專利名稱：Mn-Re系高強(qiáng)韌性空冷貝氏體鋼及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種Mn-Re系高強(qiáng)韌性空冷貝氏體鋼及其制造工藝，屬于冶金技術(shù)的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大量的研究已經(jīng)表明一些過渡形態(tài)的貝氏體組織較同強(qiáng)度下的馬氏體具有較高的韌性和疲勞性能，并能簡化熱處理工藝、在大截面上能獲得均勻一致的貝氏體組織，淬透性高，在緩冷條件下消除了淬火裂紋、減少了變形，因而在工業(yè)領(lǐng)域開始得到廣泛應(yīng)用；現(xiàn)行貝氏體鋼主要有三大類，一類是Si-Mn-Mo系，即以Si、Mn、Mo為主加元素再添加各種其它元素組成，在空冷條件下具有很高的淬透性，經(jīng)過中溫回火后可獲得優(yōu)異的強(qiáng)韌性，冶煉工藝穩(wěn)定；第二類是Cr-Ni-Mo-B系，這種貝氏體鋼含有較高的Cr、Ni和Mo，它們均要添加貴重元素Mo或Cr和Ni等使合金成本較高，并且要經(jīng)低中溫回火后才能獲得良好的強(qiáng)韌性配合；第三類是低中碳Mn-B系空冷貝氏體鋼，這類鋼成本低，但冶煉工藝不太穩(wěn)定，強(qiáng)韌性不如前兩類好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種Mn-Re系高強(qiáng)韌性空冷貝氏體鋼及其制造工藝，獲得一種成本低廉、工藝簡單、性能優(yōu)異的貝氏體鋼代替現(xiàn)行的調(diào)質(zhì)鋼；得到的新型貝氏體鋼是以Mn、Re與Si配合不含Mo、Ni等貴重元素，因而不僅材料成本低廉，而且在空冷條件下能獲得較高淬透性和高強(qiáng)韌性；本發(fā)明是這樣構(gòu)成的Mn-Re系高強(qiáng)韌性空冷貝氏體鋼，以C、Mn、Re、Si為主加合金元素，化學(xué)成分(重量百分?jǐn)?shù))范圍為C0.1～0.35、Mn2.0～3.0、Si0.5～1.8、Re 0.01～0.2，其余為Fe；鋼中還可以含有一種或一種以上的元素如下(重量百分?jǐn)?shù))V0.03～0.1、Cr0.1～0.6、W0.03～0.3、Nb0.01～0.1鋼中的Cu、P、S、Al為雜質(zhì)，按照重量百分比計算其中Cu＜0.2、P＜0.03、S＜0.012、Al＜0.1。這種Mn-Re系高強(qiáng)韌性空冷貝氏體鋼的制造工藝，對熔煉過程前期和中期進(jìn)行良好的脫氧和脫硫，然后按常規(guī)工藝及給定的比例加入合金元素，熔煉溫度1600～1650℃，澆鑄溫度1570℃～1620℃，
鍛軋工藝始鍛溫度1100～1200℃，終鍛溫度＞850℃，鍛造比＞4，鍛造后緩冷或直接空冷；預(yù)備熱處理680～720℃加熱后，隨爐冷卻或空冷，硬度范圍HB220～290，HRC18～26，加工成形后進(jìn)行熱處理，正火熱處理工藝880～920℃加熱后空冷即可使用，滲碳熱處理工藝滲碳溫度900℃～930℃，碳勢控制在0.9％～1.1％C，滲碳后直接出爐空冷或降溫出爐空冷；對于需要切削加工的零件，可在鍛軋后進(jìn)行高溫回火，對于不需要切削加工的零構(gòu)件可在鍛造成形后直接使用。
