专利名称：一种中高碳贝氏体钢及其制备方法
技术领域：
本发明属于金属材料领域，特别涉及一种中高碳贝氏体钢及其制备方法。
背景技术：
目前，应用最多的金属耐磨材料主要有耐磨铸铁和耐磨钢两大类。耐磨铸铁主要 是含铬铸铁，虽然具有较高的硬度，但是其脆性也很高，不适合应用于有较大冲击力的情 况。同时，由于耐磨铸铁中铬等合金元素含量较高，因此提高了它的成本。耐磨铸钢是广泛 用于各种磨损工况的一类合金钢，100多年来新的耐磨铸钢钢种层出不穷，其冶炼、铸造、热 处理和机加工工艺也不断改进，耐磨铸钢的综合力学性能、耐磨性能和使用寿命均显示出 其优越性，应用领域日益扩大。目前使用较多的是高锰钢和低、中合金耐磨钢。高锰钢必须在高冲击力的条件下，才能使材料表面达到加工硬化的效果，使耐磨 性提高，但在大多数工矿条件下，均达不到高锰钢所要求的冲击条件，其耐磨性难以发挥。 而且其屈服强度低、易于变形，因此，其使用领域受到很大的限制。低、中合金耐磨钢是一类重要的耐磨材料，可以作为大多数工况条件下的耐磨产 品。这类钢中主要包括低合金马氏体钢和贝氏体钢两类。马氏体耐磨钢采用Cr、Ni和Mo 等元素合金化，然后通过淬火和低温回火热处理，得到回火马氏体组织，具有较好的力学性 能和耐磨性。但该种钢主要靠马氏体基体硬度来抗磨，高应力磨料磨损条件下，耐磨性提高 不多，而且淬火工艺操作不当或化学成分控制不好极易引起材料的开裂。具有贝氏体组织的耐磨钢，也称为贝氏体钢，具有较高的强韧性和耐磨性，是一种 性能优异的抗磨材料，也是当前引人关注的研究和开发重点。传统的贝氏体钢根据不同的 需要所含的合金元素主要有C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、B等，在空冷的条件下获得贝氏体组织。 我国西北工业大学康沫狂教授等研制出的Si-Mn-Mo系中碳贝氏体耐磨钢，其贝氏体为贝 氏体铁素体，称为准贝氏体钢，具有较好的强韧性和较高的耐磨性。由于该类贝氏体钢中Mo 的含量一般在0. 5%左右，Mo是贵重元素，资源有限，提高了钢的价格，极大的限制了此类钢 的应用。现有贝氏体钢的生产方法中均要使用等温淬火工艺，因此目前贝氏体钢生产基本 上还是采用轧制工艺生产耐磨板材，其相变处理工艺复杂、耗时，产品质量难以保证，已远 不能满足金属耐磨行业的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种中高碳贝氏体钢及其制备方法。本发明所述的中高碳贝 氏体钢具有制造成本低，生产工艺简单，综合机械性能优异等特点。针对上述发明目的，发明人提出了如下的技术方案 一种中高碳贝氏体钢，由下述质量百分比的合金元素构成 C 0. 1% 0. 7% ； Si 0% 2. 5% ；Mn0. 5% 4. 5% ；
Cr0. 2% 3. 5% ；
其余为铁和杂质元素。作为优选，HRC彡35，Aku彡50J时，所述各合金元素的质量百分比为 C 0. 1% 0. 25% ；
Si0% 0. 8% ；
Mn0. 5% 2% ；
Cr0. 2% 0. 8% ；
其余为铁和杂质元素。作为优选，HRC彡45，Ak彡120J时，所述各合金元素的质量百分比为 C 0. 2% 0. 45% ；
Si0. 3% 1. 5% ；
Mn0. 5% 3% ；
Cr0. 2% 1. 2% ；
其余为铁和杂质元素。作为优选，HRC彡55，Ak彡50J时，所述各合金元素的质量百分比为
C0.35% 0. 7%Si0.6% 2. 5% ；Mn1.8% 4. 5% ；Cr0.8% 3. 5% ；
其余为铁和杂质元素。一种上述中高碳贝氏体钢的制备方法，包括以下步骤
A、按照比例配置的原料采用常规方法在中频炉或电弧炉中熔炼，加入Al和CaSi进行 脱氧；
