阅读说明：本技术 一种奥贝体合金钢及其制备方法 (Austenite alloy steel and preparation method thereof ) 是由 关铁 于 2019-02-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种奥贝体合金钢及其制备方法,合金钢的成分按照质量百分比来计算,包括：C：0.26～0.35；Si：1.66～1.84；Mn：1.70～1.90；P：≤0.014；S：≤0.014；Cr：1.11～1.29；Mo：0.35～0.45；V：0.08～0.15；余量为Fe和不可避免的气体杂质元素；所述合金钢的成分中还包括Ti：≤0.30；Cu：≤0.30,其中对气体杂质元素进行严格控制：[O]≤10ppm,[H]≤1.0ppm,[N]≤70ppm。本发明的制备工艺包括物料准备、电炉或转炉熔炼、炉外精炼、连铸工艺以及热处理工艺。所述奥贝体合金钢的质量成分中,含C量超过合金钢常规含C量,依旧不出现马氏体,能够生成贝氏体,制备的合金钢具有高强度、良好的塑性和韧性以及一定的抗晶间腐蚀能力,延长了合金钢的使用寿命。(The invention relates to an austenite-bainite alloy steel and a preparation method thereof, wherein the alloy steel comprises the following components in percentage by mass: c: 0.26 to 0.35; si: 1.66 to 1.84; mn: 1.70-1.90; p: less than or equal to 0.014; s: less than or equal to 0.014; cr: 1.11 to 1.29; mo: 0.35 to 0.45; v: 0.08 to 0.15; the balance of Fe and inevitable gaseous impurity elements; the alloy steel also comprises the following components: less than or equal to 0.30; cu: not more than 0.30, wherein the gas impurity elements are strictly controlled: the content of [ O ] is less than or equal to 10ppm, the content of [ H ] is less than or equal to 1.0ppm, and the content of [ N ] is less than or equal to 70 ppm. The preparation process comprises material preparation, electric furnace or converter smelting, external refining, continuous casting process and heat treatment process. In the quality components of the austenite-bainite alloy steel, the content of C exceeds the conventional content of C in alloy steel, martensite still does not appear, bainite can be generated, the prepared alloy steel has high strength, good plasticity and toughness and certain intergranular corrosion resistance, and the service life of the alloy steel is prolonged.)

一种奥贝体合金钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料制备领域，尤其是涉及一种奥贝体合金钢及其制备方法。

背景技术

随着我国铁路事业向着重载、高速的方向发展，对铁路钢轨和零部件所用钢材的强度、韧性、冲击性能等提出了越来越高的要求。目前被大量使用的高锰钢越来越难以满足目前铁路发展的需要，特别是对于服役条件恶劣的铁路道岔零部件，正由组合式道岔向整体式道岔转变，这就要求所用的合金钢具有更高的强度、韧性和冲击性能。通常为了获得细小的组织，通常在冶炼过程中加入Nb,产生的化合物可有效阻碍合金钢基体在后续变形过程中再结晶晶界的运动。但是Nb元素本身属于贵重金属元素，价格较高，在实际生产中使用时成本加高。另外，合金钢在成形和服役过程中，要尽可能避免氧化物、氮化物、氢脆等现象的产生。

早在上世纪80年代，美国率先研制一种名为“Titan”的贝氏体钢轨，并成功应用于高铁上。该贝氏体钢轨具有良好的强韧性、耐磨性和使用寿命长等优 点，抗拉强度达到1400 MPa，同时伸长率能达到15%以上。相关测试结果显示，贝氏体钢轨比珠光体钢轨的使用寿命长几倍，各项机械性能指标更为优秀，这些优秀的指标完全满足重载铁路发展的需求。随着铁路运量的提高，抗拉强度980MPa级珠光体钢轨面临承受不住现有运输量的瓶颈，因此研发1200MPa级以上的高强度贝氏体钢轨成为重中之重。

