一种Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢、钎杆及其制备方法

摘要

本发明公开了一种Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢，该低碳贝氏体钢的组成包括：0.12-0.20wt％的C、1.0-1.8wt％的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe，显微组织为纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织。本发明还公开由该Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢制造得到的Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆及其制备方法。本发明制得的钎杆与传统钎杆相比，抗拉强度大于1200MPa，屈服强度大于900MPa，延伸率大于16％，冲击值AKV大于78J，布氏硬度HB大于380，强韧性好，机械性能均达到或优于国家标准，能满足我国凿岩钎具用钢重型钎杆的需要，使用寿命长。

说明书

技术领域

本发明属于钢材研究领域。更具体地，涉及一种Mn-Si-Cr低碳贝氏体 钢、钎杆及其制备方法。

背景技术

凿岩钎具是一种配合凿岩机械进行岩石钻孔的工具之一，其通常是由钎 尾、钎肩、钎杆、钎稍等组成。一般而言，钎杆有两种制成方式，一种是直 接将钢材轧制制成，另一种用中频感应器对钢材进行不完全正火制成。轧制 制成的钎杆通常耐疲劳、抗冲击的机械性能差。中频感应器正火制成的钎杆 的机械性能有所改善，但由于加热时间短、组织转变不充分导致硬度不均匀， 抗冲击、耐疲劳等性能仍不能满足使用要求。

国内外重型钎杆用钢主要包括Cr-Ni-Mo系和Cr-Ni-Mo-V系，例如 18CrNi4Mo，这两种钢中均含有较高的Ni元素(通常是2.0-4.0wt％)，导致合 金成本高，不利于工业使用。

在使用中，钎杆要承受1000-8000次/分钟、30-50J的冲击，通常会因抗 疲劳和抗冲击性能差而导致断裂失效，进而使得凿岩成本增加且会影响凿岩 效率。贝氏体钢的综合性能优异，被认为是今后重型钎具材料发展的方向之 一。目前，钎杆贝氏体钢研究的重点是中高碳贝氏体钢，但这种钢材料的抗 冲击性能及韧性受碳含量的影响明显，不能适用于钎具中。

因此，需要提供一种新的钢材，其耐疲劳、抗冲击性能好。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢。

本发明的第二个目的在于提供上述Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢的应用，其可 用来制造钎杆。

本发明的第三个目的在于提供利用上述Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢制造钎杆 的方法。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢，其组成包括：0.12-0.20wt％的C、1.0-1.8wt％ 的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、 0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe， 显微组织为纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织。

优选地，所述低碳贝氏体钢中，[H]含量小于1.5ppm，[O]含量小于15ppm。

优选地，所述低碳贝氏体钢，其组成包括：0.12-0.16wt％的C、1.0-1.2wt％ 的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、 0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe， 显微组织为纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织。

优选地，所述低碳贝氏体钢，其组成包括：0.16-0.20wt％的C、1.2-1.8wt％ 的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、 0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe， 显微组织为纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织。

为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：

上述Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢的应用，该Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢可用于制 造Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆，尤其适用于制造重型钎具中的钎杆。

为达到上述第三个目的，本发明采用下述技术方案：

采用上述Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢制备Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆的方法， 包括以下步骤：

1)制备Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢，组成包括：0.12-0.20wt％的C、 1.0-1.8wt％的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的 Cr、0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为 Fe；

2)将得到的Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢加热至1000-1150℃保温，之 后经过穿孔→热轧→定径→冷却至室温，得到初始钎杆；

3)将得到的初始钎杆加热至650-950℃，保温2-48小时，进行均匀化处 理，得到均匀化处理后的钎杆；

4)将均匀化处理后的钎杆加热至850-950℃，保温1-5小时，之后进行 控冷处理，得到含有纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织的钎杆；

5)将含有纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织的钎杆在200-400℃保温 1-24小时，得到Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆。

步骤2)是为了消除缩孔、偏析等冶金缺陷以及细化原奥氏体晶粒尺寸； 步骤3)、4)、5)是为了控制纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织显微组织 的形成。

优选地，所述低碳贝氏体钢中，[H]含量小于1.5ppm，[O]含量小于15ppm。

优选地，所述低碳贝氏体钢，其组成包括：0.12-0.16wt％的C、1.0-1.2wt％ 的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、 0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe。

