[发明专利]多元微合金化空冷贝氏体钢

说明书

本发明属于金属材料领域的低合金高强度钢，是一种新型空冷贝氏体钢。

国外已有的贝氏体钢主要是低碳和中碳的Cr-Ni-Mo-B系，其中基本元素为Cr、Ni等，在中高碳贝氏体钢的研究中，有公开的以Cr、Ni为主要基本元素，其组分为(％):C0.52,Mn0.35,Cr1.70,Ni1.50,Mo0.25,B≤0.01，余为Fe。

国内现有的贝氏体钢主要有两个成分系统，一种是以低碳和中碳的Mn-Si-Mo-B系，其中Mn、Mo含量较高，中国专利(专利申请号95106429)还公开了这一成分系统的中高碳贝氏体钢的组分(％):C0.50～0.55,Si1.00～3.00,Mn2.00～4.00,Mo0.31～0.49,B0.0005～0.005，余为铁，这一组份中Mn、Mo元素含量较高。另一种是Mn-B系，其组分为(％):C0.47～0.60,Si0.10～1.50,Mn2.10～3.50,B0.0005～0.005，余为Fe，该成分系统仅以Mn、B元素合金化，不易获得细小贝氏体或贝氏体/马氏体组织，性能有时不甚稳定。

本发明的目的是通过微合金化的复合变质处理，获得奥氏体晶粒细小、显微组织细化和碳化物弥散分布的一种高品质的中碳和中高碳贝氏体钢。

本发明根据贝氏体相变原理和运用钢的强韧化理论，合理地进行成分设计，通过调整加入微量合金元素，使钢得到固溶强化，细化晶粒和弥散强化。在大截面范围空冷可获得以贝氏体/马氏体为主的复相组织和大量弥散分布的碳化物、氮化物、碳氮化合物的空冷贝氏体钢。新型贝氏体钢的成份为(按重量％):

C:0.35～0.60,Mn2.00～3.50,Si0.20～2.00,B0.0005～0.010,Ti0.015～0.05,RE0.02～0.10,N0.006～0.015,Mo:0.10～0.15，其余为Fe。

在中碳和中高碳贝氏体钢中加入微量RE元素，可显著细化奥氏体晶粒和降低钢在加热时奥氏体晶粒长大倾向，有利于提高钢的冲击韧性和耐磨性，减少钢中气体和有害杂质含量。同时，稀土元素有保护硼的作用，提高硼的回收率，有利于增加贝氏体钢的淬透性。

本发明加入N元素对改善贝氏体钢组织有明显效果。N元素加入到贝氏体钢中可细化晶粒起到细晶强化作用，提高贝氏体钢的冲击韧性和耐磨性；N元素还可促进贝氏体钢形成大量细小氮化物、碳氮复合化合物，使第二相颗粒弥散分布并有弥散强化作用；N元素溶入铁素体和碳化物中强化贝氏体钢基体组织，增加贝氏体钢的固溶强化作用。

Mn元素是提高贝氏体钢淬透性的主要元素，此外，它还可降低贝氏体相变温度，使钢的组织亚结构单元细化。

B元素是贝氏体钢能够获得贝氏体组织，提高贝氏体淬透性的主要元素。

溶入铁素体的Si元素起到强化作用。Si含量为1.5％时，贝氏体钢经奥氏体化后连续冷却可得到少量无碳贝氏体，同时，钢中产生少量条状奥氏体，它使贝氏体铁素体分割细化，获得高的强韧性配合。Si元素也有提高钢的淬透性作用。

本发明在上述的组份中还可加入Cr元素以及一种或一种以上的V、Nb等元素。其加入量为(按重量％):Cr:0.30～2.50,V0.03～0.15,Nb～0.03～0.15。

利用Cr元素部分代替Mn元素可细化组织，改善贝氏体钢的韧性和耐磨性，并可降低韧脆转化温度。在中碳条件下，Cr元素推迟珠光体转变作用比Mn大；推迟贝氏体转变作用比Mn小。Cr降低Bs/Ms值比Mn大，有利于减少焊接裂纹倾向。Cr、Mn元素配合，可获得更高的淬硬性，淬透深度，提高钢的力学性能。

加入微量的V、Nb和Ti元素，可进一步细化贝氏体钢的显微组织，提高钢的耐磨性，其作用是：

(1)形成简单立方点阵碳化物。如TiC、VC和NbC以及TiN、VN和NbN型化合物；

(2)形成M(C,N)型以及V₄(C,N)₃型碳氮复合化合物。

大量弥散分布的碳氮化合物使钢的奥氏体晶粒和冷却后的相变贝氏体、马氏体组织明显细化。多元微合金化贝氏体钢组织在光学显微镜下几乎无法辩认贝氏体针形特性。

碳氮化合物弥散分布在贝氏体、铁素体内部、亚条边界和亚块边界，细化了贝氏体组织，提高了贝氏体钢的硬度和耐磨性。

Mo元素可显著地推迟珠光体转变，而对贝氏体转变推迟作用很弱。仅对中高碳大截面工作条件苛刻的贝氏体钢或产品加入微量Mo元素，其量控制在0.10～0.15％，使组织中保持一定量的贝氏体，同时，细化显微组织，提高韧性。