專利名稱：低碳微合金化貝氏體鐵素體鋼及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種低合金高強度高韌性鋼及其制造方法，特別是一種低碳微合金化貝氏體鐵素體鋼及其制造方法。
在制造汽車前軸和連桿等構件時，對鋼材性能要求較高，主要的技術性能要求是較好的強韌性配合，良好的疲勞強度以及沿截面均勻的硬度和組織分布。傳統上，這類構件一般用中碳45號鋼或者40Cr鋼在調質狀態使用。由于這些鋼的淬透性較低，導致截面各部位冷速不一，冷卻后工件各部位生成的組織不一樣，性能不均勻；此外，工件在熱處理后需矯直，也產生內應力，從而影響使用壽命。還有，其復雜的熱處理工序不僅影響生產周期，也增加了產品成本。所以，許多國家采用貝氏體非調質鋼取代之，具有簡化工藝、節省能源、免除淬火缺陷，而且其強度和抗疲勞性能相當于或超過中碳調質鋼。
公開號CN1189542A，申請號97105661.7的申請案中提供一種Mn-Si-B多元微合金化空冷貝氏體鋼，屬微合金化中高碳貝氏體非調質鋼，具有較高強度和耐磨性，適合用于制造磨球、襯板、缸套等構件，但其強韌性綜合性能較差，不適合用于制造汽車前軸和連桿等構件。
本發明的目的在于提供一種低碳微合金化貝氏體鐵素體鋼及其制造方法，無需調質處理，保證大截面鋼材表面至心部的組織均為貝氏體鐵素體，具有較佳的強韌性配合和抗疲勞強度；制造工藝簡化，節省能源，降低生產周期和制造成本。
為達到上述目的，本發明采用下述技術方案一種低碳微合金化貝氏體鐵素體鋼，其特征在于按重量百分比計組分配比為C0.05～0.08％，Si0.20～0.80％，Mn2.0～3.0％，Cr0.5～1.0％，Ti0.01～0.05％，N0.01～0.02％，B0.0005～0.0050％，余量為Fe。
鋼的組分中還含有V0.08～0.14％，Ca0.0005～0.0050％。
鋼的組分中Mn＋Cr＞3.0％，Ti/N＜3.4。
鋼的組分中含有P＜0.02，S＜0.03。
一種低碳微合金化貝氏體鐵素體鋼的制造方法，其特征在于在氧氣頂吹轉爐或電爐中冶煉，鋼錠坯經1180～1220℃加熱，1150℃±50℃開軋或開鍛，900℃±20℃終軋或終鍛，壓縮比為4～10，控制其冷速為0.1～1℃/S。
本發明的合金成分設計的理由如下C為提高貝氏體非調質鋼的韌性，需降低C含量。對于貝氏體非調質鋼而言，碳含量不能太低，否則鋼的硬度得不到保證，也不利于貝氏體組織的獲得，故碳含量基本上0.05～0.08％。
SiSi對過冷奧氏體的穩定性影響不大。鋼中加Si能提高鋼質純凈度和脫氧，Si能抑制貝氏體中碳化物的析出，改變貝氏體形態，提高貝氏體的韌性。在貝氏體非調質鋼中Si含量一般在1.0％以下。
Mn錳的加入將細化鋼的組織，提高鋼的強度及韌性，且錳能提高V、Ti、Nb在奧氏體中的固溶度積，增強其沉淀強化效果錳含量大于1.5％時有助于貝氏體組織的獲得。貝氏體非調質鋼中錳的含量在2.0～3.0％之間。Mn含量太高會強烈偏析，造成鋼成份及性能不均，另外會增加MnS夾雜。
Cr降低貝氏體轉變開始點Bs，有利于貝氏體的獲得，但對貝氏體相變的作用不如Mo明顯。Cr是碳化物形成元素，它促進鐵素體的形成，能提高鋼材強度和韌性。它的加入能改善鋼材的耐腐蝕性能。一般非調質傳動軸鋼中Cr含量小于1.0％。
BB固溶于基體中將使鋼的所有中溫組織轉變強烈推遲，它和Mo復合加入將使鋼在很寬的冷速范圍內得到貝氏體(本鋼種不加Mo加Cr的原因是使鋼中殘留一部分鐵素體以提高韌性)，但當其含量高于0.005％時會形成碳化物，故貝氏體非調質鋼B的含量一般在0.0005～0.005％之間。
TiTi在鋼中主要與C、N形成化合物以提高強度、硬度，細小的Ti(C，N)將在加熱過程中阻止奧氏體晶粒粗大，細化組織，另外它避免BN形成，可以充分發揮B的作用。另外Ti有促進粒狀貝氏體形成的作用。
