一种纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢及制备方法.pdf

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1、10申请公布号CN102321852A43申请公布日20120118CN102321852ACN102321852A21申请号201110255203122申请日20110901C22C38/58200601C21D8/0020060171申请人燕山大学地址066004河北省秦皇岛市海港区河北大街西段438号72发明人王天生张淼张福成74专利代理机构大连一通专利代理事务所普通合伙21233代理人刘建年54发明名称一种纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢及制备方法57摘要一种纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其化学成分按重量百分比为C048052，SI1213，MN1719，AL1014，CR161。

2、8，NI0506，W1923，P002，S002，余量为FE；其制备方法是用真空感应炉熔炼上述成分的中碳合金钢，浇铸成钢锭后缓冷至室温；加热并保温，出炉后开始锻造，锻后缓冷至室温；再加热奥氏体化后快速冷却到过冷奥氏体温区，立即以应变速率001S1进行50压下量的压缩变形，然后快速冷却到稍高于马氏体转变开始温度进行等温转变，再空冷到室温。本发明合金钢的碳含量比高碳钢有较大幅度降低，不但有利于提高可焊性和冲击韧性，而且缩短处理周期，材料成本低。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书3页附图1页CN102321859A1/1页21一种纳米结构无碳化物贝氏体。

3、中碳合金钢，其特征在于其化学成分按重量百分比为C048052，SI1213，MN1719，AL1014，CR1618，NI0506，W1923，P002，S002，余量为FE。2上述纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的制备方法，其特征在于（1）熔炼用真空感应炉对上述成分的中碳合金钢进行熔炼，真空度0106PA、温度15201560C、熔炼时间0510H，将上述成分的钢水浇铸成钢锭，缓冷至室温；（2）锻造将铸锭加热至11801220C保温911H出炉，在11401160C开始锻造，终锻温度为9801020C，锻后缓冷至室温；（3）压缩变形以812C/S加热到9801020C保温46MIN，以182。

4、5C/S冷却到590610C，再以应变速率001S1进行50压下量的压缩变形，然后以1825C/S冷却到220235C等温保持2535H，再空冷到室温。3根据权利要求1所述的一种纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其特征在于该纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的微观组织由平均厚度为5070NM的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。权利要求书CN102321852ACN102321859A1/3页3一种纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢及制备方法技术领域0001本发明涉及一种合金钢的制备方法。背景技术0002作为结构材料而大量使用的钢，随着含碳量的增加其强度增高，但韧性和塑性降低。如何实现钢的强度和韧性。

5、或塑性的同步提高，已成为提高其使用性能和挖掘其使用潜能的重要课题。传统低合金高碳钢一般用于制造刃具、量具和冷作模具，其强化的热处理工艺主要为淬火低温回火，热处理后获得回火马氏体组织，具有高强度和高硬度，但其韧性和塑性较低。如果提高回火温度，虽可以提高韧性和塑性，但强度和硬度会大大降低。0003BHADESHIA等人（美国专利US6884306）发明了一种贝氏体钢SIMNCRNIMOV合金化的高碳钢（含碳量重量百分比为0611），铸锭缓冷后进行高温长时间均匀化退火，然后经奥氏体化后在稍高于该钢马氏体转变温度进行长时间（13星期）的过冷奥氏体低温等温贝氏体转变，获得了由纳米级厚度的板条贝氏体铁素体。

6、和残余奥氏体组成的纳米结构无碳化物贝氏体组织，并具有超高强度和较高的断裂韧性，以及较好的压缩塑性。但因其是铸态组织进行的热处理，拉伸塑性和CHARPY缺口试样冲击功很低。而且由于等温转变速度极为缓慢，其用于工业生产的周期长、效率低。后来在此SIMNCRNIMOV合金化的高碳钢中又通过单独添加CO或复合添加CO和AL，来加速等温贝氏体转变（ISIJINTERNATIONAL，2003，VOL43，P1821）。中国发明专利CN101693981B公开一种高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢的制备方法，即在高碳钢中添加MN、CR、SI、AL、W进行合金化，铸锭热轧成板坯消除铸造缺陷，热轧板坯直接在盐浴。

