[发明专利]一种复合微合金中高碳钢

说明书

技术领域

本发明涉及中高碳钢材料，特别是一种含Nb中高碳钢成分设计及其生产方法。 

背景技术

传统的热处理中高碳钢在生产中存在一些问题，主要包括：踏面及轮缘晶粒粗大且不均匀，易产生贝氏体和马氏体硬相组织，铁素体含量过少，珠光体晶粒尺寸分布不均等。最终导致工业生产中其性能难于达到标准要求。

在钢中单一添加Nb或V或Ti元素能与[C]、[N]结合生成碳化物、氮化物和碳氮化物，这些化合物在高温下溶解，在低温下析出起到抑制晶粒长大以及沉淀强化作用。其组织是铁素体——珠光体，在冷却状态下的屈服强度远远超过500MPa。直接的前期处理和高强度的结合，其结果是碳当量降低，而钢的强度和韧性却大大提高，并具有显著的成本优势，使得这类钢成为成本昂贵的淬火/回火钢的替代产品，而变得引人注日，在包括汽车部件在内的许多场合下获得了应用。传统意义上的微合金化技术己经用于轧制板材产品的组织控制, Nb是这些产品中的首优元素，Nb作为微合金元素加入钢中，主要还是起到析出强化和细晶强化作用，在900～1000摄氏度以NbC或者Nb（NC）的形式析出，由于其析出温度较高，因此可以阻止奥氏体晶体的长大，从而细化晶粒。析出强化是升高屈强比最弱的强化方式之一，细晶强化是唯一脆化矢量为负值的强化方式。因此Nb元素是很好的强化元素，但它的弱点也很明显，由于Nb固溶在铁素体中能强烈提高钢的淬透性，因此在大规格的低碳钢材中应用较少，因为容易出现异常组织（B、M），比如在钢筋中，大直径的钢筋一般偏向于用V合金化，Nb合金化的工艺范围很窄，在工业生产中不易实现。而且，尽管调质状态的微合金化钢在强度方面有竞争力，然而，与淬火/回火钢相比，回火到同一硬度时，其韧性偏低。

除上述单一添加微合金化元素的介绍外，向中高碳钢复合添加微合金化元素还未见研究报道。

发明内容

本发明通过大量实验，提供了复合添加Nb和V微合金元素的中高碳钢的成分设计，并结合适当的热处理工艺，实现组织尺寸细小且分布均匀，并具有较高强度和韧性的产品。

本发明采用了以下技术方案：一种中高碳钢，其组分百分比为： 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%，余量为Fe。 

本发明的具体制造工艺包括以下几个步骤： 

1）按照铸件成品的组分重量比配置原料：

2）选取在0.75 t中频无芯感应电炉中熔炼，加热到1100~1180℃并保温1小时后，锻造成型；

3）将步骤2)得到钢坯在850-900℃正火保温1小时后，进行空冷或喷水冷却至室温，保证冷却速度控制在6-12℃/s的范围内，确保室温组织为铁素体和珠光体。

本发明中各合金元素的作用如下： 

C：保证钢的淬透性，提高钢的强度、硬度以及耐磨性，要求合金钢的组织中主要组成为珠光体，C最佳的含量设计在0.51~0.54%的范围，此时，珠光体软硬相的配比最优，性能最好。

Mn：提高钢的强度和韧性，Mn具有较强的固溶强化效果，可降低钢的相变温度，缓解奥氏体向珠光体的转变速度，提高钢的淬透性，并能够细化晶粒，提高强度和韧性。但提高Mn含量将提高珠光体的体积分数，降低钢的韧性，为保障较好的强韧性配比，设计Mn成分范围为0.65-0.69%。 

Si：在钢中固溶度较大，能够显著强化铁素体，其固溶强化效果高于Mn，Si的增加可提高钢中铁素体的体积分数，并使晶粒变细，有利于提高钢的韧性，设计Si成分范围为0.40-0.58%。 

Nb和V： Nb与V均是微合金化元素，复合添加微合金化元素V-Nb，由于有复合作用能控制奥氏体晶粒尺寸和析出强化的能力。本发明通过大量实验，选择了相应的Nb和V的组分配比，使得添加的Nb和V有助于晶粒尺寸控制以及提高强度，Nb,V(C,N)相的最终溶解可以在冷却过程中产生V和Nb的共同析出强化效果。与普碳钢或者含V 的钢相比，添加上述配比的V＋Nb 的钢保持了非常细小的奥氏体晶粒尺寸。得到的微合金化钢中的铁素体内有弥散分布的微合金化析出物，其形貌特征是奥氏体的相间分解产物，V+Nb 钢中有细小的相间弥散分布相。

关于奥氏体化温度，经实验，冷却后的合金钢的硬度很大程度上受奥氏体化温度影响，当奥氏体化温度为1100~1180℃时，硬度随时间的变化只有微小的波动。V+Nb 钢在长时间保温冷却后，其硬度的变化表明：硬度依赖于温度的趋势减小。