一种低碳纳米贝氏体钢及其制备方法与流程

本发明涉及一种低碳纳米贝氏体钢及其制备方法，属于金属材料。

背景技术：

1、自贝氏体钢问世以来，因具有良好的综合力学性能而被广泛应用于结构材料中，因此对贝氏体钢的开发同时成为了提高钢铁材料强度、塑性及韧性的重要途径。世界各国对贝氏体钢的研究取得了丰硕的成果，如中高碳贝氏体钢低温等温处理，弛豫-析出工艺在超低碳、低碳贝氏体钢的应用等等。

2、近年来，有种纳米级贝氏体钢成为研究热点之一，由于在低温发生贝氏体转变，所以板条细小、强度高，学者们称之为超级贝氏体钢。这类贝氏体组织的共同特点是晶粒更加细小，且达到纳米级。目前中低碳纳米贝氏体钢的制备工艺相对繁琐，需要在低温区进行等温数天，例如cn103451549b等。本发明通过利用合理设计化学元素成分、控轧控冷以及利用微合金元素的强韧化机制等方法，达到了缩短生产周期，优化制备工艺的目的。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提供一种低碳纳米贝氏体钢及其制备方法，组织构成主要由贝氏体组成，含有少量残余奥氏体，其中贝氏体铁素体板条尺寸在80-100nm，少量的残余奥氏体细小且均匀分布。该材料具有超高的强度和良好的塑性和韧性，满足技术装备和工程结构制造用钢的需求。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种低碳纳米贝氏体钢，所述低碳纳米贝氏体钢的化学成分为：c 0.15-0.30％、si 1.6-1.9％、mn 1.8-2.3％、cr 0.7-0.9％、mo 0.2-0.3％、p≤0.010％、s≤0.010％、nb 0.03-0.08％，余量为fe及不可避免的杂质。

3、进一步的，所述低碳纳米贝氏体钢的化学成分为：c 0.20-0.25％、si 1.5-1.8％、mn1.8-2.2％、cr 0.7-0.8％、mo 0.2-0.25％、p≤0.010％、s≤0.010％、nb 0.03-0.06％，余量为fe及不可避免的杂质。

4、进一步的，所述低碳纳米贝氏体钢中还包括v和ti中的一种或两种组合，所述v和ti总含量不高于0.3％。

5、进一步的，所述低碳纳米贝氏体钢的抗拉强度≥2000mpa，屈服强度≥1700mpa，断后伸长率≥10％，常温冲击功kv2≥30j，硬度≥600hv10。

6、进一步的，所述低碳纳米贝氏体钢的微观组织由80-100nm厚的贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。

7、本发明还公开了所述低碳纳米贝氏体钢的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：

8、s1、按照化学成分称取原料，进行冶炼、铸造，将铸坯加热到奥氏体化温度并等温处理；

9、s2、出炉后的铸坯进行第一次轧制，再结晶区轧制，随后进行第二次轧制，未再结晶区轧制，第二次轧制后，以未再结晶终轧温度进行炉内等温处理；然后油冷，终冷温度为ar3+20℃以上，随后进行第三次轧制，第三次轧制的终轧温度在ar3温度之上；

10、s3、将步骤s2制备的钢板再次采用油冷，终冷温度在贝氏体开始转变温度bs与马氏体开始转变温度ms之间，终冷温度为：bs～(ms+50)℃；

11、s4、将步骤s3得到的钢板进行缓慢冷却，并进行等温处理，等温温度为(ms+5)～(ms+10)℃；

12、s5、等温结束后随炉冷却至室温，即得到所述的低碳纳米贝氏体钢。

13、进一步的，步骤s1中，将厚120-150mm铸坯加热到奥氏体化温度并等温处理1.5-2小时。

14、进一步的，步骤s2中，第一次轧制的压下量≥50％，第一次轧制的温度范围为1000～1150℃；

15、第二次轧制的压下量≥60％，第二次轧制温度范围为880～950℃，第二次轧制后得到厚度20-30mm钢板，第二次轧制后的等温处理时间为5-8分钟。

16、进一步的，步骤s2中，第三次轧制的温度范围为820～860℃，第三次轧制后得到厚度12-16mm钢板。

17、进一步的，步骤s2、s3中，油冷的冷却速率为5-15℃/s；

18、步骤s3的终冷温度为320-350℃；

19、步骤s4的等温温度为318～323℃，步骤s4的等温处理时间为8-10小时，步骤s4中的缓慢冷却速率为0.5～1℃/s。

20、本发明的有益效果是：

21、(1)所述低碳纳米贝氏体钢的化学组成中，添加适量c元素，可以提高材料的强度，降低贝氏体开始转变温度和马氏体开始转变温度，但不会对材料的焊接性能产生影响；

22、添加适量si元素，有利于抑制奥氏体中碳化物的析出，避免渗碳体在贝氏体铁素体板条间形成，同时高si含量富碳奥氏体具有很强的稳定性，在贝氏体相变过程中以薄膜状残余奥氏体的形式分布在板条间，提高钢材韧性；

