一種鋼材、由其形成的熱處理鋼材及其制造方法
【專利摘要】本發明提供一種鋼材、由其形成的熱處理鋼材及其制造方法。本發明的鋼材，按質量百分比計含有如下組分原料：C：0.16～0.21％；Si：0.6～1.2％；Mn：1.9～2.3％；Mo：0.3～0.4％；Nb：0.03～0.12％；Al：0.015～0.035％；Ti：≤0.13％；P：≤0.012％；S：≤0.01％；余量為Fe和不可避免的元素。本發明的熱處理鋼材的制造方法，對所述的鋼材進行熱處理。本發明鋼材的組成和結構合理，由其形成的熱處理鋼材綜合性能優異，特別是具有良好的韌性。
【專利說明】一種鋼材、由其形成的熱處理鋼材及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鋼材，特別是涉及一種鋼材、由其形成的熱處理鋼材及其制造方 法。
【背景技術】
[0002] 鋼材是國家建設必不可少的重要物資，其應用廣泛、品種繁多。按照國際標準，鋼 材可劃分為非合金鋼和合金鋼兩大類，而以含有合金元素的總量大小又可將合金鋼劃分為 低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼。低合金鋼（即低合金高強度鋼）因具有較高的屈服強度， 較好的冷熱加工成型性、焊接性和抗腐蝕性以及較低的冷脆傾向、缺口和時效敏感性而成 為鋼鐵工業中發展最迅速并且最富有活力的鋼種。
[0003] 國內的低合金高強度鋼在發展中所存在的主要問題包括強度低、質量較差、產品 組成及結構不合理等，早期主要是依靠 C元素及合金元素的總量來提高鋼材的強度。七十 年代以來，世界范圍內的低合金高強度鋼進入了一個全新的發展時期，化學成分-工藝-組 織-性能四位一體關系的提出，使鋼材的組織和微觀結構占據了主導地位。
[0004] 目前，提高低合金高強度鋼的強度的方法主要包括固溶強化、析出彌散強化、細晶 強化等。固溶強化是通過融入固溶體中的溶質原子造成晶格畸變，從而增大位錯運動的阻 力，使滑移難以進行，合金固溶體的強度與硬度得以增加，常用的合金元素包括Mn、Si、A1、 Cr、Ni、Mo、Cu等；細晶強化是通過細化晶粒使金屬材料力學性能提高，常用的合金元素包 括Al、Nb、V、Ti、N等；而析出彌散強化通過在材料中析出彌散分布的硬質微粒，利用彌散的 超細微粒阻礙位錯運動，從而提高材料強度，常用的合金元素包括Nb、V、Ti等。
[0005] 20SiMn2M〇V是一種應用較為廣泛的合金結構鋼，其主要化學成分為（質量百分含 量）：C :0· 17 ?0· 23% ;Si :0· 9 ?1. 2% ;Mn :2· 2 ?2. 6% ;Mo :0· 3 ?0· 4% ;V :0· 05 ? 0· 12% ;P :彡 0· 025% ;S :彡 0· 025% ;Cu :彡 0· 25% ;Cr :彡 0· 3% ;Ni :彡 0· 3% ;余量為 Fe 和不可避免的元素。對20SiMn2MoV進行熱處理的方法通常為：首先在900°C淬火后油冷，然 后在200°C回火后空冷，熱處理后所獲得的組織為回火馬氏體，其抗拉強度Rm > 1380Mpa， 斷后伸長率A彡10 %，斷后收縮率Z彡40 %，沖擊吸收功Aku2彡55J，該組織的強度和硬度 雖然有所提高，但是綜合性能欠佳，特別是沖擊韌性較低。
【發明內容】
[0006] 本發明提供一種鋼材，用于解決現有技術中的低合金高強度鋼質量較差、產品的 組成和結構不合理等技術缺陷。
[0007] 本發明還提供一種由該鋼材形成的熱處理鋼材及其制造方法，用于解決現有技術 中的熱處理鋼材的沖擊韌性較低等技術缺陷。
[0008] 本發明提供一種鋼材，按質量百分比計含有如下組分原料：C :0. 16?0. 21% ;Si : 0· 6 ?1. 2%;Mn :1· 9 ?2· 3%;Mo :0· 3 ?0· 4%;Nb :0· 03 ?0· 12%;A1 :0· 015 ?0· 035%; Ti :彡0· 13% ;P :< 0· 012% ;S :< 0· 01% ;余量為Fe和不可避免的元素。
[0009] 進一步地，所述鋼材按質量百分比計含有如下原料組分：C :0. 17?0. 21% ;Si : 0· 8 ?1. 2%;Mn :1· 9 ?2· 3%;Mo :0· 3 ?0· 4%;Nb :0· 03 ?0· 06%;A1 :0· 015 ?0· 035%; Ti :彡0· 13% ;P :< 0· 012% ;S :< 0· 01% ;余量為Fe和不可避免的元素。