本發(fā)明鋼通過以錳Mn、混合稀土Re為主加元素，再添加非碳化物形成元素硅Si，提供了一類高強(qiáng)韌性的空冷貝氏體鋼；該鋼經(jīng)奧氏體化后直接空冷后可獲得很高的強(qiáng)韌性和淬透性，可應(yīng)用于軸類、齒輪、及各種零構(gòu)件代替現(xiàn)行調(diào)質(zhì)鋼；由于該鋼不經(jīng)淬火回火處理，因而零件的變形小、熱加工工藝簡單，材料和熱加工成本低，同時還具有優(yōu)異的力學(xué)性能。
本發(fā)明提供的鋼中各元素的作用是這樣的Mn是提高淬透性的主要元素，同時還有降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度提高強(qiáng)度的作用。可根據(jù)零構(gòu)件的尺寸對Mn量進(jìn)行調(diào)整。
Si在鋼中Si起到抑制碳化物從奧氏體中析出，避免貝氏體形成時析出碳化物，從而提高強(qiáng)韌性，Si也能增加淬透性和強(qiáng)化貝氏體鐵素體，使心部強(qiáng)度增加，Si元素降低碳的濃度梯度，在奧氏體狀態(tài)還有促進(jìn)碳擴(kuò)散作用。
Re加入少量的混合稀土合金Re與Si、Mn配合可顯著提高淬透性，在較大冷速范圍獲得過渡形態(tài)的貝氏體，并且可以起到細(xì)化奧氏體晶粒、大幅度提高鋼在空冷條件下的沖擊韌性，在冶煉過程中，進(jìn)行良好的脫氧、脫硫，同時控制好易于與Re結(jié)合的其它元素便能使較多的Re元素固溶到奧氏體中。
V、Cr、W、Nb這些元素與上述元素配合可進(jìn)一步細(xì)化晶粒，增加淬透性，并提高鋼的強(qiáng)韌性。
主要性能指標(biāo)空冷條件下的力學(xué)性能可在如下范圍調(diào)整HRC28～50，強(qiáng)度及塑性σb＝900～1600MPa，σ0.2＝600～1200MPaδ5＝10～25％，Ψk＝40～60％，沖擊韌性ak＝70～130J/cm2900℃空冷在小于Φ50mm直徑的軸類零件心部硬度可達(dá)HRC48
直徑Φ120mm時截面硬度可在HRC33～42調(diào)整900℃滲碳后空冷，表面硬度HRC58～63，心部硬度HRC33～44，與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的主要特點1、本發(fā)明的鋼制做的軸類零件經(jīng)鍛軋后空冷或重新加熱后空冷獲得的組織為束形態(tài)的非典型貝氏體或細(xì)小的島狀貝氏體組織，該組織在不回火的條件下可獲得很高的強(qiáng)韌性；2、該鋼制成的零件經(jīng)滲碳后空冷，表層組織為馬氏體+過渡形態(tài)的貝氏體和少量殘留奧氏體，心部主要是貝氏體，表層硬度梯度平緩，無塊狀和網(wǎng)狀碳化物，從而可獲得高的耐磨性和接觸疲勞性能，心部也具有很高的強(qiáng)韌性，在獲得高表面硬度(HRC58～63)的同時，還可減少變形、無淬火開裂等缺陷，使零件的的尺寸精度提高；3、本發(fā)明鋼的成分元素少、不含Mo、Ni等貴重元素，材料成本低廉，冶煉工藝簡單，同時在不回火的條件下具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性。