专利CN 201510919742.9提供了一种合金体系及其贝氏体钢轨的热处理方法以及贝氏体钢轨，合金体系的成分以质量百分比计如下：C：0.22～0.27；Si：1.65～1.85；Mn：1.60～1.80；Cr：1.30～1.90；Mo：0.25～0.85；Ni：0.25～0.95；V：0.040～0.060 或 Nb：0.020～0.040、P：≤ 0.015、S：≤ 0.015；余量为 Fe 和不可避免的杂质元素；其中对杂质元素进行严格控制：（1）气体含量：钢水 [H] ≤ 2.0ppm，铸坯 [H] ≤ 1.5ppm，[O] ≤25ppm，[N] ≤ 70ppm；（2）残余元素：Al ≤ 0.006 wt.％，Cu ≤ 0.15 wt.％，Sn ≤ 0.010wt.％，Sb ≤ 0.010 wt.％。经过热处理后，既细化了奥氏体组织又消除了元素和微观组织的偏析和不均的现象，以保证冷却相变后获得细小的均匀的下贝氏体组织，从而获得高强度的贝氏体钢轨。但是钢轨的延伸率大于15%，显示韧性提升能力仍有限。而且钢轨使用时需要具有一定的抗蚀性（主要是抗晶间腐蚀的能力），以延长钢轨的使用寿命。

钛与氮、氧、碳等元素有极强的亲和力，因此可作为良好的脱氧剂和固定氮和碳的有效元素，钛与碳易形成结合力强、稳定、不易分解的碳化钛，其有阻止晶粒长大的作用。由于钛和碳之间的亲和力远大于铬和碳之间的亲和力，在不锈钢中常用钛固定其中的碳来消除铬在晶界处的贫化，从而消除或减轻了不锈钢晶间腐蚀的倾向。而且钛也是强铁氧体形成元素之一，显著提高了钢A1和A3温度。对于普通低合金钢，钛可以提高钢的塑性和韧性，其与碳形成碳化钛可抑位错的运动，从而提高了钢的强度。经热处理后晶粒细化，析出的碳化物还会使钢的塑性和冲击韧性得到显著改善。在高铬不锈钢中通常需加入约5倍碳含量的钛，不但能提高钢的抗蚀性和韧性，还能抑制钢在高温时晶粒长大的倾向和改善钢的焊接性能。

铜在钢中的突出作用是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能，特别是和磷配合使用时，加入铜还能提高钢的强度和屈服比，而对焊接性能没有不利的影响。含铜0.20 ~0.50wt.%的钢轨钢，其耐腐蚀寿命为一般碳素钢轨的2~5倍。含2~3 wt.%铜的奥氏体不锈钢可以有效抵抗硫酸、磷酸及盐酸等的腐蚀性，其在应力腐蚀条件下保持一定的稳定性。

发明内容

本发明提供了一种奥贝体合金钢，利用电炉/转炉炼钢、炉外精炼、真空吹氧脱碳等技术，加上适当的热处理工艺，获取了以奥氏体+贝氏体为主的奥贝体合金钢，该合金钢具有高强度、良好的塑性和韧性、高硬度、较好的抗晶间腐蚀等性能，获得的指标完全满足重载铁路的服役性能。

本发明的技术方案：

一种奥贝体合金钢，其组织包括奥氏体和贝氏体，其特征在于，合金钢的成分按照质量百分比来计算，包括：C：0.26～0.35；Si：1.66～1.84；Mn：1.70～1.90；P：≤0.014；S：≤0.014；Cr：1.11～1.29；Mo：0.35～0.45；V：0.08～0.15；余量为 Fe 和不可避免的气体杂质元素。

优选地，所述合金钢的成分中还包括Ti：≤0.30；Cu：≤0.30。

优选地，所述不可避免的气体杂质元素需要进行严格控制：[O] ≤ 10ppm，[H]≤1.0ppm，[N] ≤ 70ppm。

优选地，所述合金钢中Ti和Cu的含量按照质量百分比来计算，分别为0.1~0.2、0.1~0.25。

一种制备如上述的奥贝体合金钢的方法，制备方法包括以下几个步骤：

S1：物料准备，按照合金钢成分称取相应物料，并放入电炉或转炉中准备熔炼；

S2：电炉或转炉熔炼，开启电源，对炉内和物料进行烘炉，然后升温到1700~1750℃之间，保温4~6h，待物料全部熔化以后，挡渣出钢转移到钢包中，准备炉外精炼；

S3：炉外精炼，电炉或转炉熔炼过后，钢包经LF +VOD/RH精炼法脱氧、脱硫、脱磷、脱碳、脱气。

S4：连铸工艺，炉外精炼后，将钢水连续铸造成钢坯成型；

S5：热处理工艺，将铸造完成的钢坯锻造成合金钢试样，将温度调到930~960℃之间进行奥氏体化，保温1~2h，然后以1.6℃/s快冷至520℃，保温15~30 min，再缓慢冷却至马氏体相变温度，为320℃以上，保温15~30 min，最后空冷至室温获得含有残余奥氏体和下贝氏体组织的合金钢；