[0010] 進一步地，所述鋼材按質量百分比計含有如下原料組分：C :0. 19% ;Si :1. 0% ;Mn : 2. 1% ；Mo ：0. 35% ；Nb ：0. 05% ；A1 ：0. 025% ；Ti 0. 08% ；P 0. 008% ；S 0. 005% ； 余量為Fe和不可避免的元素。
[0011] 本發明還提供一種熱處理鋼材的制造方法，對上述任一所述的鋼材進行熱處理。
[0012] 進一步地，所述熱處理包括依次進行的正火處理、淬火處理和回火處理。
[0013] 進一步地,所述正火處理具體包括：將上述任一所述的鋼材加熱至920?940°C并 保溫2?3小時后冷卻；所述淬火處理具體包括：將經所述正火處理的鋼材加熱至900? 920°C并保溫2?3. 5小時（例如2?3小時）后冷卻；所述回火處理具體包括：將經所述 淬火處理的鋼材加熱至520?580°C并保溫3. 5?7. 5小時（例如3. 5?4. 5小時）后冷 卻。
[0014] 進一步地，所述正火處理的升溫速度為80?120°C /小時，進一步為90?110°C / 小時，例如l〇〇°C /小時；所述淬火處理的升溫速度為80?120°C /小時，進一步為90? 110°C /小時，例如100°C /小時；所述回火處理的升溫速度為40?60°C /小時，進一步為 50°C /小時。
[0015] 進一步地，所述正火處理和所述回火處理的冷卻介質為空氣，所述淬火處理的冷 卻介質為水。并且，所述正火處理冷卻至室溫，所述淬火處理冷卻至馬氏體轉變開始溫度 (Ms)左右或以上，所述回火處理冷卻至室溫。
[0016] 本發明還提供一種熱處理鋼材，按照上述任一所述的制造方法制得。
[0017] 本發明提供的鋼材，產品組成和結構合理，其通過合金元素的位錯強化、細晶粒強 化和微合金的析出強化顯著提高了鋼材的強度及韌性；此外，本發明通過優化對鋼材的熱 處理工藝，在保證鋼材強度的同時還顯著提高了其沖擊韌性，所形成的熱處理鋼材具有良 好的綜合性能。
【具體實施方式】
[0018] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚,下面將結合本發明的實施例，對本 發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實 施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造 性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0019] 本發明的鋼材，按質量百分比計含有如下組分原料：C :0. 16?0. 21% ;Si :0. 6? 1. 2% ;Mn :1· 9 ?2. 3% ;Mo :0· 3 ?0· 4% ;Nb :0· 03 ?0· 12% ;A1 :0· 015 ?0· 035% ;Ti : 彡0· 13% ;P :彡0· 012% ;S :彡0· 01% ;余量為Fe和不可避免的元素。
[0020] 以下，將對本發明的鋼材的組分原料進行詳細說明，如無特別說明，" ％ "表示質量 百分比。
[0021] C :0.16 ?0.21%
[0022] 碳元素（C)的含量為0. 21%以下時，鋼材在經過高溫奧氏體化及熱變形后的冷卻 過程中，不再發生奧氏體向鐵素體與滲碳體的兩相分解，過冷的奧氏體將直接轉變成各種 形態的鐵素體并留下少量富碳的殘留奧氏體，從而使鋼材具有良好的塑性與韌性；而必要 的碳含量（〇. 16%以上）能與加入的微量合金元素（例如Nb、Ti)作用析出微合金碳化物， 其在高溫階段抑制再結晶并且低溫階段起析出強化作用。C進一步可以為0. 17?0. 20%， 例如0. 19%。
[0023] Si :0.6 ?1.2%
[0024] 0. 6%以上的硅元素（Si)有利于提高鋼材的抗沖擊磨損性能、強化鐵素體（每1% 的Si能使鐵素體屈服強度提高85MPa)、促進殘余奧氏體的穩定化；硅元素還能起固溶強化 作用以提高鋼材的低溫抗回火脆性并對碳化物的析出起阻礙作用，其還能夠降低貝氏體的 轉變溫度以及提高鋼材的韌性；然而鋼材的韌性會在Si含量過高時（> 1. 2% )有所降低。 Si進一步可以為0. 85?1. 15%，例如1%。