本發(fā)明鋼與現(xiàn)行調(diào)質(zhì)鋼性能比較如下本發(fā)明鋼(900℃空冷)、40Cr、30CrMnSi880℃淬火500℃回火鋼號 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ5(％) Ψk(％) ak(J/cm2)HRC40Cr 1100985 8.545 50 3530CrMnSi 12501050 11 52 65 37本發(fā)明鋼 1240980 13 57 110 37本發(fā)明鋼與現(xiàn)行滲碳鋼性能比較如下(20CrMnTi 900℃淬火200℃回火，本發(fā)明鋼900℃空冷)鋼號σb(MPa) σ0.2(MPa) δ5(％) Ψk(％) akJ/cm2)20CrMnTi1200-1350 850-1050 10-12 55-58 57-74本發(fā)明鋼1150-1450 820-1000 13-18 45-57 65-120滲碳4小時 HRC(表)HRC(心)滲層深度(mm)20CrMnTi(滲碳淬火后200℃回火) 58-6235-450.8～1.0本發(fā)明鋼(900℃滲碳空冷)58-6334-421.1～1.3上述性能對比表明，在相同的強(qiáng)度條件下，本發(fā)明鋼不經(jīng)回火處理的沖擊韌性顯著高于40Cr、30CrMnSi、20CrMnTi，滲碳性能優(yōu)異，在同條件下滲速高于20CrMnTi。
碳濃度分布滲碳溫度900℃ 4小時鋼號碳濃度(距表0.1mm)(距表面0.5m)(距表面0.9mm)20CrMnTi 1.0％ 0.62％ 0.39％本發(fā)明鋼 0.8％ 0.7％ 0.60％從碳濃度分布看本發(fā)明鋼的碳濃度分布平緩，表面碳濃度低于20CrMnTi，在相同條件下具有較大的滲層深度，滲層碳濃度分布合理，有利于提高表面耐磨性能。
本發(fā)明的實施例1C0.1、Mn2.0、Si0.5、Re0.01，其余為Fe。
本發(fā)明的實施例2C0.35、Mn3.0、Si1.8、Re0.2，其余為Fe。
本發(fā)明的實施例3C0.13、Mn2.7、Si1.2、Re0.08、其余為Fe。
本發(fā)明的實施例4C0.32、Mn2.1、Si1.3、Re0.03、其余為Fe。
本發(fā)明的實施例5C0.18、Mn2.3、Si1.0、Re0.07、V0.03、Cr0.1、W0.03、Nb0.01、其余為Fe、本發(fā)明的實施例6C0.2、Mn2.8、Si1.05、Re0.03、V0.1、Cr0.6、W0.3、Nb0.1、其余為Fe、本發(fā)明的實施例7C0.1、Mn3.0、Si0.5、Re0.2，W0.2、其余為Fe、本發(fā)明的實施例8C0.35、Mn2.0、Si1.8、Re0.01，Nb0.1、其余為Fe、本發(fā)明的實施例9C0.2、Mn2.5、Si1.0、Re0.01，V0.05、Cr0.3、其余為Fe、本發(fā)明的實施例10C0.3、Mn2.2、Si1.5、Re0.1，V0.07、Cr0.4、W0.2、其余為Fe、本發(fā)明的實施例11C0.35、Mn3.0、Si1、Re0.2，Cr0.6、W0.3、Nb0.1、其余為Fe、本發(fā)明的實施例12C0.1、Mn2.0、Si1.8、Re0.2，W0.3、Nb0.1、其余為Fe、本發(fā)明的實施例13C0.22、Mn2.5、Si1.3、Re0.03、V0.06、其余為Fe
本發(fā)明的實施例14、C0.24、Mn2.3、Si1.0、Re0.12、V0.05、其余為Fe本發(fā)明的實施例15C0.28、Mn2.3、Si1.7、Re0.05、V0.09、Cr0.4、其余為Fe對于實施例的制造工藝是對熔煉過程前期和中期進(jìn)行良好的脫氧和脫硫，然后按常規(guī)工藝及給定的比例、及原料加入合金元素，熔煉溫度1600～1650℃，澆鑄溫度1570℃～1620℃，鍛軋工藝始鍛溫度1100～1200℃，終鍛溫度＞850℃，鍛造比＞4，鍛造后緩冷或直接空冷；預(yù)備熱處理680～720℃加熱后，隨爐冷卻或空冷，硬度范圍HB220～290，HRC18～26，加工成形后進(jìn)行熱處理，正火熱處理工藝880～920℃加熱后空冷即可使用，滲碳熱處理工藝滲碳溫度900℃～930℃，碳勢控制在0.9％～1.1％C，滲碳后直接出爐空冷或降溫出爐空冷；對于需要切削加工的零件，可在鍛軋后進(jìn)行高溫回火，對于不需要切削加工的零構(gòu)件可在鍛造成形后直接使用。