VV在鋼中主要起沉淀強化作用，適量的V對強度、硬度和塑性都有好處，V太高會顯著降低鋼的塑性和韌性，一般V含量在0.08～0.14％之間。
Ca在鋼中主要起夾雜物改性及利于切削性能的作用，Ca的溶入使硫化物中含Ca并使其硬度升高，熱加工時不容易延伸拉長，從而使夾雜物球化，有利于改善鋼橫向性能及切削加工性能。Ca含量一般在0.0005～0.005之間。
P磷在鋼中有助于切削加工性能及耐大氣腐蝕性能的改善，但磷含量較高時會促進Mn偏析及自身偏析，且P在鋼中會形成共晶帶狀組織，影響鋼的組織均勻性，一般要求鋼中P的含量越低越好。對于貝氏體非調質鋼來講，P含量一般要求小于0.02％。
S嚴格地說，S不是合金元素，是鋼中的有害雜質元素，S與Fe會形成低熔點共晶，偏析于晶界，使鋼產生熱脆現象。但貝氏體非調質鋼中加入一定量的S有利于改善其切削加工性。要求易切削性能的鋼，S的含量一般在0.03～0.06％之間，不要保證切削性能則要求S含量越低越好，一般小于0.03％。
控制關鍵性元素的含量和比例，其中C＜0.08％、Mn＋Cr＞3.0％、Ti/N＜3.4且微B處理和增N，保證大截面(規格達φ150mm)鋼材在冷速為0.1～1℃/S空冷時整個截面都得到貝氏體+15～45％鐵素體組織，而且其硬度分布均勻，表面與中心最大差別≤40HB；控制元素S和Ca等，改善鋼的切削加工性能；控制元素V、Ti和N的相對比例，控制Ti/N＜3.4使N在形成TiN以細化晶粒的同時過量，過量的N與C、V一起形成V(C，N)析出強化，V(C，N)析出強化比單純VC或VN析出強化更有利于韌性的提高，以保證鋼在高溫熱加工后直接空冷時(不需要調質處理)具有良好的綜合機械性能，特別是具有較高的沖擊韌性。本發明鋼中N的含量較高，達0.01～0.02％，特別適合電爐冶煉，氧氣頂吹轉爐冶煉需要增N。
本發明與現有技術相比較，具有突出的特點和顯著優點本發明提供的鋼屬低碳微合金化貝氏體鐵素體非調質鋼，無需調質處理而能保證大截面鋼材表面至心部的組織均為貝氏體鐵素體，具有高強度、高韌性和高抗疲勞性的良好性能，適合用于制造汽車前軸及連桿等構件。其制造方法的優點是工藝大為簡化，無需復雜的熱處理工序，從而節約能源，減少環境污染，降低生產周期和制造成本。
附圖的圖面說明如下
圖1是本發明一個實施例鋼的貝氏體+40％鐵素體金相組織照片圖(放大400倍)。
圖2是本發明一個實施例鋼的形變奧氏體CCT曲線圖。
圖3是本發明一實施例鋼不同冷速下金相組織照片圖(放大400倍)。
圖4和圖5分別是本發明一個實施例鋼不同冷速下的硬度與鐵素體量圖。
圖6是本發明一個實施例鋼與45號鋼調質態的疲勞性能對比圖。
具體實施例方式根據設計的化學成份范圍在實驗非真空感應爐冶煉了100kg鋼錠，其化學成份為0.07％C，0.53％Si，2.52％Mn，0.015％P，0.028％S，0.82％Cr，0.024％Ti，0.13％V，0.015％N，0.00325Ca，0.0019％B。
鋼錠經1180～1220℃加熱，1150℃開軋(鍛)，900℃終軋(鍛)后空冷，壓縮比大于4。控制其冷速為0.1～1℃/S時，獲得含有適量鐵素體組織的貝氏體——鐵素體復合組織。在鋼材表面和中心分別取樣測定其硬度為HB235～255，其它機械性能見下表，該鋼的組織見圖1。σ0.2(MPa) σb(MPa) δ5(％) ψ(％) ak(J/cm2)(V型缺口)542 852 2156 75本實施例鋼與常用40Cr鋼調質態及現有12Mn2VB非調質鋼的性能對比如下，從由下表可知本發明具有高強度、高韌性的特點鋼種 σ0.2(MPa) σb(MPa) δ5(％) ψ(％) ak(J/cm2)本發明 542 852 2156 75(V型缺口)40Cr 518 794 2458 68(U型缺口)12Mn2VB 660～700 790～812 15～19 55～58 75～90(U型缺口)注本實施例鋼規格為60×60mm，在1/4對角線處取樣；40Cr鋼規格為φ60mm，調質處理后在R/2處取樣。12Mn2VB性能是在鍛造并回火的前軸上取樣得到。aku＝babv，b＝1.3～2.2。