[0025] Μη: 1.9 ?2. 3%
[0026] 錳元素（Μη)是強烈推遲珠光體轉變的合金元素，一定的含量（1. 9%以上）有利于 提高鋼材的淬透性并通過固溶強化作用提高鋼材的強度，其可以替代部分金屬Mo ;但Μη含 量過高（>2. 3%)會使鋼材晶粒具有粗化的傾向。Μη進一步可以為2.0?2. 2%，例如 2. 1%。
[0027] Mo :0.3 ?0.4%
[0028] 0. 3%以上的鑰元素（Mo)能夠推遲珠光體轉變，然而對貝氏體轉變的推遲作用較 小，Mo的加入可滿足鋼材在高強度和高韌性上的要求，其加入量相對于傳統的鎳元素（Ni) 低，并且效果更好；加入量在〇. 4%以下可以兼顧性能和成本。Mo進一步可以為0. 32? 0· 38%，例如 0· 35%。
[0029] Nb :0· 03 ?0· 12%
[0030] 鈮元素（Nb)可以在鋼材中析出極為細小彌散的碳化物，起到釘軋晶界的作用，從 而細化晶粒、提高韌性，特別是在新發展的溫度轉變組織超細化控制工藝過程中，微量Nb 是形成及強化有一定取向差的多邊形胞狀亞結構的必要條件，同時大顆粒的Nb析出物有 利于貝氏體相變前形成晶內針狀鐵素體或粒狀貝氏體。〇. 03%以上的Nb即可提高鋼材的 沖擊韌性、降低鋼材的脆性轉變溫度，并改善焊接性能，同時含有Nb和Μη時細化晶粒的效 果更為明顯；而Nb的含量過高則可能導致鋼材淬透性的降低。Nb進一步可以為0. 04? 0· 06%，例如 0· 05%。
[0031] A1 :0· 015 ?0· 035%
[0032] 鋁元素（A1)作為煉鋼時的脫氧定氮劑，在含量為0. 015%以上時能細化晶粒，改 善鋼材在低溫時的韌性以及降低鋼材的脆性轉變溫度；然而過高的A1含量（> 0. 035% ) 會降低鋼材在高溫下的強度和韌性。A1進一步可以為0. 02?0. 03%，例如0. 025%。
[0033] Ti 0. 13%
[0034] 鈦元素（Ti)是彌散相形成元素，適量添加可以提高鋼材的均勻性；然而加入量過 多（> 0. 13% )時會導致彌散的第二相過多，從而造成鋼材的斷后伸長率下降。
[0035] P 0. 012%
[0036] 磷元素（P)為不可避免的雜質元素，其會使鋼材的可塑性及韌性明顯下降，特別 是在低溫下更為嚴重（冷脆性），因此應當對其含量進行嚴格控制，以期達到極低的含量， 可以容許的范圍為< 〇. 012%，進一步地< 0. 01 %，更進一步地< 0. 008%。
[0037] S 0. 01%
[0038] 硫元素（S)為不可避免的雜質元素，其會使鋼材產生熱脆性，從而降低鋼材的延 展性和韌性，其含量應當嚴格控制，容許的含量范圍為< 0.01%，進一步地< 0.008%，更 進一步地< 0. 005%。
[0039] 在本發明的鋼材中，還包括其它不可避免的雜質元素，例如N、0、H，其含量應該控 制在 ppm 級，例如 N < 60ppm、0 < lOppm、Η < 1. 3ppm。
[0040] 本發明的鋼材可以采用常規方法進行制造，例如：電爐煉鋼（出鋼溫度 彡1580°C )+LF爐精煉+VD爐真空脫氣一鋼水澆注成鋼錠一鋼錠退火一鋼錠加熱（1200? 1220°C保溫6小時左右，升溫速度彡80°C /小時）一鋼錠軋制成材一鋼材緩冷一鋼材清理 -鋼材檢查/檢驗一鋼材包裝。其中，可以采用常規方法在鋼材的精煉工序中調整各化學 成分，從而使制得的鋼材中的各元素達到上述的含量范圍。
[0041] 本發明的鋼材突破了傳統高強低合金鋼的成分設計思路，不再單純依靠 C及合金 元素的總量提高鋼的強度和性能，而是通過優化產品的組成和結構（貝氏體結構），使鋼材 具有良好的力學性能和理化性能，可能是合金元素的位錯強化、細晶粒強化和微合金的析 出強化提高了鋼材的強度及韌性。
[0042] 進一步地，可以對上述鋼材進行熱處理，從而形成熱處理鋼材。所述熱處理選自 正火、退火、淬火、回火、固溶、時效、調質中的一種或多種，其工藝一般包括加熱和冷卻，可 選地還包括保溫，本領域技術人員可以根據實際需要進行常規選擇。該熱處理能夠改變鋼 材內部的顯微組織，從而賦予鋼材良好的使用性能。