7、中等温贝氏体转变，得到由纳米级厚度的板条状贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的纳米结构无碳化物贝氏体组织，从而保证在获得高强度的同时还获得较高塑性和韧性，但其含碳量高，势必使钢的焊接性和冲击韧性较差，限制了其作为结构钢的应用范围。发明内容0004本发明的目的在于提供一种碳含量降低、成本降低、可焊性和冲击韧性提高的纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的制备方法。0005本发明的纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其化学成分按重量百分比为C048052，SI1213，MN1719，AL1014，CR1618，NI0506，W1923，P002，S002，余量为FE。0006上述合金钢的制备方法如下（1）熔炼用。

8、真空感应炉对上述成分的中碳合金钢进行熔炼，真空度0106PA、温度15201560C、熔炼时间0510H，将上述成分的钢水浇铸成钢锭，缓冷至室温；（2）锻造将铸锭加热至11801220C保温911H出炉，在11401160C开始锻造，终锻温度为9801020C，锻后缓冷至室温；（3）压缩变形以812C/S加热到9801020C保温46MIN，以奥氏体化，再以说明书CN102321852ACN102321859A2/3页41825C/S冷却到过冷奥氏体温区590610C，再以应变速率001S1进行50压下量的压缩变形，然后以1825C/S冷却到稍高于马氏体转变开始温度220235C等温保持253。

9、5H，再空冷到室温，制备出纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其微观组织由平均厚度为5070NM的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。0007本发明与现有技术相比具有如下优点1、碳含量有较大幅度降低（降低重量百分比0106），这不但有利于提高可焊性和冲击韧性，获得良好的综合力学性能，而且也会缩短处理周期。00082、钢中不含价格昂贵的合金元素CO、NI、MO、V，能较大幅度地降低材料成本。附图说明0009图1是本发明实施例1获得的纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的微观组织的扫描电镜图。0010图2是本发明实施例2获得的纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的微观组织的扫描电镜图。具体实施方式0011实施。

10、例1用25KG真空感应炉在真空度01PA和温度1520C下熔炼中碳合金钢，熔炼05H后浇铸成直径100MM的圆柱形钢锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为C052，SI126，MN18，AL128，CR18，NI05，W23，P0012，S0010，余量为FE。将铸锭加热到1200C保温10H，出炉在1140C开始锻造，锻造成直径为30MM的棒料，终锻温度为980C，锻后缓冷至室温；将锻造棒料加工成直径为10MM、高为20MM的圆柱，并用热机械模拟试验机以8C/S加热到980C，保温4MIN，以25C/S的冷却速度快速冷却到590C，立即以应变速率001S1进行50压下量的压缩变形，然后以。

11、20C/S的冷却速度快速冷却到220C等温保持35H，再空冷到室温，制备出纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其微观组织由平均厚度为50NM的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。0012实施例2用25KG真空感应炉在真空度03PA和温度1540C下、熔炼中碳合金钢，熔炼07H后浇铸成直径100MM的圆柱形钢锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为C048，SI13，MN19，AL10，CR17，NI055，W21，P0012，S0010，余量为FE。将铸锭加热到1180C保温11H，出炉在1160C开始锻造，锻造成直径为30MM的棒料，终锻温度为1020C，锻后缓冷至室温；将锻造棒料加工成直径为。

12、10MM、高为20MM的圆柱，并用热机械模拟试验机以10C/S加热到1020C，保温5MIN，以18C/S的冷却速度快速冷却到610C，立即以应变速率001S1进行50压下量的压缩变形，然后以25C/S的冷却速度快速冷却到235C等温保持25H，再空冷到室温，制备出纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其微观组织由平均厚度为70NM的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。0013实施例3说明书CN102321852ACN102321859A3/3页5用25KG真空感应炉在真空度06PA和温度1560C下熔炼中碳合金钢，熔炼10H后浇铸成直径100MM的圆柱形钢锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为。