由于材料在空氣中自然冷卻時其冷卻速度隨環境溫度的變化而變化，且不同尺寸的材料在相同的環境溫度下冷卻時其冷速也不一樣，再者由于材料本身表面與芯部冷速也有差異，這些因素都將影響材料的組織與性能。因此，為了研究本實施例鋼在不同的冷速下的組織與硬度，進而控制其力學性能，所以在實驗室THERMECMASTER-Z熱模擬試驗機上測定了動態CCT曲線。圖2為本發明鋼動態CCT曲線。其組織、硬度和鐵素體量隨冷卻速度的變化分別見圖3、圖4和圖5。
由圖2和圖3可知，隨著冷速的增加，鐵素體量逐漸減少，且細小；貝氏體量逐漸增加，且形態由粒貝向下貝轉變。冷速介于0.1～1℃/S之間時，有適量的鐵素體含量，到5℃/S時，鐵素體基本消失，到10℃/S后，貝氏體為下貝且開始出現馬氏體。
由圖4和圖5可知，冷速介于0.1～1℃/S之間，其硬度介于HV232～274之間，即HB225～265之間，鐵素體含量介于15～45％之間，此時組織和硬度均符合合金設計的初衷。
對本實施例鋼的疲勞性能進行了測試。試驗機為PQ1-6純彎曲疲勞試驗機，應力比R＝1，試驗頻率為83Hz，最長循環周次為1.0×107，測試依據為GB4337-84，選用旋轉彎曲疲勞形式，其σ-1＝350MPa。調質態45鋼的疲勞極限σ-1＝367MPa，兩者對比見圖6。本實施例鋼的疲勞極限比45鋼調質態低17MPa，這與本發明鋼中含有較多的S(約0.025％)有關，雖然進行了Ca處理，但Ca量遠遠不夠，不能有效球化硫化物夾雜。但兩者疲勞極限相差不大，能滿足用戶要求。
權利要求
1.一種低碳微合金化貝氏體鐵素體鋼，其特征在按重量百分比計組分配比為C0.05～0.08％，Si0.20～0.80％，Mn2.0～3.0％，Cr0.5～1.0％，Ti0.01～0.05％，N0.01～0.02％，B0.0005～0.0050％，余量為Fe。
2.根據權利要求1所述的低碳微合金化貝氏體鐵素體鋼，其特征在于鋼的組分中還含有V0.08～0.14％，Ca0.0005～0.0050％。
3.根據權利要求1所述的低碳微合金化貝氏體鐵素體鋼，其特征在于組分中Mn＋Cr＞3.0％，Ti/N＜3.4。
4.根據權利要求1所述的低碳微合金化貝氏體鐵素體鋼，其特征在于鋼的組分中含有P＜0.02％，S＜0.03％。
5.根據權利要求1所述的低碳微合金化貝氏體鐵素體鋼，其特征在于在氧氣頂吹轉爐或電爐中冶煉，鋼錠坯經1180～1220℃加熱，1150℃±50℃開軋或開鍛，900℃±20℃終軋或終鍛，壓縮比為4～10，然后空冷，控制其冷速為0.1～1℃/S。
全文摘要
本發明涉及一種低碳微合金化貝氏體鐵素體鋼及其制造方法。該鋼按重量百分計組分配比為:C0.05～0.08%,Si0.20～0.80%,Mn2.0～3.0%,Cr0.5～1.0%,Ti0.01～0.05%,N0.01～0.02%,B0.0005～0.0050%,余量為Fe。該鋼是在氧氣頂吹轉爐或電爐中冶煉,鋼錠坯經1180～1220℃加熱,1150℃±50℃開軋或開鍛,900℃±20℃終軋或終鍛,壓縮比為4～10,控制其冷速為0.1～1℃/S。本發明提供的這種鋼為低碳微合金化非調質鋼,無需調質處理而能保證大截面鋼材表面至心部的組織均為貝氏體鐵素體,具有高強度、高韌性和高抗疲勞性的良好性能,適于制造汽車前軸及連桿等構件。其制造工藝大為簡化,節約能源,減少環境污染,降低生產周期和制造成本。
文檔編號C22C38/32GK1330166SQ01113108
公開日2002年1月9日 申請日期2001年6月26日 優先權日2001年6月26日
發明者張愛文, 江來珠, 華蔚, 付金華, 王漢忠 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司