[发明专利]一种高强度高韧性高碳贝氏体钢及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强度高韧性高碳贝氏体钢，按百分比计，该高碳贝氏体钢内含有以下化学成分：C：0.6％‑0.9％；Si：1.5‑2.5％；Mn：1.5％‑2.5％；Cr：0.5‑1.5％；Mo：0.1‑0.3％；其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明具有成本低廉和工艺简单的特点，所制备的钢具有优良的强韧性配合，适用于生产在工作中受到冲击和疲劳作用的设备。

技术领域

本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种高强度高韧性高碳贝氏体钢及其制备方法。

背景技术

钢材的强度随着碳含量的增加而提高，但其塑性和韧性降低，如何实现强度和塑韧性的良好匹配，已成为提高其使用性能和挖掘其使用潜能的重要课题。相比马氏体钢或贝氏体/马氏体复相钢，具有超细板条贝氏体铁素体的贝氏体钢因其更好的强塑性匹配、冲击韧性和疲劳强度，受到广泛重视。

超细贝氏体钢由剑桥大学Bhadeshia等提出(美国专利US6884306)，通过利用Si对碳化物析出的抑制作用，将铸锭奥氏体化后在稍高于马氏体转变点的温度等温，获得由纳米结构的贝氏体铁素体板条和板条间富碳的残余奥氏体薄膜组成的贝氏体钢，具备超高强度和较高的断裂韧性，但是等温时间长达1～3周。专利CN103898299B公开了一种C-Si-Mn-Al系高碳钢，该钢锻造后在230℃保温获得抗拉强度2400MPa的无碳化物纳米贝氏体，但延伸率仅有1.3～7％。专利CN101693981B公开了一种C-Si-Mn-Al-Cr-W系高碳钢，该钢轧制后在220～260℃的盐浴中等温制得纳米结构贝氏体钢，抗拉强度达到2000～2300MPa，但室温冲击功仅为7～22J。专利CN102112644A公开了一种C-Si-Mn-Cr-Mo系高碳钢，该钢在250℃等温获得超级贝氏体组织，抗拉强度达到2098MPa，但室温冲击功仅为4～7J。可见，长时间的等温过程和较低的冲击性能成为制约超细贝氏体钢在工业应用的关键。为了进一步开发这种超高强度纳米结构的贝氏体钢及其制备工艺，国内外进行了很多探索和研究，主要包含以下几个方面：

1)降低C含量提高贝氏体钢塑性，如“低碳贝氏体钢及其制备方法”(CN101104906)，“一种超低碳贝氏体钢板及其制造方法”(CN102732790A)，“一种高性能低碳含Mo贝氏体钢及其制备方法”(CN104018069A)，“一种超高强度超低碳贝氏体钢的制备方法”(CN1916195)，“一种贝氏体钢的制备方法”(CN102560261B)，“一种铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的制备方法”(CN104451380B)等专利。但是C含量的降低必然造成强度下降，只能通过复合添加Mn、Cr、Mo、Nb、V、Ti等多种合金元素的方法加以改善，致使生产成本提高，且低碳贝氏体钢的强度一般不超过1000MPa。

2)调整合金元素含量或添加Co和Al等元素，从而加快贝氏体相变速度、缩短等温处理时间，如“贝氏体钢及其制造方法”(CN102112644A)，“一种2100MPa纳米贝氏体钢及其制备方法”(CN103451549B)，“高铝纳米贝氏体钢高速铁路辙叉及其制造方法”(CN101748331B)等专利。但是该方法不能明显改善钢材的冲击韧性，且增加了钢材的生产成本。

3)贝氏体相变之前进行轧制处理。专利CN103468906A公开了一种低温温轧制备2000MPa级纳米尺度贝氏体钢工艺，C-Si-Mn-Cr-Mo-V-Nb系高碳钢首先进行高温热轧，然后通过层流冷却到300～600℃进行冷轧，轧后再于200～300℃保温3～6h后空冷，所制备的贝氏体钢抗拉强度为1800～2127MPa，延伸率为4～14.4％。但是该法工艺复杂，钢中添加了Mo、V、Nb等贵金属元素，制备成本较高。