一种铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢及其制备方法

技术领域

本发明属于贝氏体钢技术领域。具体涉及一种铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢及其制备方法。

技术背景

贝氏体钢是一种具有较高强度和良好韧性的钢种，一直是钢铁材料界的研究重点。20世纪30年代Devenport和Bain发现并研究了贝氏体组织，Irvine和Pickering等人于20世纪50年代开发出在正火状态便可获得贝氏体组织的Mo-B贝氏体钢。经过几十年的研究和发展，国内外不仅开发了成本较低、工艺简单的低合金贝氏体钢，还开发了高性能低碳贝氏体钢，且已成功地用于板带钢的生产。这些钢种的发明和生产改善了钢铁产品结构，提高了钢铁产品竞争力，具有广阔的应用前景，可广泛地应用于工程机械、造船、建筑、军工等领域。

“一种高强度非调质贝氏体钢及其制备方法”（CN102899589A）专利技术，其化学成分（wt%）是：C为0.39~0.44%,Si为0.2~0.4%，Mn为1.2~1.7%，S≤0.35%，P≤0.35%，Cr为0.5~0.8%，Ni≤0.20%，Mo≤0.15%，V为0.1~0.2%，B为0.001~0.003%，Ti为0.02~0.045%，Al为0.01~0.035%，Cu≤0.2%,N≤70ppm，余量Fe。其熔炼工艺采用电炉+炉外精炼+真空脱气或转炉+炉外精炼+真空脱气，轧制工艺采用连铸+轧坯+挤压棒材+坑内缓冷。虽然锻件抗拉强度能达到1085Mpa，但延伸性和夏比冲击功都偏低。而且锻造冷却速度要大于50℃/s，能耗过大，制备工艺过于复杂，添加了大量的合金元素，无疑增加了生产成本。另外，P和S含量过高对钢的塑性和韧性造成不利影响。

“一种高强度高韧性多步等温贝氏体钢及其制备方法”（CN103555896A）专利技术，其化学成分（wt%）是：C为0.20~0.50%，Si为1.20~2.00%，Mn为1.00~5.00%，Ni为1.00~2.00%，Cr为0.10~1.50%，Cu为0.30~2.00%，Mo为0.10~0.50%，Nb为0.00~0.10%，V为0.00~0.10%，Ti为0.00~0.10%，P﹤0.015%，S﹤0.010%，其余为Fe及不可避免的杂质。其采用多步等温方法制备贝氏体，奥氏体化时间为0.2~5小时，等温介质中保温时间第一步为0.2~3小时，第二步为2~50小时，第三步为24~240小时，第四步为50~360小时，等温介质为盐浴、惰性气氛和微弱还原气氛中的一种。生产工艺比较复杂，对设备及工艺条件的要求较高，尤其是贝氏体的等温转变时间过长，大大延长了生产周期，不利于工业化生产。而且添加合金元素种类繁多，加入了大量的Ni、Cr、V和Ti等贵重金属，提高了生产成本。

“一种超高强度贝氏体钢及其制造方法”（CN102251170A）专利技术，其化学成分（wt%）是：C为0.05~0.14%，Si为0.1~0.5%，Mn为1.2~2.0%，P≤0.015%，S≤0.010%，Al为0.01~0.05%，N≤0.005%，还包括 Nb为0.015~0.070%，Ti为0.02~0.15%，V为0.10~0.20%，中的至少一种合金元素，以及Cr为0.15~0.50%，Mo为0.15~0.50%中的至少一种合金元素，剩余部分为铁和不可避免的杂质。其中添加了不少合金元素，增加了生产成本。轧制过程采用控轧控冷，轧后进行镀锌或酸洗，但最终的抗拉强度只有700MPa左右，并未达到超高强度的要求。

此外，“一种高强度贝氏体钢轨及其热处理工艺”（CN103160736A）专利技术，添加了大量的合金元素以及热处理工艺，但其延伸率不是很高。“一种超高强度超低碳贝氏体钢的制备方法”（CN1916195A）专利技术，通过热锻冷压以及热处理等一系列复杂的工艺对超低碳贝氏体钢（成分未给出）进行强化处理，强度虽有提高，但工艺难以用于大规模生产，成材率不是很高。

