專利名稱：一種復(fù)合微合金中高碳鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及中高碳鋼材料，特別是ー種含Nb中高碳鋼成分設(shè)計(jì)及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的熱處理中高碳鋼在生產(chǎn)中存在一些問(wèn)題，主要包括踏面及輪緣晶粒粗大且不均勻，易產(chǎn)生貝氏體和馬氏體硬相組織，鐵素體含量過(guò)少，珠光體晶粒尺寸分布不均等。最終導(dǎo)致エ業(yè)生產(chǎn)中其性能難于達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。在鋼中單一添加Nb或V或Ti元素能與[C]、[N]結(jié)合生成碳化物、氮化物和碳氮化物，這些化合物在高溫下溶解，在低溫下析出起到抑制晶粒長(zhǎng)大以及沉淀強(qiáng)化作用。其組織是鐵素體——珠光體，在冷卻狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)500MPa。直接的前期處理和 高強(qiáng)度的結(jié)合，其結(jié)果是碳當(dāng)量降低，而鋼的強(qiáng)度和韌性卻大大提高，并具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，使得這類鋼成為成本昂貴的淬火/回火鋼的替代產(chǎn)品，而變得引人注日，在包括汽車部件在內(nèi)的許多場(chǎng)合下獲得了應(yīng)用。傳統(tǒng)意義上的微合金化技術(shù)己經(jīng)用于軋制板材產(chǎn)品的組織控制，Nb是這些產(chǎn)品中的首優(yōu)元素，Nb作為微合金元素加入鋼中，主要還是起到析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，在900 1000攝氏度以NbC或者Nb(NC)的形式析出，由于其析出溫度較高，因此可以阻止奧氏體晶體的長(zhǎng)大，從而細(xì)化晶粒。析出強(qiáng)化是升高屈強(qiáng)比最弱的強(qiáng)化方式之一，細(xì)晶強(qiáng)化是唯一脆化矢量為負(fù)值的強(qiáng)化方式。因此Nb元素是很好的強(qiáng)化元素，但它的弱點(diǎn)也很明顯，由于Nb固溶在鐵素體中能強(qiáng)烈提高鋼的淬透性，因此在大規(guī)格的低碳鋼材中應(yīng)用較少，因?yàn)槿菀壮霈F(xiàn)異常組織(B、M)，比如在鋼筋中，大直徑的鋼筋一般偏向于用V合金化，Nb合金化的エ藝范圍很窄，在エ業(yè)生產(chǎn)中不易實(shí)現(xiàn)。而且，盡管調(diào)質(zhì)狀態(tài)的微合金化鋼在強(qiáng)度方面有競(jìng)爭(zhēng)力，然而，與淬火/回火鋼相比，回火到同一硬度時(shí)，其韌性偏低。除上述単一添加微合金化元素的介紹外，向中高碳鋼復(fù)合添加微合金化元素還未見(jiàn)研究報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，提供了復(fù)合添加Nb和V微合金元素的中高碳鋼的成分設(shè)計(jì)，并結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，?shí)現(xiàn)組織尺寸細(xì)小且分布均勻，并具有較高強(qiáng)度和韌性的產(chǎn)品O本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案ー種中高碳鋼，其組分百分比為C:0.51_0.54%，Mn:O. 65-0. 69%, Si:O. 40-0. 58%, Nb:O. 03-0. 07%, V:O.1-0. 13%, Cr:0.20-0. 3%, P:^ O. 020%, S: < O. 015%，余量為 Fe。本發(fā)明的具體制造エ藝包括以下幾個(gè)步驟
O按照鑄件成品的組分重量比配置原料
2)選取在O. 75 t中頻無(wú)芯感應(yīng)電爐中熔煉，加熱到110(Tll8(TC并保溫I小時(shí)后，鍛造成型；3)將步驟2)得到鋼坯在850-900°C正火保溫I小時(shí)后，進(jìn)行空冷或噴水冷卻至室溫，保證冷卻速度控制在6-12°C /s的范圍內(nèi)，確保室溫組織為鐵素體和珠光體。本發(fā)明中各合金元素的作用如下