13、C05，SI12，MN17，AL14，CR16，NI06，W19，P0012，S0010，余量为FE。将铸锭加热到1220C保温9H，出炉在1150C开始锻造，锻造成直径为30MM的棒料，终锻温度为1000C，锻后缓冷至室温；将锻造棒料加工成直径为10MM、高为20MM的圆柱，并用热机械模拟试验机以12C/S加热到1000C，保温6MIN，以20C/S的冷却速度快速冷却到600C，立即以应变速率001S1进行50压下量的压缩变形，然后以18C/S的冷却速度快速冷却到228C等温保持3H，再空冷到室温，制备出纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其微观组织由平均厚度为60NM的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。说明书CN102321852ACN102321859A1/1页6图1图2说明书附图CN102321852A。

摘要
申请专利号：	CN201110255203.1	申请日：	2011.09.01
公开号：	CN102321852A	公开日：	2012.01.18
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):C22C 38/58申请日:20110901\|\|\|公开
IPC分类号：	C22C38/58; C21D8/00	主分类号：	C22C38/58
申请人：	燕山大学
发明人：	王天生; 张淼; 张福成
地址：	066004 河北省秦皇岛市海港区河北大街西段438号
优先权：
专利代理机构：	大连一通专利代理事务所(普通合伙) 21233	代理人：	刘建年
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内容摘要

一种纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其化学成分按重量百分比为：C 0.48~0.52，Si1.2~1.3，Mn1.7~1.9，Al1.0~1.4，Cr1.6~1.8，Ni0.5~0.6，W1.9~2.3，P<0.02，S<0.02，余量为Fe；其制备方法是用真空感应炉熔炼上述成分的中碳合金钢，浇铸成钢锭后缓冷至室温；加热并保温，出炉后开始锻造，锻后缓冷至室温；再加热奥氏体化后快速冷却到过冷奥氏体温区，立即以应变速率0.01s-1进行50%压下量的压缩变形，然后快速冷却到稍高于马氏体转变开始温度进行等温转变，再空冷到室温。本发明合金钢的碳含量比高碳钢有较大幅度降低，不但有利于提高可焊性和冲击韧性，而且缩短处理周期，材料成本低。

权利要求书

1：一种纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其特征在于：其化学成分按重量百分比为： C 0.48~0.52， Si 1.2~1.3， Mn 1.7~1.9， Al 1.0~1.4， Cr 1.6~1.8， Ni 0.5~0.6， W 1.9~
2： 3， P<0.02， S<0.02，余量为 Fe。 2. 上述纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的制备方法，其特征在于：（1）熔炼：用真空感应炉对上述成分的中碳合金钢进行熔炼，真空度 0.1~0.6 Pa、温度 1520~1560 ° C、熔炼时间 0.5~1.0 h，将上述成分的钢水浇铸成钢锭，缓冷至室温；（2）锻造：将铸锭加热至 1180~1220 ° C 保温 9~11 h 出炉，在 1140~1160 ° C 开始锻造，终锻温度为 980~1020 ° C，锻后缓冷至室温；（3）压缩变形：以 8~12 ° C/s 加热到 980~1020 ° C 保温 4~6 min，以 18~25 ° C/s 冷 -1 却到 590~610 ° C，再以应变速率 0.01 s 进行 50% 压下量的压缩变形，然后以 18~25 ° C/ s 冷却到 220~235 ° C 等温保持 2.5~
3： 5 h，再空冷到室温。 3. 根据权利要求 1 所述的一种纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其特征在于：该纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的微观组织由平均厚度为 50~70 nm 的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。