[0043] 特別是，本發明提出一種熱處理鋼材的制造方法，其對上述鋼材進行熱處理。進一 步地，所述熱處理包括依次進行的正火處理、淬火處理和回火處理。
[0044] 所述正火處理具體包括：將上述任一所述的鋼材加熱至920?940°C并保溫2?3 小時后冷卻，具體可以在930°C保溫2小時后冷卻至室溫；所述淬火處理具體包括：將經所 述正火處理的鋼材加熱至900?920°C并保溫2?3. 5小時后冷卻，具體可以在910°C保溫 2小時后冷卻至馬氏體轉變開始溫度（Ms)左右或以上；所述回火處理具體包括：將經所述 淬火處理的鋼材加熱至520?580°C并保溫3. 5?7. 5小時后冷卻，具體可以在550°C保溫 3. 5小時后冷卻至室溫。
[0045] 進一步地，控制所述正火處理的升溫速度為80?120°C /小時，所述淬火處理的升 溫速度為80?120°C /小時，所述回火處理的升溫速度為40?60°C /小時。
[0046] 經過上述熱處理的熱處理鋼材，經顯微觀察組織中具有貝氏體結構，其具有優異 的綜合性能，特別是其抗拉強度、縱向沖擊韌性、低溫沖擊韌性均有所提高。
[0047] 實施例1
[0048] 按照上述常規制造方法制備含有如下原料組分的鋼材（按質量百分比計）：C : 0. 19% ；Si ：1. 0% ；Mn ：2. 1% ；Mo ：0. 35% ；Nb ：0. 05% ；A1 ：0. 025% ；Ti ：0. 07% ；P ：0. 006% ； S :0. 005% ;余量為Fe和不可避免的元素。
[0049] 采用熱膨脹法檢測該鋼材的相變點，其中Acl為737°C，Ac3為877°C，Ms為388°C， 測定相變點有利于對熱處理工藝的參數進行選擇和優化。
[0050] 對上述鋼材進行熱處理，具體包括如下順序進行的步驟：
[0051] 正火處理：以升溫速度為100°C /小時左右將上述鋼材加熱至約930°C，于該溫度 下（約930°C )保溫2小時左右后空冷至室溫；
[0052] 淬火處理：以升溫速度為100°C /小時左右將經上述正火處理的鋼材加熱至約 910°C，于該溫度下（約910°C )保溫2小時左右后水冷至500°C左右；
[0053] 回火處理：以升溫速度為50°C /小時左右將經上述淬火處理的鋼材加熱至約 550°C，于該溫度下（約550°C)保溫3. 5小時左右后空冷至室溫，即形成熱處理鋼材。
[0054] 經顯微觀察，該熱處理鋼材的組織中具有貝氏體結構；此外，采用本領域常規方法 檢測上述熱處理鋼材和20SiMn2MoV的綜合性能，結果見表1。
[0055] 實施例2
[0056] 按照上述常規制造方法制備含有如下原料組分的鋼材（按質量百分比計）：C: 0. 21% ；Si ：0. 8% ；Mn ：1. 9% ；Mo ：0. 4% ；Nb ：0. 06% ；A1 ：0. 015% ；Ti ：0. 08% ；P ：0. 008% ； S :0. 005% ;余量為Fe和不可避免的元素。
[0057] 對上述鋼材進行熱處理，具體包括如下順序進行的步驟：
[0058] 正火處理：以升溫速度為90°C /小時左右將上述鋼材加熱至約920°C，于該溫度下 保溫3小時左右后空冷至室溫；
[0059] 淬火處理：以升溫速度為90°C /小時左右將經上述正火處理的鋼材加熱至約 900°C，于該溫度下保溫3小時左右后水冷至450°C左右；
[0060] 回火處理：以升溫速度為60°C /小時左右將經上述淬火處理的鋼材加熱至約 580°C，于該溫度下保溫5小時左右后空冷至室溫，即形成熱處理鋼材，其組織中具有貝氏 體結構，力學性能檢測結果見表1。
[0061] 實施例3
[0062] 按照上述常規制造方法制備含有如下原料組分的鋼材（按質量百分比計）：C: 0. 17% ；Si ：1. 2% ；Mn ：2. 3% ；Mo ：0. 3% ；Nb ：0. 03% ；A1 ：0. 035% ；Ti ：0. 1% ；P ：0. 01% ； S :0. 006% ;余量為Fe和不可避免的元素。
[0063] 對上述鋼材進行熱處理，具體包括如下順序進行的步驟：
[0064] 正火處理：以升溫速度為110°C /小時左右將上述鋼材加熱至約940°C，于該溫度 下保溫2. 5小時左右后空冷至室溫；
[0065] 淬火處理：以升溫速度為100°C /小時左右將經上述正火處理的鋼材加熱至約 920°C，于該溫度下保溫2. 5小時左右后水冷至400°C左右；