權(quán)利要求
1.一種Mn-Re系高強(qiáng)韌性空冷貝氏體鋼，其特征在于以C、Mn、Re、Si為主加合金元素，化學(xué)成分(重量百分?jǐn)?shù))范圍為C0.1～0.35、Mn2.0～3.0、Si0.5～1.8、Re0.01～0.2，其余為Fe。
2.按照權(quán)利要求1所述的Mn-Re系高強(qiáng)韌性空冷貝氏體鋼，其特征在于鋼中還可以含有一種或一種以上的元素如下(重量百分?jǐn)?shù))V0.03～0.1、Cr0.1～0.6、W0.03～0.3、Nb0.01～0.1
3.按照權(quán)利要求1、2所述的Mn-Re系高強(qiáng)韌性空冷貝氏體鋼，其特征在于鋼中的Cu、P、S、Al為雜質(zhì)，按照重量百分比計算其中Cu＜0.2、P＜0.03、S＜0.012、Al＜0.1。
4.一種Mn-Re系高強(qiáng)韌性空冷貝氏體鋼的制造工藝，其特征在于對熔煉過程前期和中期進(jìn)行良好的脫氧和脫硫，然后按常規(guī)工藝及給定的比例加入合金元素，熔煉溫度1600～1650℃，澆鑄溫度1570℃～1620℃，鍛軋工藝始鍛溫度1100～1200℃，終鍛溫度＞850℃，鍛造比＞4，鍛造后緩冷或直接空冷。
5.按照權(quán)利要求4所述的這種Mn-Re系高強(qiáng)韌性空冷貝氏體鋼的制造工藝，其特征在于預(yù)備熱處理680～720℃加熱后，隨爐冷卻或空冷，硬度范圍HB220～290，HRC18～26，加工成形后進(jìn)行熱處理，正火熱處理工藝880～920℃加熱后空冷即可使用，滲碳熱處理工藝滲碳溫度900℃～930℃，碳勢控制在0.9％～1.1％C，滲碳后直接出爐空冷或降溫出爐空冷。
6.按照權(quán)利要求4、5所述的這種Mn-Re系高強(qiáng)韌性空冷貝氏體鋼的制造工藝，其特征在于對于需要切削加工的零件，可在鍛軋后進(jìn)行高溫回火，對于不需要切削加工的零構(gòu)件可在鍛造成形后直接使用。
全文摘要
本成果獲得一種汽車齒輪用新型微變形滲碳鋼及熱加工工藝。通過采用Mn－Si為主加元素再添加微量或少量其它元素，使該鋼經(jīng)滲碳后空冷表面即可獲得高的表面硬度HRC 58～63，心部硬度HRC 34～43。表層組織為馬氏體+過渡形態(tài)的貝氏體和部分殘留奧氏體，心部為貝氏體。表層硬度梯度平緩、無塊狀和網(wǎng)狀碳化物，從而獲得高的耐磨性和接觸疲勞性能，心部具有高的強(qiáng)韌性。由于滲碳后采用緩冷，不進(jìn)行淬火和回火處理，因而這種齒輪無淬火變形開裂、尺寸精度高、熱加工工藝簡單，加工成本低，同時還避免了淬火介質(zhì)帶來的環(huán)境污染。
文檔編號C22C38/04GK1478916SQ0317834
公開日2004年3月3日 申請日期2003年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月30日
發(fā)明者梁益龍, 雷旻, 陳倫軍, 張曉燕, 高宏 申請人:貴州工業(yè)大學(xué)