專利名稱：一種復合微合金中高碳鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及中高碳鋼材料，特別是ー種含Nb中高碳鋼成分設計及其生產方法。
背景技術：
傳統的熱處理中高碳鋼在生產中存在一些問題，主要包括踏面及輪緣晶粒粗大且不均勻，易產生貝氏體和馬氏體硬相組織，鐵素體含量過少，珠光體晶粒尺寸分布不均等。最終導致エ業生產中其性能難于達到標準要求。在鋼中單一添加Nb或V或Ti元素能與[C]、[N]結合生成碳化物、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大以及沉淀強化作用。其組織是鐵素體——珠光體，在冷卻狀態下的屈服強度遠遠超過500MPa。直接的前期處理和 高強度的結合，其結果是碳當量降低，而鋼的強度和韌性卻大大提高，并具有顯著的成本優勢，使得這類鋼成為成本昂貴的淬火/回火鋼的替代產品，而變得引人注日，在包括汽車部件在內的許多場合下獲得了應用。傳統意義上的微合金化技術己經用于軋制板材產品的組織控制，Nb是這些產品中的首優元素，Nb作為微合金元素加入鋼中，主要還是起到析出強化和細晶強化作用，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大，從而細化晶粒。析出強化是升高屈強比最弱的強化方式之一，細晶強化是唯一脆化矢量為負值的強化方式。因此Nb元素是很好的強化元素，但它的弱點也很明顯，由于Nb固溶在鐵素體中能強烈提高鋼的淬透性，因此在大規格的低碳鋼材中應用較少，因為容易出現異常組織(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，在エ業生產中不易實現。而且，盡管調質狀態的微合金化鋼在強度方面有競爭力，然而，與淬火/回火鋼相比，回火到同一硬度時，其韌性偏低。除上述単一添加微合金化元素的介紹外，向中高碳鋼復合添加微合金化元素還未見研究報道。
發明內容
本發明通過大量實驗，提供了復合添加Nb和V微合金元素的中高碳鋼的成分設計，并結合適當的熱處理工藝，實現組織尺寸細小且分布均勻，并具有較高強度和韌性的產品O本發明采用了以下技術方案ー種中高碳鋼，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。本發明的具體制造エ藝包括以下幾個步驟
O按照鑄件成品的組分重量比配置原料
2)選取在O. 75 t中頻無芯感應電爐中熔煉，加熱到110(Tll8(TC并保溫I小時后，鍛造成型；3)將步驟2)得到鋼坯在850-900°C正火保溫I小時后，進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，確保室溫組織為鐵素體和珠光體。本發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最佳的含量設計在O. 5Γ0. 54%的范圍，此時，珠光體軟硬相的配比最優，性能最好。Mn :提高鋼的強度和韌性，Mn具有較強的固溶強化效果，可降低鋼的相變溫度，緩解奧氏體向珠光體的轉變速度，提高鋼的淬透性，并能夠細化晶粒，提高強度和韌性。但提高Mn含量將提高珠光體的體積分數，降低鋼的韌性，為保障較好的強韌性配比，設計Mn成分范圍為O. 65-0. 69%ο Si :在鋼中固溶度較大，能夠顯著強化鐵素體，其固溶強化效果高于Mn，Si的増加可提高鋼中鐵素體的體積分數，并使晶粒變細，有利于提高鋼的韌性，設計Si成分范圍為
O.40-0. 58%ONb和V : Nb與V均是微合金化元素，復合添加微合金化元素V-Nb，由于有復合作用能控制奧氏體晶粒尺寸和析出強化的能力。本發明通過大量實驗，選擇了相應的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度，Nb,V(C, N)相的最終溶解可以在冷卻過程中產生V和Nb的共同析出強化效果。與普碳鋼或者含V的鋼相比，添加上述配比的V + Nb的鋼保持了非常細小的奧氏體晶粒尺寸。得到的微合金化鋼中的鐵素體內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物，V+Nb鋼中有細小的相間彌散分布相。關于奧氏體化溫度，經實驗，冷卻后的合金鋼的硬度很大程度上受奧氏體化溫度影響，當奧氏體化溫度為110(Tll80°C時，硬度隨時間的變化只有微小的波動。V+Nb鋼在長時間保溫冷卻后，其硬度的變化表明硬度依賴于溫度的趨勢減小。關于冷卻速度，保證冷卻速度控制在6_12°C /s的范圍內，以確保室溫組織為鐵素體和珠光體。當冷速低于6°C /s時，本設計成分的高速車輪鋼強度過低，不能滿足安全生產要求；當冷速高于12°C /s時，組織中易出現混晶現象，鐵素體比例不足，韌性性能不穩定。本發明復合添加Nb和V微合金元素的中高碳鋼的成分設計，并結合適當的熱處理エ藝，實現組織尺寸細小且分布均勻從而得到均勻細小的網狀鐵素體和珠光體團的組織。在保證強度的條件下提高了鋼的韌性。因此，本發明的含Nb和V的中高碳鋼材料具有高強度、高韌性的力學性能配合，通過本發明得到的中高碳鋼，抗拉強度為760-980MPa，屈服強度為480-590MPa，斷后伸長率為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。
具體實施例方式實施例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。本發明的具體制造エ藝包括以下幾個步驟
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小時后，鍛造成型后，將鋼加熱到850°C，保溫I小時將其充分奧氏體化，之后空冷至室溫，通過測量監控使平均冷卻速度控制為6°C /s。經力學性能測試，其屈服強度為480MPa，抗拉強度為760MPa，斷后伸長率為22. 0%，低溫(-20 0C )沖擊功(Akv)為16. 7J。實施例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。通過冶煉、鍛造后，將鋼加熱到900°C，保溫I小時將其充分奧氏體化，之后空冷至室溫，通過測量監控使平均冷卻速度控制為10°c /S。經力學性能測試，其屈服強度為495MPa，抗拉強度為845MPa，斷后伸長率為22. 3%，低溫(-20°C )沖擊功(Akv)為19. OJ0實施例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。通過冶煉、鍛造后，將鋼加熱到900°C，保溫I小時將其充分奧氏體化，之后噴水冷卻至室溫，通過測量監控使平均冷卻速度控制為12°C /S。經力學性能測試，其屈服強度為530MPa，抗拉強度為890MPa，斷后伸長率為21. 1%，低溫(-20°C )沖擊功(Akv)為19. 5J。
權利要求
1.ー種復合微合金中高碳鋼，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中頻無芯感應電爐中熔煉，加熱到110(Tll8(TC并保溫I小時后，鍛造成型； 3)將步驟2)得到鋼坯在850-900°C正火保溫I小時后，進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，確保室溫組織為鐵素體和珠光體。
全文摘要
本發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中頻無芯感應電爐中熔煉，加熱到1100~1180℃并保溫1小時后鍛造成型；3)將步驟2)得到鋼坯在850-900℃正火保溫1小時后，進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，確保室溫組織為鐵素體和珠光體。本發明的含Nb和V的中高碳鋼材料具有高強度、高韌性的力學性能。
文檔編號C22C38/26GK102676931SQ201210188040
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月8日 優先權日2012年6月8日
發明者沈冬杰 申請人:沈冬杰