[0066] 回火處理：以升溫速度為40°C /小時左右將經上述淬火處理的鋼材加熱至約 520°C，于該溫度下保溫4. 5小時左右后空冷至室溫，即形成熱處理鋼材，其組織中具有貝 氏體結構，力學性能檢測結果見表1。
[0067] 實施例4
[0068] 按照上述常規制造方法制備含有如下原料組分的鋼材（按質量百分比計）：C: 0. 21% ；Si ：1. 0% ；Mn ：2. 1% ；Mo ：0. 35% ；Nb ：0. 12% ；A1 ：0. 025% ；Ti ：0. 13% ；P ：0. 012% ； S :0. 01% ;余量為Fe和不可避免的元素。
[0069] 對上述鋼材進行熱處理，具體包括如下順序進行的步驟：
[0070] 正火處理：以升溫速度為80°C /小時左右將上述鋼材加熱至約930°C，于該溫度下 保溫2. 5小時左右后空冷至室溫；
[0071] 淬火處理：以升溫速度為110°C /小時左右將經上述正火處理的鋼材加熱至約
【權利要求】
1. 一種鋼材，其特征在于，按質量百分比計含有如下組分原料：c :0. 16?0. 21% ;Si : 0· 6 ?1. 2%;Mn :1· 9 ?2· 3%;Mo :0· 3 ?0· 4%;Nb :0· 03 ?0· 12%;A1 :0· 015 ?0· 035%; Ti :彡(λ 13% ;Ρ (λ 012% ;S (λ 01% ;余量為Fe和不可避免的元素。
2. 根據權利要求1所述的鋼材，其特征在于，按質量百分比計含有如下原料組分：C : 0· 17 ?0· 21% ;Si :0· 8 ?1. 2% ;Mn :1· 9 ?2. 3% ;Mo :0· 3 ?0· 4% ;Nb :0· 03 ?0· 06% ; A1 :0· 015 ?0· 035% ;Ti :彡 0· 13% ;P :彡 0· 012% ;S :彡 0· 01% ;余量為 Fe 和不可避免的 元素。
3. 根據權利要求2所述的鋼材，其特征在于，按質量百分比計含有如下原料組分：C: 0. 19 % ；Si ：1. 0 % ；Mn ：2. 1 % ；Mo ：0. 35 % ；Nb ：0. 05 % ；A1 ：0. 025 % ；Ti ： ^ 0. 08 % ；P ： < 0. 008% ;S 0. 005% ;余量為Fe和不可避免的元素。
4. 一種熱處理鋼材的制造方法，其特征在于，對權利要求1至3任一所述的鋼材進行熱 處理。
5. 根據權利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述熱處理包括依次進行的正火處 理、淬火處理和回火處理。
6. 根據權利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述正火處理具體包括：將權利要求 1至3任一所述的鋼材加熱至920?940°C并保溫2?3小時后冷卻；所述淬火處理具體包 括：將經所述正火處理的鋼材加熱至900?920°C并保溫2?3. 5小時后冷卻；所述回火處 理具體包括：將經所述淬火處理的鋼材加熱至520?580°C并保溫3. 5?7. 5小時后冷卻。
7. 根據權利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述正火處理的升溫速度為80? 120°C /小時，所述淬火處理的升溫速度為80?120°C /小時，所述回火處理的升溫速度為 40?60°C /小時。
8. 根據權利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述正火處理和所述回火處理的冷 卻介質為空氣，所述淬火處理的冷卻介質為水。
9. 一種熱處理鋼材，其特征在于，按照權利要求4至8任一所述的制造方法制得。
【文檔編號】C21D1/28GK104099515SQ201410205730
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】張喜鵬, 張春生, 張喜艷, 姚鳳祥, 張成連, 劉英武, 李慶斌, 劉洪波, 楊云志, 翟書研, 徐詠梅, 李占陽, 崔波, 劉向軍, 王劉艷, 張立明, 王雪威, 趙啟洲 申請人:天津市東達偉業機車車輛有限公司, 東北特鋼集團北滿特殊鋼有限責任公司