由上述分析可以看出，现有的高性能贝氏体钢基本依靠添加大量的合金元素来改善强度，大大增加了生产成本。所获得的钢种要么抗拉强度稍显不足，要么塑性和韧性难以和强度匹配，而且制备工艺往往比较复杂，生产周期过长，对于大规模的工业化生产极其不利。

发明内容

本发明旨在克服现有的技术缺陷，目的是提供一种工艺简单、生产成本低廉、生产周期短的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的制备方法；所制备的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢性能优良，强度与塑形良好匹配。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：将铸坯采用热轧机组进行轧制，粗轧开轧温度为1150~1200℃，精轧开轧温度为950~1000℃，精轧终轧温度为900~950℃；然后以30~50℃/s的速度冷却至420~450℃，再空冷至330~380℃，在330~380℃条件下保温30~45min，然后水冷至室温。

所述铸坯的化学成分及其含量是：C为0.19~0.224wt%，Si为1.43~1.50wt%，Mn为1.94~2.05wt%，Nb为0.025~0.027wt%，Mo为0.142~0.15wt%，P<0.008wt%，S<0.002wt%，N<0.004wt%，剩余部分为Fe及不可避免的杂质。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

    本发明是以价格低廉的C、Si、Mn元素为主，只加入少量的Mo元素以及微量的Nb元素，成本低廉；向低碳钢中复合添加少量的Nb和Mo能显著促进贝氏体相变，快速获得大量细小均匀的粒状贝氏体组织，利用Nb和Mo复合析出强化以及Nb的晶粒细化有效改善了强度和韧性；其工艺简单，生产周期大幅缩短，所制备的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的强度和塑性匹配良好。

由于Nb和Mo对贝氏体相变的促进作用，缩短了贝氏体转变时间。而且Nb在热轧动态再结晶过程中显著的晶粒细化作用，以及Nb和Mo复合添加的析出强化作用，所制备的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的强度和塑形得到良好改善。由于制备的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢显微组织主要是细小均匀的粒状贝氏体+少量马氏体，细小的贝氏体组织既具有较高的强度，又有良好的塑性，对提升板材的综合性能有利。而且大量Si元素的加入抑制碳化物的形成，使延伸性能进一步提高，冲击韧性大大增强。经过控轧控冷工艺，所制备的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢抗拉强度为1150~1250MPa，延伸率为20~25%，故性能优良。

因此，本发明具有成本低廉、工艺简单和生产周期的特点，所制备的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的强度与塑形良好匹配，综合性能优良，适用于工程机械、造船、建筑和军工等领域。

附图说明

图1为本发明制备的一种铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的金相组织光学照片；

图2为图1所示的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的扫描电镜图；

图3为图1所示的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的透射电镜图；

图4为图1所示的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的析出相的形貌图；

图5为图4中颗粒1的能谱图；

图6为图4中颗粒2的能谱图；

图7为图4中颗粒3的能谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本发明保护范围的限制。

实施例 1

一种铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢及其制备方法。本实施例的制备方法是：将铸坯采用热轧机组进行轧制，粗轧开轧温度为1150~1160℃，精轧开轧温度为950~960℃，精轧终轧温度为900~910℃；然后以30~50℃/s的速度冷却至420~450℃，再空冷至330~340℃，在330~340℃条件下保温30~45min，然后水冷至室温。

所述铸坯的化学成分及其含量是：C为0.19~0.21wt%，Si为1.43~1.47wt%，Mn为1.94~1.98wt%，Nb为0.025~0.026wt%，Mo为0.142~0.148wt%，P<0.008wt%，S<0.002wt%，N<0.004wt%，剩余部分为Fe及不可避免的杂质。

本实施例所制备的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的抗拉强度为1200~1250MPa，延伸率为20.0~22.7%。