优选地，所述低碳贝氏体钢，其组成包括：0.16-0.20wt％的C、1.2-1.8wt％ 的Si、2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、 0.04-0.22wt％的V、不高于0.02wt％的P、不高于0.015wt％的S和余量为Fe。

优选地，步骤1)制备Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢：是将原料经电炉 或转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空脱气→连铸→热轧→冷却至室温，得到 Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢。

优选地，步骤1)制备的Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢的直径为20-80mm。 按照GB10561-2005-T钢中非金属夹杂物含量的测定，测定步骤1)得到的热 轧圆钢中非金属夹杂物水平，结果为：A类夹杂小于2.0，B类夹杂小于1.5， C类夹杂小于1.5，D类夹杂小于1.5。

优选地，步骤2)中，穿孔温度为950-1150℃；热轧温度为800-1000℃， 每道次变形量为5-10％，总轧制道次为1-5次；定径温度为800-1000℃，每 道次变形量为5-10％，总轧制道次为1-5次。

优选地，步骤3)中，均匀化处理次数为1-3次。

优选地，步骤4)中，控冷处理是：将钎杆以0.5-30℃/s的冷却速率冷却 至10-400℃，然后再升温至100-500℃，保温30-360分钟，之后再冷却至室 温。

本发明的有益效果如下：

1、本发明制得的钎杆与传统钎杆相比，抗拉强度大于1200MPa，屈服强 度大于900MPa，延伸率大于16％，冲击值AKV大于78J，布氏硬度HB大 于380，强韧性好，机械性能均达到或优于国家标准，能满足我国凿岩钎具用 钢重型钎杆的需要，使用寿命长。

2、本发明的Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢以Mn-Si-Cr为主要合金元素，无需 加入Ni、Co、W等元素，合金成本低，且碳当量不大于0.8，焊接性能好， 符合我国节能减排的战略需求。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出了实施例2得到的钎杆的显微组织(光学显微镜)。

图2示出了实施例4得到的钎杆的显微组织(透射电镜)。

图3示出了对比例5得到的钎杆的显微组织(光学显微镜)。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说 明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制 性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢1

含有的化学元素及其质量百分比为：0.12-0.16wt％的C、1.0-1.2wt％的Si、 2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、0.04-0.22wt％ 的V、小于0.02wt％的P、小于0.015wt％的S和余量的Fe；

精炼过程中，钢水的P的质量百分比不高于0.02wt％，S的质量百分比不 高于0.015wt％，[H]和[O]含量分别小于1.5ppm和15ppm；

所得圆钢的非金属夹杂物水平为：A类夹杂小于2.0，B类夹杂小于1.5， C类夹杂小于1.5，D类夹杂小于1.5。

实施例2：Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆1

1)将实施例1中的Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢制备成热轧圆钢：

经电炉或转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空脱气→连铸→热轧→冷却至室 温，得到Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢；

2)将得到的热轧圆钢加热至1000-1150℃保温，之后经过穿孔→热轧→ 定径→冷却至室温，得到钎杆；其中穿孔温度为950-1150℃；热轧、定径过 程，定径温度为800-1000℃，每道次变形量为5-10％，总轧制道次为1-3次；

3)将得到的钎杆加热至650-750℃，保温2-48小时，进行均匀化处理， 得到均匀化处理后的钎杆；其中均匀化处理次数为1-3次；

4)将均匀化处理后的钎杆加热至850-950℃，保温1-5小时，之后以0.5-5℃ /s的冷却速度冷却至10-360℃，然后加热至200-500℃保温30-360分钟，之 后空冷至室温，得到含有纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织的贝氏体钎杆 (图1)；

5)将含有纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织的钎杆在200-400℃保温 1-24小时，得到Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆。

经测试，上述Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆的力学性能为：抗拉强度 1200-1300MPa，屈服强度大于900MPa，延伸率大于16％，冲击值A_KV78-190J， 布氏硬度HB大于380。

拉伸和冲击实验分别参考《GB/T 228.1金属材料拉伸试验第1部分：室 温试验方法》以及《GB/T 229金属材料夏比摆锤冲击试验方法》。

图1是实施例2的Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆的贝氏体/马氏体复相显微 组织(光学显微镜)。其中，贝氏体板条的宽度为亚微米级。

