高碳钢中形成的，本发明利用碳的配分原理在中碳钢中首次形成了一定量(体积分数为30-50％)的强度和韧性俱佳的纳米贝氏体组织，从而使工件获得优异的综合力学性能，抗拉强度可达到2GPa以上，屈服强度可达到1.56Pa以上，硬度达到HRC49-55，总延伸率可达到11-18％。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

低合金中碳钢的成分为C含量为0.49％，Mn含量为1.20％，Si含量为1.18％，Ni含量为1.00％，Nb含量为0.21％，S含量为0.003％，P含量为0.007％，其余为Fe(均为质量分数)。将工件加热到820℃奥氏体化，然后淬至185℃的Sn-Bi浴中，等温数秒后，立即上淬至300℃(盐浴)保温600s，此时碳由马氏体分配至马氏体之间的奥氏体中，使残余奥氏体富碳，然后油淬至185℃等温24h，以使富碳的残余奥氏体大部分转变为纳米贝氏体，然后水淬至室温。经测试，钢件的屈服强度Rp_0.2为1270MPa，抗拉强度Rm为1805MPa，总延伸率为14.6％。洛氏硬度(HRC)为53.3。

实施例2

低合金中碳钢的成分为C含量为0.49％，Mn含量为1.2％、Si含量为1.18％，Ni含量为1％，Nb含量为0.21％，S含量为0.003％，P含量为0.007％，其余为Fe(均为质量分数)。将工件加热到820℃奥氏体化，然后淬至190℃的Sn-Bi浴中，数秒后，立即上淬至345℃(盐浴)保温60s，然后油淬至190℃等温48h，最后水淬至室温。经测试，钢件的屈服强度Rp_0.2为1561MPa，抗拉强度Rm为1969MPa，总延伸率为13.3％。洛氏硬度(HRC)为54.7。

实施例3

低合金中碳钢的成分为C含量为0.49％，Mn含量为1.2％、Si含量为1.18％，Ni含量为1％，Nb含量为0.21％，S含量为0.003％，P含量为0.007％，其余为Fe(均为质量分数)。将工件加热到820℃奥氏体化，然后淬至150℃的Sn-Bi浴中，数秒后，立即上淬至400℃保温15s，然后油淬至195℃等温24h，然后用水淬至室温。经测试，钢件的屈服强度Rp_0.2为1339MPa，抗拉强度Rm为2017MPa，总延伸率为11.7％。洛氏硬度(HRC)为55.3。

实施例4

低合金中碳钢的成分为C含量为0.49％，Mn含量为1.2％、Si含量为1.18％，Ni含量为1％，Nb含量为0.21％，S含量为0.003％，P含量为0.007％，其余为Fe(均为质量分数)。将工件加热到820℃奥氏体化，然后淬至150℃的Sn-Bi浴中，数秒后，立即上淬至400℃保温600s，然后油淬至200℃等温24h，然后用水淬至室温。经测试，钢件的屈服强度Rp_0.2为1372MPa，抗拉强度Rm为1474MPa，总延伸率为18.4％。洛氏硬度(HRC)为39.8。