无碳化物的回火马氏体钢及其制备方法

本发明属于材料热处理的，特别涉及经过回火热处理的马氏体钢。

背景技术：

1、通常情况下，马氏体钢均需通过回火处理以提高其使用寿命和韧性，但从低温回火到高温回火的过程中，马氏体钢中的过饱和碳原子会陆续形成碳偏聚、过渡型碳化物、渗碳体，甚至合金碳化物等，导致最终得到的马氏体钢中不可避免地会析出碳化物。即使在含碳量很低的情况下，回火处理导致的碳化物析出也无法避免，如中国专利cn105506494公开了一种屈服强度800mpa级高韧性热轧高强钢及其制造方法，其可利用热连轧工艺，通过直接淬火或低温卷取工艺获得具有超低碳板条马氏体组织的高强钢，该高强钢的碳含量仅介于0.02～0.05％之间，但其马氏体组织中仍含有一定量的碳化物。

2、碳化物对钢的危害主要包括：(1)脆性坚硬的碳化物在变形过程中能阻碍位错的运动，在碳化物和基体界面处形成应力集中，导致孔洞和裂纹的形成，即碳化物在变形过程中容易成为孔洞甚至裂纹形核的萌生点，降低钢材塑性，同时马氏体板条界上片状渗碳体的形成将导致材料的韧性大幅度降低，产生回火脆性，实践中也发现，当马氏体板条内渗碳体粗化后，其常出现脆性的穿晶断裂的现象；(2)碳化物的析出会导致残余在马氏体钢中的奥氏体内的碳减少，导致奥氏体在室温中不能稳定存在。特别是针对碳在马氏体与残余奥氏体混合组织中需要再分配、并通过碳从马氏体向奥氏体扩散以提高亚稳奥氏体的稳定性使其可在室温下保留的淬火-配分钢(q&p钢)，若在配分阶段出现碳化物析出，将消耗大量可用碳，导致q&p钢的碳无法完全配分到奥氏体，无法获得足量的残余奥氏体以确保材料的高塑性。

3、现有技术发现，因为硅(si)和铝(al)在一定程度上能够抑制马氏体在回火过程中碳化物的析出，所以部分技术通过在q&p钢中添加一定的si和al来改善碳在马氏体与奥氏体之间的配分，从而在室温获得残余奥氏体(ra)。然而，si和al的加入仍然无法完全抑制过渡型碳化物的析出，同时还会导致钢材的其他应用性能出现下降，如高si含量导致液态zn很难润湿钢的表面，严重影响产品镀锌性能；al会降低铸造性能，在铸造过程中造成喷嘴的堵塞。因此，进一步开发新的可抑制碳化物析出的马氏体钢制造方法仍然是必须的。

4、针对以上问题，现有技术中进一步出现了向材料中添加其他元素以改进碳在不同微观组织之间的配分的技术方案，如添加mn元素，获得富mn片层状残余奥氏体和贫mn板条马氏体，使碳能充分聚集在残余奥氏体内，减少其在马氏体内的含量，从而抑制碳化物在马氏体中的析出，但实践中发现，其还存在以下问题：在回火热处理后，马氏体内仍然可能存在析出碳化物的现象；其制备中形成的单一的富c和富mn的纳米片状残余奥氏体一方面会限制材料最终的残余奥氏体含量，另一方面可能由于稳定性过高而难以发挥相变诱导作用，限制了材料塑性的进一步提高。因此，如何进一步控制碳化物析出，调控残余奥氏体含量、形貌和稳定性，从而扩大工艺窗口以适用于工业生产是仍需解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供无碳化物的回火马氏体钢及其制备方法，该钢材具有复相组织结构，主要包含经回火或配分处理后无碳化物析出的马氏体基体和残余奥氏体，其中残余奥氏体可具有球形、多边形、片状等多种形貌，残余奥氏体的体积分数可在10％～40％大范围内调节，材料塑性得到了显著提升。