实施例3：Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢2

含有的化学元素及其质量百分比为0.15-0.20wt％的C、1.2-1.8wt％的Si、 2.00-2.40wt％的Mn、0.10-0.40wt％的Mo、0.30-0.80wt％的Cr、0.04-0.22wt％ 的V、小于0.02wt％的P、小于0.015wt％的S和余量的Fe；

精炼过程钢水的P的质量百分比不高于0.02wt％，S的质量百分比不高于 0.015wt％，[H]和[O]含量分别小于1.5ppm和15ppm；

所得圆钢的非金属夹杂物水平为：A类夹杂小于2.0，B类夹杂小于1.5， C类夹杂小于1.5，D类夹杂小于1.5。

实施例4：Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆2

1)将实施例3中的Mn-Si-Cr低碳贝氏体钢制备成热轧圆钢：

经电炉或转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空脱气→连铸→热轧→冷却至室 温，得到Mn-Si-Cr低碳贝氏体热轧圆钢；

2)将得到的热轧圆钢加热至1000-1150℃保温，之后经过穿孔→热轧→ 定径→冷却至室温，得到钎杆；其中穿孔温度为950-1150℃；热轧、定径过 程，定径温度为800-1000℃，每道次变形量为5-10％，总轧制道次为3-5次；

3)将得到的钎杆加热至750-950℃，保温2-48小时，进行均匀化处理， 得到均匀化处理后的钎杆；其中均匀化处理次数为1-3次；

4)将均匀化处理后的钎杆加热至850-950℃，保温1-5小时，之后以5-30℃ /s的冷却速度冷却至10-360℃，然后加热至200-500℃保温30-360分钟，之 后空冷至室温，得到含有纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织的贝氏体钎杆 (附图2)；

5)将含有纳米/亚微米级贝氏体/马氏体复相组织的钎杆在200-400℃保温 1-24小时，得到Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆。

上述Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆的力学性能为：抗拉强度1300-1400MPa， 屈服强度大于1000MPa，延伸率大于16％，冲击值A_KV78-190J，布氏硬度HB 大于380。

图2实施例4Mn-Si-Cr低碳贝氏体钎杆的显微组织(透射电镜TEM组 织)，其中贝氏体板条(包括残余奥氏体薄膜)的宽度为纳米级。

对比例1

与实施例1和2相同，唯一区别在于C：0.2-0.25wt％，Si：0.8-1.0wt％， 获得的冲击值A_KV 38-50J，冲击韧性严重恶化。

对比例2

与实施例3和4相同，唯一区别在于Mn：2.45-2.6wt％，Mo：0-0.08wt％， 获得的冲击值A_KV 22-36J，韧性严重恶化。

对比例3

与实施例1和2相同，唯一区别在于不含步骤(3)，获得的冲击值A_KV45-68J，韧性严重恶化。

对比例4

与实施例3和4相同，唯一区别在于步骤(4)采用“上述重型钎杆加热 至850-950℃保温1-5小时，之后水淬至室温，然后加热至200-500℃保温 120-360分钟，之后空冷至室温”，获得的冲击值A_KV 42-56J，韧性严重恶化。

对比例5

与实施例3和4相同，唯一区别在于步骤(4)采用“上述重型钎杆加热 至850-950℃保温1-5小时，之后自然冷却至450-500℃，然后加热至600℃保 温120-360分钟，之后空冷至室温”，获得的冲击值A_KV 12-26J，韧性严重恶 化，显微组织为粗大的粒状组织(附图3)。

图3对比例5贝氏体钎杆的显微组织(光学显微镜)，其中是粗大的粒状 组织。

对比例6

与实施例1和2相同，唯一区别在于不含步骤(5)，获得的抗拉强度为 1100-1200MPa，冲击值A_KV 15-28J，强度和韧性严重恶化。

由实施例和对比例可知，采用本申请的钢得到的重型钎杆的机械性能均 有所提高。此外，在合金成本、硬度均匀性、强度稳定性、冲击韧性等方面 较国内外钎杆更具优势，使用时磨损小、寿命长，符合当前国际重型钎具发 展的要求，是凿岩钎具生产用钢的理想材料。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而 并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在 上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有 的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变 化或变动仍处于本发明的保护范围之列。