说明书

一种纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢及制备方法
    【技术领域】
     本发明涉及一种合金钢的制备方法。背景技术作为结构材料而大量使用的钢，随着含碳量的增加其强度增高，但韧性和塑性降低。如何实现钢的强度和韧性或塑性的同步提高，已成为提高其使用性能和挖掘其使用潜能的重要课题。传统低合金高碳钢一般用于制造刃具、量具和冷作模具，其强化的热处理工艺主要为淬火 + 低温回火，热处理后获得回火马氏体组织，具有高强度和高硬度，但其韧性和塑性较低。如果提高回火温度，虽可以提高韧性和塑性，但强度和硬度会大大降低。
     Bhadeshia 等人（美国专利 US6884306）发明了一种贝氏体钢— Si-Mn-Cr-Ni-Mo-V 合金化的高碳钢（含碳量重量百分比为 0.6~1.1），铸锭缓冷后进行高温长时间均匀化退火，然后经奥氏体化后在稍高于该钢马氏体转变温度进行长时间（1~3 星期）的过冷奥氏体低温等温贝氏体转变，获得了由纳米级厚度的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的纳米结构无碳化物贝氏体组织，并具有超高强度和较高的断裂韧性，以及较好的压缩塑性。但因其是铸态组织进行的热处理，拉伸塑性和 Charpy 缺口试样冲击功很低。而且由于等温转变速度极为缓慢，其用于工业生产的周期长、效率低。后来在此 Si-Mn-Cr-Ni-Mo-V 合金化的高碳钢中又通过单独添加 Co 或复合添加 Co 和 Al，来加速等温贝氏体转变（ISIJ International， 2003， Vol. 43， p.1821）。中国发明专利 CN101693981B 公开一种高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢的制备方法，即在高碳钢中添加 Mn、 Cr、 Si、 Al、 W 进行合金化，铸锭热轧成板坯消除铸造缺陷，热轧板坯直接在盐浴中等温贝氏体转变，得到由纳米级厚度的板条状贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的纳米结构无碳化物贝氏体组织，从而保证在获得高强度的同时还获得较高塑性和韧性，但其含碳量高，势必使钢的焊接性和冲击韧性较差，限制了其作为结构钢的应用范围。
     发明内容
     本发明的目的在于提供一种碳含量降低、成本降低、可焊性和冲击韧性提高的纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的制备方法。
     本发明的纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其化学成分按重量百分比为： C 0.48~0.52， Si 1.2~1.3， Mn 1.7~1.9， Al 1.0~1.4， Cr 1.6~1.8， Ni 0.5~0.6， W 1.9~2.3， P<0.02， S<0.02，余量为 Fe。
     上述合金钢的制备方法如下：（1）熔炼：用真空感应炉对上述成分的中碳合金钢进行熔炼，真空度 0.1~0.6 Pa、温度 1520~1560 ° C、熔炼时间 0.5~1.0 h，将上述成分的钢水浇铸成钢锭，缓冷至室温；在 1140~1160 ° C 开始锻（2）锻造：将铸锭加热至 1180~1220 ° C 保温 9~11 h 出炉，造，终锻温度为 980~1020 ° C，锻后缓冷至室温；（3）压缩变形：以 8~12 ° C/s 加热到 980~1020 ° C 保温 4~6 min，以奥氏体化，再以18~25 ° C/s 冷却到过冷奥氏体温区 590~610 ° C，再以应变速率 0.01 s-1 进行 50% 压下量的压缩变形，然后以 18~25 ° C/s 冷却到稍高于马氏体转变开始温度 220~235 ° C 等温保持 2.5~3.5 h，再空冷到室温，制备出纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其微观组织由平均厚度为 50~70 nm 的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。
     本发明与现有技术相比具有如下优点： 1、碳含量有较大幅度降低（降低重量百分比 0.1~0.6），这不但有利于提高可焊性和冲击韧性，获得良好的综合力学性能，而且也会缩短处理周期。