C :保證鋼的淬透性，提高鋼的強(qiáng)度、硬度以及耐磨性，要求合金鋼的組織中主要組成為珠光體，C最佳的含量設(shè)計(jì)在O. 5Γ0. 54%的范圍，此時(shí)，珠光體軟硬相的配比最優(yōu)，性能最好。Mn :提高鋼的強(qiáng)度和韌性，Mn具有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效果，可降低鋼的相變溫度，緩解奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變速度，提高鋼的淬透性，并能夠細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。但提高M(jìn)n含量將提高珠光體的體積分?jǐn)?shù)，降低鋼的韌性，為保障較好的強(qiáng)韌性配比，設(shè)計(jì)Mn成分范圍為O. 65-0. 69%ο Si :在鋼中固溶度較大，能夠顯著強(qiáng)化鐵素體，其固溶強(qiáng)化效果高于Mn，Si的増加可提高鋼中鐵素體的體積分?jǐn)?shù)，并使晶粒變細(xì)，有利于提高鋼的韌性，設(shè)計(jì)Si成分范圍為
O.40-0. 58%ONb和V : Nb與V均是微合金化元素，復(fù)合添加微合金化元素V-Nb，由于有復(fù)合作用能控制奧氏體晶粒尺寸和析出強(qiáng)化的能力。本發(fā)明通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，選擇了相應(yīng)的Nb和V的組分配比，使得添加的Nb和V有助于晶粒尺寸控制以及提高強(qiáng)度，Nb,V(C, N)相的最終溶解可以在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生V和Nb的共同析出強(qiáng)化效果。與普碳鋼或者含V的鋼相比，添加上述配比的V + Nb的鋼保持了非常細(xì)小的奧氏體晶粒尺寸。得到的微合金化鋼中的鐵素體內(nèi)有彌散分布的微合金化析出物，其形貌特征是奧氏體的相間分解產(chǎn)物，V+Nb鋼中有細(xì)小的相間彌散分布相。關(guān)于奧氏體化溫度，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，冷卻后的合金鋼的硬度很大程度上受奧氏體化溫度影響，當(dāng)奧氏體化溫度為110(Tll80°C時(shí)，硬度隨時(shí)間的變化只有微小的波動(dòng)。V+Nb鋼在長(zhǎng)時(shí)間保溫冷卻后，其硬度的變化表明硬度依賴于溫度的趨勢(shì)減小。關(guān)于冷卻速度，保證冷卻速度控制在6_12°C /s的范圍內(nèi)，以確保室溫組織為鐵素體和珠光體。當(dāng)冷速低于6°C /s時(shí)，本設(shè)計(jì)成分的高速車輪鋼強(qiáng)度過(guò)低，不能滿足安全生產(chǎn)要求；當(dāng)冷速高于12°C /s時(shí)，組織中易出現(xiàn)混晶現(xiàn)象，鐵素體比例不足，韌性性能不穩(wěn)定。本發(fā)明復(fù)合添加Nb和V微合金元素的中高碳鋼的成分設(shè)計(jì)，并結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚恁ㄋ嚕瑢?shí)現(xiàn)組織尺寸細(xì)小且分布均勻從而得到均勻細(xì)小的網(wǎng)狀鐵素體和珠光體團(tuán)的組織。在保證強(qiáng)度的條件下提高了鋼的韌性。因此，本發(fā)明的含Nb和V的中高碳鋼材料具有高強(qiáng)度、高韌性的力學(xué)性能配合，通過(guò)本發(fā)明得到的中高碳鋼，抗拉強(qiáng)度為760-980MPa，屈服強(qiáng)度為480-590MPa，斷后伸長(zhǎng)率為18_28%，低溫(_20°C )沖擊功(Akv)為16-222J，室溫可獲得鐵素體比例為11-23%的均勻組織。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :
此種微合金中碳鋼的成分百分含量為c:0. 51 %，Mn :0. 65%, Si :0. 40%, Nb :0. 03%,V:0. 1%, Cr:0. 20%, P: ^ O. 020%, S:彡 O. 015%，余量為 Fe。本發(fā)明的具體制造エ藝包括以下幾個(gè)步驟
按照鑄件成品的組分重量比配置原料，熔煉加熱到1100°c并保溫I小時(shí)后，鍛造成型后，將鋼加熱到850°C，保溫I小時(shí)將其充分奧氏體化，之后空冷至室溫，通過(guò)測(cè)量監(jiān)控使平均冷卻速度控制為6°C /s。經(jīng)力學(xué)性能測(cè)試，其屈服強(qiáng)度為480MPa，抗拉強(qiáng)度為760MPa，斷后伸長(zhǎng)率為22. 0%，低溫(-20 0C )沖擊功(Akv)為16. 7J。實(shí)施例2:
此種微合金中碳鋼的成分百分含量為c:0. 53 %，Mn :0. 66%, Si :0. 45%, Nb :0. 05%,V:0. 11%, Cr:0. 25%, P: ^ O. 020%, S:≤ O. 015%，余量為 Fe。通過(guò)冶煉、鍛造后，將鋼加熱到900°C，保溫I小時(shí)將其充分奧氏體化，之后空冷至室溫，通過(guò)測(cè)量監(jiān)控使平均冷卻速度控制為10°c /S。經(jīng)力學(xué)性能測(cè)試，其屈服強(qiáng)度為495MPa，抗拉強(qiáng)度為845MPa，斷后伸長(zhǎng)率為22. 3%，低溫(-20°C )沖擊功(Akv)為19. OJ0實(shí)施例3:
此種微合金中碳鋼的成分百分含量為C: O. 54 %，Mn: O. 69%, Si : O. 58%, Nb:
O.07%, V: O. 13%, Cr: O. 3%, P: ^ O. 020%, S:≤ O. 015%，余量為 Fe。通過(guò)冶煉、鍛造后，將鋼加熱到900°C，保溫I小時(shí)將其充分奧氏體化，之后噴水冷卻至室溫，通過(guò)測(cè)量監(jiān)控使平均冷卻速度控制為12°C /S。經(jīng)力學(xué)性能測(cè)試，其屈服強(qiáng)度為530MPa，抗拉強(qiáng)度為890MPa，斷后伸長(zhǎng)率為21. 1%，低溫(-20°C )沖擊功(Akv)為19. 5J。
權(quán)利要求
1.ー種復(fù)合微合金中高碳鋼，其特征在于，其組分百分比為C:0. 51-0. 54 %,Mn :0.65-0.69%, Si :0.40-0.58%, Nb :0. 03-0. 07%, V:0. 1-0. 13%, Cr :0.20-0. 3%, P:^ O. 020%, S: ^ O. 015%，余量為Fe，并且通過(guò)以下制造エ藝制得 1)按照鑄件成品的組分重量比配置原料 2)選取在O.75 t中頻無(wú)芯感應(yīng)電爐中熔煉，加熱到110(Tll8(TC并保溫I小時(shí)后，鍛造成型； 3)將步驟2)得到鋼坯在850-900°C正火保溫I小時(shí)后，進(jìn)行空冷或噴水冷卻至室溫，保證冷卻速度控制在6-12°C /s的范圍內(nèi)，確保室溫組織為鐵素體和珠光體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種中高碳鋼，其組分百分比為C:0.51-0.54%，Mn:0.65-0.69%，Si:0.40-0.58%，Nb:0.03-0.07%，V:0.1-0.13%，Cr:0.20-0.3%，P:≤0.020%，S:≤0.015%，余量為Fe，并且通過(guò)以下制造工藝制得1)按照鑄件成品的組分重量比配置原料2)選取在0.75t中頻無(wú)芯感應(yīng)電爐中熔煉，加熱到1100~1180℃并保溫1小時(shí)后鍛造成型；3)將步驟2)得到鋼坯在850-900℃正火保溫1小時(shí)后，進(jìn)行空冷或噴水冷卻至室溫，保證冷卻速度控制在6-12℃/s的范圍內(nèi)，確保室溫組織為鐵素體和珠光體。本發(fā)明的含Nb和V的中高碳鋼材料具有高強(qiáng)度、高韌性的力學(xué)性能。
文檔編號(hào)C22C38/26GK102676931SQ201210188040
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月8日
發(fā)明者沈冬杰 申請(qǐng)人:沈冬杰