23、添加适量cr元素，增加钢材的淬透性，可以减小临界冷却速度，为贝氏体转变提供较宽的冷却速度范围，促进贝氏体相变；

24、添加适量mo元素，可以提高淬透性，同时能够促进mo、nb、c等元素形成复杂细小的第二相粒子，这是由于mo的加入使得第二相粒子周围基体中碳和其他元素难以进入，阻碍了第二相粒子的长大，有效抑制奥氏体再结晶，达到细化晶粒的目的；

25、添加适量nb元素，可以实现提高钢材强韧化作用的目的，nb元素的上限量，可以避免未固溶nb的复杂相在奥氏体化阶段过分长大，对钢材的性能造成危害；nb的用量与两阶段轧制-等温-再轧制的工艺方案配合，促进第二相析出，可以达到细化晶粒，提高强韧性的目的。

26、(2)本发明合理配比各元素并添加nb，nb元素具有细化晶粒作用和提高强韧性的效果，nb在控轧控冷中起到重要作用：

27、在奥氏体化加热或保温时，固溶nb溶质原子拖拽效应与nb析出相钉扎共同作用；

28、nb元素能显著地推迟奥氏体的再结晶，能使t再提高，使未再结晶区的范围变宽，nb元素对再结晶过程起到抑制作用，提高再结晶温度，降低ar3温度，抑制奥氏体的晶粒长大，达到晶粒细化的目的；

29、冷却过程中nb与c等元素形成复杂且细小的析出相，发挥沉淀强化的作用。

30、利用nb在中低碳纳米级贝氏体钢中的强韧化影响，使其发挥固溶强化和沉淀强化作用，从而达到细化晶粒，实现提高强度兼顾韧性的目的，在超高强度结构用钢的生产与发展中起到举足轻重的现实意义和实用价值。

31、(3)第一次轧制的温度控制在再结晶温度区间，在形变奥氏体完全再结晶温度以上进行轧制变形可以使各轧制道次均发生再结晶细化，从而得到十分细小的奥氏体晶粒组织。

32、第二次轧制的温度控制在未再结晶温度区间，未再结晶轧制可以获得更加细小的晶粒组织和较大程度地提高钢的强韧性。因为钢在经过再结晶区的轧制之后，晶粒的细化是有一个限度的。就是说，在再结晶区中轧制，不管变形量多大，再结晶奥氏体的晶粒尺寸都只能细化到一定程度，在未再结晶区中变形能使形核场地和形核率增大，因此在相变后便能获得微细的晶粒组织。

33、要实现上述两阶段轧制，必须具有较宽的未再结晶区，即必须有较高的再结晶温度(t再)和较低的ar3温度，nb元素能显著地推迟奥氏体的再结晶，能使t再提高，使未再结晶区的范围变宽。

34、(4)第二次轧制后进行炉内等温处理，有利于nb、mo等复杂碳化物作为第二相粒子的析出。未再结晶区轧制可发生变形诱导析出。由于变形的驱动，析出物的析出温度升高，析出速度增加。在未再结晶区析出细小的第二相粒子对晶界和亚晶界起到钉扎作用，抑制了晶粒的长大，从而达到细化晶粒的作用，对提高韧性很有利，而且还能间接地起到强化的作用。

35、第二次轧制后的等温处理时间过短，第二相粒子析出不明显；等温时间过长，第二相粒子粗大不利于细化晶粒，对机械性能有损害，本发明的等温处理时间为5-8分钟，有利于得到韧性高，强度大的产品。

36、(5)第三次轧制的温度控制在ar3以上，基于前两次轧制和等温析出作用，第三次轧制将一定程度细化的奥氏体继续给予轧制变形，增加更多单位体积中奥氏体的晶界面积，从而在晶内产生大量的形变带和高密度位错。这些形变带与晶界的作用相似，均可作为相变时形核的场所。相变前奥氏体的位错密度高，相变时形核率就增大，相变后便能获得更细的晶粒组织。

37、(6)先油冷至bs～(ms+50)℃再缓冷至等温温度保温的方法，防止冷速过快大量组织转变为马氏体。

38、本发明通过利用合理设计化学元素成分、控轧控冷以及利用微合金元素的强韧化机制等方法，达到了缩短生产周期，优化制备工艺的目的。