一种含有先共析铁素体的纳米贝氏体钢及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纳米贝氏体钢及其制备方法，具体涉及一种含有先共析铁素体的纳米贝氏体钢及其制备方法，属于金属材料领域。
【背景技术】
[0002]近年来，随着研宄的不断深入，贝氏体及贝氏体钢越来越受到人们的重视，并吸引了国内外研宄者们致力于贝氏体相变和贝氏体钢的研宄。国内外学者根据贝氏体相变理论设计出了不同成分的贝氏体钢种和生产工艺，形成了不同系列的贝氏体钢。具有代表的有:20世纪50年代英国人Pickering等发明了 Mo-B系空冷贝氏体钢，清华大学的方鸿生发明出Mn-B系贝氏体钢，西北工业大学的康沫狂成功研制出系列准贝氏体钢。
[0003]特别是英国的Bhadeshia等发现高碳、高硅钢在T=0.25 (T代表以绝对温度表示的熔点)的低温进行长达许多天的等温转变，可以获得极细小的贝氏体组织，其组织由厚度仅为30nm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，称为纳米贝氏体。这种纳米贝氏体的硬度达到了 600-670HV，而且其极限拉伸强度达到甚至超过2.3GMPa。纳米贝氏体钢具有良好的综合力学性能，是发展超级钢、超细晶钢和纳米钢铁材料的途径之一。纳米贝氏体中的残余奥氏体薄膜富集了较高的碳含量，从而这种富碳的残余奥氏体薄膜将有助于阻止裂纹的萌生和扩展。由于纳米贝氏体转变非常缓慢，这就给人们以足够的时间来研宄贝氏体在转变过程中所发生的变化，甚至是解决长期以来一直困扰国内外学者们的一些难题。
[0004]经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为201310424351.0，公开了一种低温温轧制备2000MPa级纳米尺度贝氏体钢工艺，热处理过程中退火炉炉温为200°C?300°C，保温时间3?6小时。最终获得超细贝氏体中亚结构为厚度20?40nm的薄片贝氏体铁素体和厚度小于1nm的富碳残余奥氏体薄膜。检索中还发现，中国专利申请号为201310423172.5，该专利公开了一种2100MPa纳米贝氏体钢的制备方法，热处理过程中盐浴炉200?300°C等温时间会达到10-100小时，最终获得纳米尺寸贝氏体铁素体板条和薄膜状残余奥氏体组成的双相组织。中国专利申请号201410135887.5，公开了一种2400MPa级低成本纳米贝氏体钢的制备方法，热处理过程中盐浴淬火炉的炉温为200?300°C，保温时间3?6小时。最终获得了超细贝氏体中显微结构为厚度彡10nm的薄片贝氏体铁素体板条和分布在板条间的薄膜状富碳残余奥氏体，组织中无渗碳体析出。
[0005]虽然以上专利公开研发的纳米贝氏体钢强度较高，但其显微组织中没有引入先共析铁素体组织其由于含碳量较高，焊接性能较差；而且上述较长时间的热处理技术使得纳米贝氏体钢很难用于工业生产。
【发明内容】
[0006]本发明旨在提供一种含有先共析铁素体的纳米贝氏体钢及其制备方法，其主要是制备一种超高强度，且具有先共析铁素体、纳米贝氏体和残余奥氏体组成的复相组织的贝氏体钢，在高碳钢中添加Si元素能够抑制脆性的渗碳体的析出，得到无碳化物的贝氏体组织，从而改善塑性。
[0007]本发明提供了一种含有先共析铁素体的纳米贝氏体钢，包括下列重量百分比的元素:
C: 0.68-1.08%
S1: 1.9-3.0%
Mn: 1.8-3.5%
Cr: 1.5-3.1%
Co:1.2-2.8%
P:彡 0.01%，
S:彡 0.01%
其余为Fe和不可避免的杂质。
[0008]进一步地，上述含有先共析铁素体的纳米贝氏体钢，包括下列重量百分比的元素:
C:0.71-1.0%，
Si:2.18-2.9%，
Mn:2.5-3.35%，
Cr:1.8-2.9%，
Co:1.5-2.5%，
P:彡 0.01%，
S:彡 0.01%
其余为Fe和不可避免的杂质。
[0009]设计钢中各元素的作用:
C元素是本发明中保证获得纳米贝氏体组织的最基本元素，其作为强间隙固溶强化元素，其固溶强化对提高强度至关重要。C的增加不但降低了 Bs (贝氏体转变开始温度)和Ms (马氏体转变开始温度)温度，而且可以使Bs温度和Ms温度之间的温度差扩大，这有利于获得纳米贝氏体组织。