2、本发明的技术方案如下：

3、无碳化物的回火马氏体钢，其包含经回火或配分处理后得到的无碳化物析出的马氏体基体和分布于马氏体基体间的亚微米和/或纳米级的残余奥氏体，所述残余奥氏体为球形、多边形或片状中的任一种或多种形貌，其在钢材中的体积百分含量为10～40％。

4、其中，所述亚微米级是指100nm～1um的尺度范围，所述纳米级是指小于100nm的尺度范围。

5、优选的，所述钢材包含fe元素、0.2～1.0wt.％的c元素及2.0～8.0wt.％的mn元素。

6、可以理解的是，在具体实施中，该优选方案内，所述回火马氏体钢还可包含不可避免的杂质元素。

7、进一步优选的，该钢材还包含以下元素中的一种或多种：

8、si：0～3wt.％，al：0～3wt.％，cr：0～1.5wt.％，mo：0～0.5wt.％，ni：0～2wt.％，ti：0～0.1wt.％，v：0～0.5wt.％，nb：0～0.5wt.％。

9、本发明进一步提供了无碳化物的回火马氏体钢的制备方法，其包括：

10、(1)获得mn元素非均质分布的钢材作为预成品；

11、(2)将所述预成品以1～200℃/s的速率升温至ac3以上20～200℃保温0～200s，以通过快速加热和短时奥氏体化处理限制预成品中mn元素的扩散，获得高温奥氏体中mn非均质分布的钢材，其中，ac3为奥氏体完全转变的临界温度；

12、(3)将所述高温奥氏体中mn非均质分布的钢材冷却至室温后进行回火处理或冷却至马氏体开始转变到结束转变之间的温度后进行配分处理，得到所述无碳化物的回火马氏体钢；

13、其中，所述无碳化物的回火马氏体钢的微观结构为复相组织结构，包含富mn的奥氏体和贫mn的马氏体，其中，富mn的奥氏体和贫mn的马氏体间的mn的原子浓度差大于3at.％，富mn的奥氏体中mn的原子浓度不低于4at.％，且富mn的奥氏体之间的分布间距小于2um。

14、通过以上制备方法可获得碳化物被完全抑制的回火马氏体结构。

15、优选的，步骤(2)中，所述ac3以上20～200℃为700～900℃。

16、优选的，步骤(3)中，所述回火处理包括：将所述高温奥氏体中mn非均质分布的钢材冷却至室温后，再升温至150～400℃，并在此温度下保温0s～120min，以对所述处理后钢材进行回火处理，得到所述无碳化物的回火马氏体钢。

17、或优选的，步骤(3)中，所述配分处理包括：将所述高温奥氏体中mn非均质分布的钢材冷却至50～250℃并保温0-60s，随后升温至100～400℃并保温1～240min以进行c配分，其后快速冷却至室温，获得所述无碳化物的回火马氏体钢。

18、或优选的，步骤(3)中，所述配分处理包括：将所述高温奥氏体中mn非均质分布的钢材冷却至100～300℃，并在此温度下保温5～240min以进行c配分，其后快速冷却至室温，获得所述无碳化物的回火马氏体钢。

19、优选的，所述预成品选自含有富mn的渗碳体和贫mn的铁素体的珠光体钢、含有富mn的渗碳体和贫mn的回火马氏体的回火钢材或含有富mn的奥氏体和贫mn的铁素体的复相钢材；所述珠光体钢中，所述富mn的渗碳体为球形和/或片状，分布于所述贫mn的铁素体基体上；所述回火钢材中，所述富mn的渗碳体分布于所述贫mn的回火马氏体的基体上，该富mn的渗碳体为短棒状或球形；所述复相钢材中，所述富mn的奥氏体为多边形。