     2、钢中不含价格昂贵的合金元素 Co、 Ni、 Mo、 V，能较大幅度地降低材料成本。附图说明图 1 是本发明实施例 1 获得的纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的微观组织的扫描电镜图。
     图 2 是本发明实施例 2 获得的纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢的微观组织的扫描电镜图。
     具体实施方式实施例 1 用 25 kg 真空感应炉在真空度 0.1 Pa 和温度 1520 ° C 下熔炼中碳合金钢，熔炼 0.5 h 后浇铸成直径 100 mm 的圆柱形钢锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为 C 0.52， Si 1.26， Mn 1.8， Al 1.28， Cr 1.8， Ni 0.5， W 2.3， P 0.012， S 0.010，余量为 Fe。将铸锭加热到 1200 ° C 保温 10 h，出炉在 1140 ° C 开始锻造，锻造成直径为 30 mm 的棒料，终锻温度为 980 ° C，锻后缓冷至室温；将锻造棒料加工成直径为 10 mm、高为 20 mm 的圆柱，并用热机械模拟试验机以 8 ° C/s 加热到 980 ° C，保温 4 min，以 25 ° C/s 的冷却速度快 -1 速冷却到 590 ° C，立即以应变速率 0.01 s 进行 50% 压下量的压缩变形，然后以 20 ° C/ s 的冷却速度快速冷却到 220 ° C 等温保持 3.5 h，再空冷到室温，制备出纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其微观组织由平均厚度为 50 nm 的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。
     实施例 2 用 25 kg 真空感应炉在真空度 0.3 Pa 和温度 1540 ° C 下、熔炼中碳合金钢，熔炼 0.7 h 后浇铸成直径 100 mm 的圆柱形钢锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为 C 0.48， Si 1.3， Mn 1.9， Al 1.0， Cr 1.7， Ni 0.55， W 2.1， P 0.012， S 0.010，余量为 Fe。将铸锭加热到 1180 ° C 保温 11 h，出炉在 1160 ° C 开始锻造，锻造成直径为 30 mm 的棒料，终锻温度为 1020 ° C，锻后缓冷至室温；将锻造棒料加工成直径为 10 mm、高为 20 mm 的圆柱，并用热机械模拟试验机以 10 ° C/s 加热到 1020 ° C，保温 5min，以 18 ° C/s 的冷却速度快 -1 速冷却到 610 ° C，立即以应变速率 0.01 s 进行 50% 压下量的压缩变形，然后以 25 ° C/ s 的冷却速度快速冷却到 235 ° C 等温保持 2.5 h，再空冷到室温，制备出纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其微观组织由平均厚度为 70 nm 的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。
     实施例 3
     用 25 kg 真空感应炉在真空度 0.6 Pa 和温度 1560 ° C 下熔炼中碳合金钢，熔炼 1.0 h 后浇铸成直径 100 mm 的圆柱形钢锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为 C 0.5， Si 1.2， Mn 1.7， Al 1.4， Cr 1.6， Ni 0.6， W 1.9， P 0.012， S 0.010，余量为 Fe。将铸锭加热到 1220 ° C 保温 9 h，出炉在 1150 ° C 开始锻造，锻造成直径为 30 mm 的棒料，终锻温度为 1000 ° C，锻后缓冷至室温；将锻造棒料加工成直径为 10 mm、高为 20 mm 的圆柱，并用热机械模拟试验机以 12 ° C/s 加热到 1000 ° C，保温 6 min，以 20 ° C/s 的冷却速度快 -1 速冷却到 600 ° C，立即以应变速率 0.01 s 进行 50% 压下量的压缩变形，然后以 18 ° C/ s 的冷却速度快速冷却到 228 ° C 等温保持 3 h，再空冷到室温，制备出纳米结构无碳化物贝氏体中碳合金钢，其微观组织由平均厚度为 60 nm 的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。