[发明专利]一种超高冲击韧性中碳贝氏体钢及其热处理方法

说明书

本发明涉及一种超高冲击韧性中碳贝氏体钢及其热处理方法，所述中碳贝氏体钢是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.25~0.60%，Si：0.10~0.50%，Mn：0.80~1.60%，Al：0.50~3.00%，Cr：0.10~0.50%，Ni：1.20~2.00%，Mo：0.10~0.60%，Nb：0.01~0.05%，Zr：0.001~0.01%，其余为铁元素及不可避免的杂质；同时，上述化学成分还须满足以下三个关系式：（1）1.3≤Mn/C≤4.8，（2）1.8≤(Mn+Si)/C≤5.6，（3）0.9≤(Mo+Cr)/C≤2.2；热处理方法是：所述贝氏体钢在Ac1+(MS‑Mf)+(10~60)℃下奥氏体化处理，随后以＞10℃/s的冷却速率快速冷却至Mf‑(0~50)℃，等温8~36h，最后出炉空冷至室温；本发明方法制得的中碳贝氏体钢的抗拉强度为1000~1600 MPa；20℃下V型缺口冲击吸收功为75~150J；断后伸长率为15~24%，能满足国内外工业制造领域对高质量钢材在极端服役环境下的高性能要求。

技术领域

本发明涉及钢铁材料技术领域，特别是一种超高冲击韧性中碳贝氏体钢及其热处理方法，本发明钢材适用于工程机械、精密轴承和高速钢轨等领域。

背景技术

钢铁是社会发展的基础材料，兼具高强度和良好塑韧性的先进钢铁材料成为当前工业装备和机械制造领域的要求之一。低温贝氏体钢由于其优异的综合力学性能近年来被广泛研究。微纳结构贝氏体铁素体和层间富碳的残余奥氏体的组合使贝氏体钢在满足超高强度的同时具备良好的塑韧性。然而，在实现超高强度的同时，贝氏体钢的冲击韧性往往很难有显著的提升，这是由于传统贝氏体相变温度较高（马氏体转变开始温度M_S与贝氏体转变开始温度B_S之间），高的转变温度致使贝氏体板条粗化，同时，在晶粒内和晶界处存在较多的块状残余奥氏体，这些因素对贝氏体钢的冲击韧性是极为不利的。

“贝氏体钢及其制造方法”（CN102112644）专利技术，其所述贝氏体钢包含：碳0.6~1.1 wt%，锰0.5~1.5 wt%，硅0.5~2 wt%，镍至多为3 wt%，铬1.0~1.5 wt%，钼0.2~0.5 wt%，钒至多为0.1~0.2 wt%，余量为铁。通过在贝氏体转变温度范围内长时间等温，得到具有60vol%~80 vol%的贝氏体铁素体。虽然其抗拉强度达到1900 MPa以上，但室温下的冲击吸收功仅为4 J~7 J，且生产周期长，增加了生产成本，不利于大规模的工业化生产。

“一种超高强度高韧性多步等温贝氏体钢及其制造方法”（CN103555896）专利技术，其所述贝氏体钢包含：碳0.2~0.5 wt%，硅1.2~2.0 wt%，锰1.0~5.0 wt%，镍1.0~2.0wt%，铬0.1~1.5 wt%，铜0.3~2.0 wt%，钼0.1~0.5 wt%，铌0.0~0.1 wt%，钒0.0~0.1 wt%，钛0.0~0.1 wt%，磷小于0.015 wt%，硫小于0.010 wt%，余量为铁。采用两步或多步等温淬火工艺，细化贝氏体铁素体板条和块状残余奥氏体，其抗拉强度为1500~2000 MPa，延伸率为12~25%，冲击韧性为45~60 J/cm²。该技术虽然采用两步或多步等温淬火工艺，通过细化显微组织的方式在一定程度上改善了贝氏体钢的冲击韧性，但提升程度有限，且热处理工艺步骤繁复。

“一种高韧性中高碳超细贝氏体钢的制备方法”（CN106521350）专利技术，其所述贝氏体钢包含：碳0.48~0.78 wt%，硅1.5~2.5 wt%，锰0.6~1.2 wt%，铬0.8~1.4 wt%，余量为铁。该技术采用中温变形工艺与分级等温热处理工艺相结合的方式，最后得到高强度高韧性超细贝氏体钢。其抗拉强度为1500~2000 MPa，延伸率为12~22%，室温冲击韧性为40~100J/cm²。该技术虽然对贝氏体钢的冲击韧性实现了较大提升，但生产工艺复杂，且冲击韧性仍有很大的提升空间。