20、优选的，所述珠光体钢中珠光体的体积分数为80％以上。

21、进一步优选的，所述富mn渗碳体为片状的所述珠光体钢的获得包括：将原料钢板加热至1200～1250℃后，保温24-36h均匀化处理，其后进行热轧；将得到的热轧板升温至800～900℃保温5～60min，而后降至450～650℃，并在此温度下保温3～36h，然后冷却至室温；

22、进一步优选的，所述富mn的渗碳体为球形的所述珠光体钢的获得包括：将原料钢板加热至1200～1250℃后，保温24-36h均匀化处理，其后进行热轧；将得到的热轧板升温至奥氏体开始转变以上20～30℃保温5～120min，然后冷却至奥氏体开始转变以下10～30℃，并在此温度下保温12～72h，然后冷却至室温。

23、进一步优选的，所述回火钢材的获得包括：将原料钢板加热至1200～1250℃后，保温24-36h均匀化处理，其后进行热轧；将得到的热轧板升温至400～700℃高温回火3～72h，然后冷却至室温。

24、进一步优选的，所述复相钢材的获得包括：将原料钢板加热至1100～1250℃后，保温24-36h均匀化处理，其后进行热轧，将得到的热轧板加热至奥氏体和铁素体两相区温度如500～800℃，并保温4～72h后，然后冷却至室温。

25、进一步优选的，所述富mn的渗碳体和所述富mn的奥氏体中mn元素的含量为8at.％以上。

26、本发明具备以下有益效果：

27、(1)与传统马氏体钢和q&p钢中的马氏体析出碳化物相比，本发明创新性地利用高温奥氏体mn的非均质分布，突破了马氏体钢的研究范式，创新性地开发了fe-c-mn新型无碳化物的回火马氏体钢；

28、(2)以往抑制碳化物的析出往往需要通过添加一定量的si和al，但是会带来不好的影响。一方面，si合金化带来了镀锌线上的涂层困难。此外，si表现出与磷的排斥作用，si的加入会促进磷在晶界的偏析，有害于冲击韧性；al的添加则会在铸造过程中造成喷嘴的堵塞。另一方面，即使足够的si和/或al合金化，也不能完全抑制过渡型碳化物的析出。本发明利用高温奥氏体mn的非均质分布在低温下形成富mn奥氏体和贫mn马氏体，通过mn与c的相互作用促进c从贫mn马氏体向富mn奥氏体配分，即使在不含si和al情况下也能完全抑制碳化物析出，从而降低了si和al合金化的缺点和合金成本。

29、(3)本发明的无碳化物的回火马氏体钢，有别于传统回火马氏体钢或q&p钢。一方面，消除了碳化物在变形过程中成为裂纹或孔洞萌生的潜在风险。另一方面，碳化物的完全抑制促进了c从马氏体到奥氏体的扩散，满足了最佳配分状态。同时，实现c和mn协同来稳定奥氏体，从而大幅度提高残余奥氏体的含量和稳定性，有利于塑性和韧性的提高；

30、(4)发明人意外地发现，尽管mn对c元素具有很强的吸引作用，导致c元素偏向于向富mn的残余奥氏体富集，然而在碳化物的竞争作用下，这种相互作用是有限的，当残余奥氏体和马氏体之间的mn浓度差异或奥氏体的mn含量低于一定值时，富mn奥氏体对马氏体中c的吸引作用将明显减弱，由此可能无法完全抑制碳化物析出；此外，富mn奥氏体之间的间距的增大意味着c从马氏体扩散至奥氏体的距离增加，当这个间距超过一定范围后，马氏体中仍然可能存在碳化物析出，本发明可进一步通过调节奥氏体的富mn量和间距使碳元素在奥氏体内更充分富集，确保回火马氏体中完全无碳化物析出；

31、(5)本发明的制备方法通过调控非均质mn分布前驱体的组织类型，可以获得多种形貌、多尺度和多重稳定性的残余奥氏体，可以进一步在10％～40％的大区间内调控残余奥氏体的含量，扩大了工业生产的工艺窗口，可以进一步有效的提高钢的塑性。