[0010]Si元素作为非碳化物形成元素，当其含量较低时，以非金属夹杂物形式存在，从而阻止奥氏体晶粒细化。Si不仅具有明显抑制脆性相Fe3C型碳化物析出的作用，还可以增加组织中残余奥氏体量及其稳定性，适量的Si可提高纳米贝氏体钢的韧性。
[0011]Mn作为扩大奥氏体相区元素，加入Mn能使钢的Arl (冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度)、Ar3 (铁碳合金冷却时自A (奥氏体)中开始析出F (铁素体)的临界温度线)、Bs和Ms温度下降，有利于纳米贝氏体组织形成。
[0012]Cr是固溶强化元素，能够提高淬透性。
[0013]Co元素会增加奥氏体向铁素体转变的自由能，加速贝氏体转变速率，可使贝氏体转变充分进行。
[0014]本发明提供了一种含有先共析铁素体的纳米贝氏体钢的制备方法，采用分阶段降温、变形淬火制备工艺，包括以下步骤:
第一步，首先将钢迅速加热到奥氏体化温度850-1050°C，等温5-60min后取出，使钢件充分奥氏体化；
第二步，奥氏体化后的钢件在600?1050°C之间快速冷却至500?600°C，然后空冷5?30s，再继续快速冷却至贝氏体转变温度；
所述贝氏体转变温度为200?500 °C ；
所述快速冷却的速度为50~100°C /s，快速冷却采用水冷却；
第三步，然后在上述贝氏体转变温度之间(即Bs-Bf之间的某一温度)进行低温变形，形变速率为0.1?1.0s—1，形变量为10-50% ；
所述第三步中低温变形的时间为10s-500s ；
第四步，变形完成后进行等温，等温时间为1-1Oh ;
所述等温过程的温度范围为220?450°C ；
第五步，最后再淬火到室温，在室温获得含有先共析铁素体的纳米贝氏体钢。
[0015]本发明首先要保证钢的高强度，其基体组织需选择贝氏体组织，高温加热使钢件充分奥氏体化，当奥氏体化后的钢件在600?800°C之间以>50°C /s的冷速快速水冷至500?600°C，然后空冷5?30s，这时会生成先共析铁素体组织。再继续以>50°C/s的冷速冷却至200?500°C (即Bs-Bf之间)之间的某一温度时，会生成贝氏体组织。低温变形会加速贝氏体相变且使显微组织进一步细化，变形过程中形成的位错，会给碳原子的扩散提供有利的扩散通道，且进一步加速了碳扩散速度。因为贝氏体的转变主要靠“贝氏体亚单元”的无扩散生长进行，亚单元开始生长后，亚单元中过多的碳便会向奥氏体中扩散。因此，大大缩短了等温时间。
[0016]本发明的有益效果:
本发明通过优化纳米贝氏体钢成分设计，在冷却过程中采用快速一慢速一快速的冷却方法使组织中先生成部分铁素体，然后在低温进行变形、等温处理，最终获得了先共析铁素体、纳米贝氏体和残余奥氏体组成的复相组织的贝氏体钢，大大缩短了热处理时间。最后获得了含有先共析铁素体的纳米贝氏体钢，所制备钢的韧性得到了较大的提高且保持了较高的强度。这样进一步扩大了贝氏体钢的应用范围，铁素体组织的引入对其焊接性能非常有益。
【具体实施方式】
[0017]下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0018]实施例1
本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为:c:0.79%，Si:2.18%，Mn:2.80%，Cr:
1.81%，Co:1.63%, S:0.0015%,P:0.0052%，其余为Fe。将钢以15°C /s的速度加热到奥氏体化温度900°C保温6min，使钢件充分奥氏体化；然后将钢件在600?900°C之间以55°C /s的冷速快速水冷至600°C，然后空冷10s，再继续以55°C /s的冷速冷却至260°C ;然后在淬火温度260°C进行低温变形，形变速率为0.2s—1，形变量为30% ;变形完成后接着进行等温，等温温度为280°C，等温时间为2h ;最后再淬火到室温，在室温获得含有先共析铁素体的纳米贝氏体钢。
[0019]根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第I部分:室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在Zwick T1-FR020TN A50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1946MPa，屈服强度Rpa2为1469MPa，总延伸率为11.4%。