实施例 2

一种铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢及其制备方法。本实施例的制备方法是：将铸坯采用热轧机组进行轧制，粗轧开轧温度为1160~1170℃，精轧开轧温度为960~970℃，精轧终轧温度为910~920℃；然后以30~50℃/s的速度冷却至420~450℃，再空冷至340~350℃，在340~350℃条件下保温30~45min，然后水冷至室温。

所述铸坯的化学成分及其含量是：C为0.20~0.22wt%，Si为1.46~1.49wt%，Mn为1.97~2.01wt%，Nb为0.025~0.026wt%，Mo为0.147~0.149wt%，P<0.008wt%，S<0.002wt%，N<0.004wt%，剩余部分为Fe及不可避免的杂质。

本实施例所制备的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的抗拉强度为1180~1230MPa，延伸率为21.6~23.5%。

实施例 3

一种铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢及其制备方法。本实施例的制备方法是：将铸坯采用热轧机组进行轧制，粗轧开轧温度为1170~1180℃，精轧开轧温度为970~980℃，精轧终轧温度为920~930℃；然后以30~50℃/s的速度冷却至420~450℃，再空冷至350~360℃，在350~360℃条件下保温30~45min，然后水冷至室温。

所述铸坯的化学成分及其含量是：C为0.21~0.224wt%，Si为1.48~1.50wt%，Mn为1.99~2.05wt%，Nb为0.026~0.027wt%，Mo为0.148~0.15wt%，P<0.008wt%，S<0.002wt%，N<0.004wt%，剩余部分为Fe及不可避免的杂质。

本实施例所制备的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的抗拉强度为1160~1210MPa，延伸率为22.3~23.0%。

实施例 4

一种铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢及其制备方法。本实施例的制备方法是：将铸坯采用热轧机组进行轧制，粗轧开轧温度为1180~1200℃，精轧开轧温度为980~1000℃，精轧终轧温度为930~950℃；然后以30~50℃/s的速度冷却至420~450℃，再空冷至360~380℃，在360~380℃条件下保温30~45min，然后水冷至室温。

所述铸坯的化学成分及其含量是：C为0.20~0.224wt%，Si为1.49~1.50wt%，Mn为1.98~2.05wt%，Nb为0.026~0.027wt%，Mo为0.148~0.15wt%，P<0.008wt%，S<0.002wt%，N<0.004wt%，剩余部分为Fe及不可避免的杂质。

本实施例所制备的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的抗拉强度为1150~1180MPa，延伸率为23.4~25.0%。

本具体实施方式是以价格低廉的C、Si、Mn元素为主，只加入少量的Mo元素以及微量的Nb元素，成本低廉。

本具体实施方式制备的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的组织是细小均匀的贝氏体+少量马氏体，如图1~图3所示，图1为本具体实施方式中实施例1制备的一种铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的金相组织光学照片；图2为图1所示的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的扫描电镜图；图3为图1所示的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的透射电镜图。从图1~图3可以看出，贝氏体的片层间距为400~500nm，细小均匀的贝氏体使得钢的强度和韧性明显改善。

图4为图1所示的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的析出相的形貌图；图5为图4中颗粒1的能谱图；图6为图4中颗粒2的能谱图；图7为图4中颗粒3的能谱图。从图4~图7可以看出Nb和Mo复合添加，析出相不仅有Nb的单独析出，还有Nb和Mo的复合析出。析出相在热轧的动态再结晶过程中阻碍位错运动和晶粒的长大，能有效细化晶粒和组织，起到析出强化和晶粒细化作用，提高了铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的强度和韧性。

本具体实施方式中Nb和Mo复合添加，对于热轧动态再结晶过程中的晶粒细化作用和析出强化作用，获得细小均匀的贝氏体组织，使得所制备的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的强度和韧性都明显提高。从而得到抗拉强度为1150~1250MPa和延伸率为20~25%的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢。

因此，本具体实施方式具有成本低廉、工艺简单和生产周期短的特点，所制备的铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢的强度与塑形良好匹配，综合性能优良，适用于工程机械、造船、建筑和军工等领域。