B、熔炼后的原料进行炉外精炼，通过砂型铸造或熔模铸造工艺生产出坯件产品；
C、坯件升温至400 700°C，保温30 210分钟，升温至800 1300°C，保温30 180 分钟，出炉冷却5 30分钟，冷却至400 100°C，回火，保温1 5小时；
D、空冷至室温。作为优选，在所述步骤A中加入的Al占钢水质量的0. 1% 0. 2%，CaSi占钢水质 量的0. 1% 0. 2%O本发明选择的合金元素在系列中高碳贝氏体钢产品中的作用在于
一定含量的Mn推迟珠光体转变的作用比抑制贝氏体转变的能力强，从而起到提高贝 氏体的获得能力。而且Mn还能有效降低贝氏体和马氏体转变温度，使所获得的组织细化， 在一定的热处理冷却条件下获得贝氏体/马氏体的复相组织。Si是非碳化物形成元素，一定含量的Si能有效抑制贝氏体转变过程中碳化物的 析出，使未转变的奥氏体形成残余奥氏体。残余奥氏体对提高钢的韧性起到重要作用，在冲 击磨损的条件下有利于阻止裂纹的形成和扩展，有效提高耐磨性。Cr是提高淬透性的有效元素，并能细化组织，因此根据产品的规格，添加一定含量 的Cr能保证铸件整个截面上组织均勻，性能稳定。
本发明方法通过控制冷却速度和温度，使合金的成分分布较常规热处理均勻，保 证了最后的铸件组织的均勻性。采用控制冷却工艺能保证最终的铸件中获得下贝氏体和马 氏体复相组织，以保证强度和韧性的配合。升温至400 700°C，保温30 210分钟目的 旨在使工件温度均勻，从而使产品中的C元素充分扩散，以保证C元素在产品中的均勻性。 升温至800 1300°C保温30 180分钟使产品的组织奥氏体化，得到尽可能多的奥氏体， 为下一步的冷却准备条件；通过保温使产品的合金元素完全熔入奥氏体组织内，保证合金 元素在产品中的均勻性。在5 30分钟内冷却至400 100°C 避开珠光体、铁素体形成 区域。100 400°C保温1 5小时马氏体是在连续冷却过程中形成，为了得到尽可能多 的下贝氏体，需要在下贝氏体形成的合理温度区域保温较长时间，尽量减少下贝氏体转变 为马氏体；通过保温使已经形成的马氏体转变为回火马氏体，以降低组织脆性。尽快进入下 贝氏体形成区域。本发明的有益效果在于
1、本发明的中高碳贝氏体钢，无需采用复杂的等温淬火工艺，从而简化生产工艺，使生 产变得更简单、稳定；
2、本发明通过合理配置各合金元素，使本发明产品具有很高的综合机械性能；
3、本发明所添加的Mn、Si、Cr均为廉价元素，制造成本低。
具体实施例方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥 的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的 替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子 而已。实施例1 一种中高碳贝氏体钢，由下述质量百分比的合金元素构成
C0. 22%
Si0.22%
Mn1. 21%
Cr0. 4% ；
其余为铁和杂质元素。其制备方法，包括以下步骤
A、按照比例配置的原料采用常规方法在中频炉或电弧炉中熔炼，加入Al和CaSi进行 脱氧；
B、熔炼后的原料进行炉外精炼，通过砂型铸造或熔模铸造工艺生产出坯件产品；
C、坯件升温至400 700°C，保温30 210分钟，升温至800 1300°C，
保温30 180分钟，出炉冷却5 30分钟，冷却至400 100°C，回火，保温1 5小
时；
D、空冷至室温。作为优选，在所述步骤A中加入的Al占钢水质量的0. 1% 0. 2%，CaSi占钢水质 量的0. 1% 0. 2%O
