一种快速相变的纳米贝氏体钢及其制备方法与流程

本发明属于合金领域，尤其是一种快速相变的纳米贝氏体钢及其制备方法。

背景技术：

具有纳米尺度无碳化物贝氏体和残留奥氏体结构的纳米贝氏体钢(ultra-finebainiticsteel)展现出更好的强度、塑性和韧性匹配，但纳米贝氏体相变时间长，制约了其生产和应用。早期的纳米贝氏体钢采用高c高si思路设计成分，且等温几十个小时才能获得纳米贝氏体,其韧性和焊接性差；目前将形变与相变手段结合加速上纳米贝氏体相变上最短时间也在2小时以上。

在2001-2003年期间，西班牙caballero和英国bhadeshia等研究发现，将含碳量在0.75-0.98％的fe-si-mn-cr-m-v的高硅高碳低合金钢在低温下长时间等温(125℃等温29天或190℃等温14天)，得到一种超强低温贝氏体(lowtemperaturebainite)，其抗拉强度达2.5gpa，硬度超过600hv，其组织为超细结构的无碳化物贝氏体。

超细贝氏体钢的力学性能与马氏体时效钢接近，但其成本只有马氏体时效钢的九十分之一，而且只需通过常规加工方法而不需要快速冷却或力学加工就可以进行生产，有望成为物美价廉的新型高强度钢，开发潜能巨大，极具应用前景。

超细贝氏体钢虽拥有优异的高强度与高韧塑性配合，但其加入cr、mo等贵重合金元素，提高了其成本，而且工艺流程耗时冗长，在等温淬火前要经过长时间的均匀化扩散退火，空冷后进行奥氏体化，之后在125-300℃盐浴中等温淬火，其贝氏体相变需很长时间，少则几天，多则一个月之久，制备时间过长，对超细贝氏体钢的发展非常不利，所以研究其加速工艺有利于大批量工业化生产的实现。

专利号为gb2462197的英国专利，该专利通过pct进入中国后的公开号为cn102112644a，该专利虽然提供了一种力学性能极佳的贝氏体钢，但是其在盐浴炉中的等温就需要1周左右。

技术实现要素：

由于现有技术中存在上述不足，本发明提供了一种快速相变纳米贝氏体钢材料，其解决了纳米贝氏体相变时间过长、不利于生产的问题。

具体地，本发明是通过下述技术方案实现的：

一种快速相变的纳米贝氏体钢，其合金元素含量，按质量百分比，包括：c：0.3～0.6％，si：1.5～2％，mn：0.6～1％，al：1～1.5％，co：0.5～0.8％，cr：0.8～1.2％，mo≤0.5％，ni：0.5～1％，nb：0.02～0.1％，p≤0.05％，s≤0.05％，余量为fe和不可避免的杂质。

优选地，其合金元素含量，按质量百分比，包括：c：0.3～0.6％，si：1.5～2％，mn：0.6～1％，al：1～1.5％，co：0.5～0.8％，cr：0.8～1.2％，mo：0.25～0.5％，ni：0.5～1％，nb：0.02～0.1％，p≤0.05％，s≤0.05％，余量为fe和不可避免的杂质。

制备上述的纳米贝氏体钢的方法，包括如下制备步骤：

(1)将按比例混合的原料真空熔炼，得坯料；

(2)将坯料加热到奥氏体化温度区间，保温30～60分钟，得到奥氏体；

(3)奥氏体通过盐浴淬火快速冷却至马氏体相变温度区间，进行等温相变，得到含有少量马氏体的钢；

(4)将含有少量马氏体的钢快速转移到纳米贝氏体相变区温度区间，进行等温相变，然后空冷至室温，即得纳米贝氏体钢。

最终得到的纳米贝氏体钢组织成分包括纳米贝氏体钢、少量马氏体和残留奥氏体，是一种多相钢。

优选地，步骤(2)所述的奥氏体化温度区间为1000～1100℃。

优选地，步骤(3)所述的马氏体相变温度区间为210～240℃。

优选地，步骤(3)所述的等温相变时间为30～60s。

优选地，步骤(4)所述的纳米贝氏相变温度区间为260～300℃。

优选地，步骤(4)所述的等温相变时间为20～60分钟。

本发明的有益之处在于：采用中低碳思路控制c含量在0.3～0.6％，避免高脆性；确定适当的si含量，抑制碳化物析出，获得无碳化物贝氏体板条；降低mn元素含量小于1％，同时添加mo、ni元素控制贝氏体相变温度区间和马氏体转变开始温度(ms)，添加适当的al、co元素促进纳米贝氏体相变。合金具有高淬透性，对冷速要求低，工艺可控性好。通过试验钢的成分设计及双级等温淬火工艺技术方案实现了纳米贝氏体钢相变无孕育期，相变完成时间在60分钟以内，大大提高了纳米贝氏体的低温等温相变速率，显著缩短制备时间，提高生产效率的技术效果。

附图说明

图1技术方案工艺路线示意图，其中ms为马氏体转变开始温度，m为马氏体，ra为残留奥氏体，bf为贝氏铁素体，b为贝氏体。

图2纳米贝氏体多相钢显微组织，其中bf为贝氏铁素体，filmra为层状残留奥氏体，blockra为块状残留奥氏体，pm为透镜状马氏体。

图3不同淬火温度后等温转变膨胀量随时间变化曲线，其中qbt-40为实施例1的曲线，qbt-30为实施例2的曲线，qbt-15为实施例3的曲线，dit为未经马氏体淬火直接贝氏体温度区间转变。

具体实施方式

下面通过具体实施例来对本发明进行进一步阐述，下述实施例仅用来解释本发明，并不能视为对本发明的进一步限制。

实施例1

一种纳米贝氏体钢，其合金元素含量，按质量百分比为c：0.51％，si：1.72％，mn：0.83％，al：1.48％，co：0.56％，cr：0.98％，mo：0.25％，ni：0.60％，nb：0.04％，余量为fe。

制备方法如下：

(1)将坯料加热到1050℃，保温30分钟，得奥氏体a；

(2)奥氏体a通过盐浴淬火快速冷却至210℃，保温30s，得到少量马氏体m；

(3)将钢快速转移到280℃，保温1小时，然后空冷至室温，即得纳米贝氏体钢。

最终得到的纳米贝氏体钢硬度(hv3)为561。

实施例2

一种纳米贝氏体钢，其合金元素含量，按质量百分比为c：0.51％，si：1.72％，mn：0.83％，al：1.48％，co：0.56％，cr：0.98％，mo：0.25％，ni：0.60％，nb：0.04％，余量为fe。

制备方法如下：

(1)将坯料加热到1050℃，保温30分钟，得到奥氏体a；

(2)奥氏体a通过盐浴淬火快速冷却至220℃，保温30s，得到少量的马氏体m；

(3)将钢快速转移到280℃，保温1小时，然后空冷至室温，即得纳米贝氏体钢。

最终得到的纳米贝氏体钢硬度(hv3)为559。

实施例3

一种纳米贝氏体钢，其合金元素含量，按质量百分比为c：0.51％，si：1.72％，mn：0.83％，al：1.48％，co：0.56％，cr：0.98％，mo：0.25％，ni：0.60％，nb：0.04％，余量为fe。

制备方法如下：

(1)将坯料加热到1050℃，保温30分钟，得奥氏体a；

(2)奥氏体a通过盐浴淬火快速冷却至235℃，保温30s，得到少量马氏体m；

(3)将钢快速转移到280℃，保温1小时，然后空冷至室温，即得纳米贝氏体钢。

最终得到的纳米贝氏体钢硬度(hv3)为544。