性能参数见表1。实施例2 —种中高碳贝氏体钢，由下述质量百分比的合金元素构成 C 0. 33% Si 0.83% Mn 2.69% Cr 0.46% 其余为铁和杂质元素。性能参数见表1。其制备方法同实施例1。实施例3 —种中高碳贝氏体钢，由下述质量百分比的合金元素构成 C 0. 55% Si 1.02% Mn 2. 34% Cr 1. 26% 其余为铁和杂质元素。性能参数见表1。其制备方法同实施例1。表1本发明机械性能表
本发明的机械性能检测实验方法按GB/T230. 1-2004、GB/T229-1994和GB/ Tl 1352-2009的相关要求执行。 实施例4，一种中高碳贝氏体钢，由下述质量百分比的合金元素构成
C0. 1%
Mn 0. 5% Cr 0. 2%
其余为铁和杂质元素。其制备方法同实施例1。实施例5 —种中高碳贝氏体钢，由下述质量百分比的合金元素构成 C 0. 7% Si 2. 5% Mn 4. 5% Cr 3. 5% 其余为铁和杂质元素。其制备方法同实施例1。本发明与现有贝氏体钢相关参数比较见表2,
表2本发明与与现有贝氏体钢参数比较表
从上表可以看出与同类产品相比，本发明中高碳贝氏体钢的材料成本最低，性能匹配 最佳，成本低于进口产品。 本发明并不局限于前述的具体实施方式
。本发明扩展到任何在本说明书中披露的 新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
权利要求
一种中高碳贝氏体钢，其特征在于，由下述质量百分比的成分构成C0.1%～0.7%；Si 0%～2.5%；Mn 0.5%～4.5%；Cr 0.2%～3.5%；其余为铁和杂质元素。
2.如权利要求1所述的-C Si Mn Cr其余为铁和杂质元素。
3.如权利要求1所述的-C Si Mn Cr其余为铁和杂质元素。
4.如权利要求1所述的-C Si Mn Cr-种中高碳贝氏体钢，其特征在于其合金元素的质量百分比0. 1% 0. 25% ； 0% 0. 8% ； 0. 5% 2% ； 0. 2% 0. 8% ；-种中高碳贝氏体钢，其特征在于其合金元素的质量百分比0. 2% 0. 3% 0. 5% 0. 2%0.45% ；1.5% ；3% ； 1. 2% ；-种中高碳贝氏体钢，其特征在于其合金元素的质量百分比0.35% 0. 6% -1.8% -0. 8% --0. 7%2.5% ； 4. 5% ；3.5% ；其余为铁和杂质元素。
5.一种如权利要求1、2、3或4所述的中高碳贝氏体钢的制备方法，其特征在于包括以 下步骤A、按照比例配置的原料采用常规方法在中频炉或电弧炉中熔炼，加入Al和CaSi进行 脱氧；B、熔炼后的原料进行炉外精炼，通过砂型铸造或熔模铸造工艺生产出坯件产品；C、坯件升温至400 700°C，保温30 210分钟，升温至800 1300°C，保温30 180 分钟，出炉冷却5 30分钟，冷却至400 100°C，回火，保温1 5小时；D、空冷至室温。
6.如权利要求5所述的一种中高碳贝氏体钢的制备方法，其特征在于在所述步骤A 中加入的Al占钢水质量的0. 1% 0. 2%，CaSi占钢水质量的0. 1% 0. 2%。
全文摘要
本发明公开了一种中高碳贝氏体钢，其成分质量百分比为C0.1%～0.7%；Si0%～2.5%；Mn0.5%～4.5%；Cr0.2%～3.5%；其余为铁和杂质元素。本发明所述的中高碳贝氏体钢具有制造成本低，生产工艺简单，综合机械性能优异等特点。
文档编号C21D1/18GK101892426SQ20101020448
公开日2010年11月24日 申请日期2010年6月21日 优先权日2010年6月21日
发明者余忠友, 汪慧莲, 胡伯述 申请人:余忠友