所述步骤S5还包括回火处理，回火加热温度为330±10℃，保温1~2h，然后空冷；冷却到室温下奥贝体合金钢制备完毕。

优选地，所述步骤S3炉外精炼在钢包中使用合成渣进行脱氧、脱硫、脱磷，合成渣为CaO-Al₂O₃渣系。

优选地，所述马氏体相变温度为340℃。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

（1）本发明的合金钢质量成分中含C量超过常规合金钢的含C量，在C：0.26～0.35依旧不出现马氏体，能够生成贝氏体，制备的合金钢具有高强度、良好的塑性和韧性以及一定的抗晶间腐蚀能力。

（2）通过本发明的合金钢制备工艺，获得了以奥氏体+贝氏体组织为主的合金钢，奥氏体为细晶组织，显示了良好的塑性和韧性，贝氏体为下贝氏体组织，拥有很高的强度。

（3）合金钢中添加的钛元素改善了合金钢的抗拉强度和室温、低温条件下的韧性，添加的铜元素改善了合金钢的抗晶间腐蚀能力，延长了合金钢的使用寿命。

（4）本发明的热处理工艺无需进行盐浴等温处理，便可以获得下贝氏体组织。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的奥贝体合金钢及其制备方法做详细的说明。

实施例1

一种奥贝体合金钢，所述合金钢包括奥氏体和贝氏体，所述合金钢的成分按照质量百分比来计算，包括：C：0.32；Si：1.84；Mn：1.70；P：0.014；S：0.014；Cr：1.11；Mo：0.35；V：0.15；Ti：0.10~0.20；Cu：0.10~0.25；余量为 Fe 和不可避免的气体杂质元素。

所述不可避免的气体杂质元素需要进行严格控制：[O] ≤ 10ppm，[H]≤ 1.0ppm，[N] ≤ 70ppm。

所述合金钢中Ti和Cu的含量按照质量百分比来计算，分别优选为0.2和0.25。

一种奥贝体合金钢的制备工艺，具体步骤如下所示：

（1）物料准备，按照实施例1中合金钢成分称取相应物料，物料总重量按照500Kg来计，称完后放入电炉或转炉中准备熔炼；

（2）电炉或转炉熔炼，开启电源，对炉内和物料进行烘炉，然后升温到1700~1750℃之间，保温4~6h，待物料全部熔化以后，挡渣出钢转移到钢包中，准备炉外精炼。

（3）炉外精炼，电炉或转炉熔炼过后，先利用LF法在钢包中加入合成渣除去氧、硫、磷等杂质元素，然后利用VOD法在真空条件下向钢液中吹氧并施加氩气搅拌，用于脱碳，最后采用RH法将钢水吸入真空室，并向钢水中通入氩气，进入真空室的钢水与氩气的混合体在高真空的作用之下释放出气体，与此同时，使钢水变成钢水珠，钢水珠内欲脱除的气体在高真空的作用下向真空中释放的过程中又使钢水珠变成更小的钢水珠，实现了良好的脱气效果。

（4）连铸工艺，炉外精炼后，将钢包中的钢水注入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去，使铸件成形并迅速凝固结晶，形成钢坯，调节结晶器参数使得铸坯不产生脱方、鼓肚和裂纹等缺陷。

（5）热处理工艺，将铸造完成的钢坯分别锻造成断面尺寸为25mm×25 mm及130mm×180mm的两种试样，将温度调到930~960℃之间进行奥氏体化，保温1~2h，然后以1.6℃/s快冷至520℃，保温15~30 min，再缓慢冷却至马氏体相变温度（320℃）以上的340℃，保温15~30 min，最后空冷至室温获得含有残余奥氏体和下贝氏体组织的合金钢。为了提高残余奥氏体的稳定性，增加合金钢强韧性，将经过上述热处理后的合金钢试样进行回火处理，回火加热温度为330±10℃，保温1~2h，然后空冷。冷却到室温下奥贝体合金钢制备完毕。

现有技术中获得下贝氏体的方法均要在马氏体转变温度以上进行盐浴等温处理，盐浴的缺点是耗能，处理时间长，本发明中的热处理工艺无需盐浴，先将钢坯加热到900℃以上进行奥氏体化，然后快冷至500℃以上，接下来缓慢冷却至

下贝氏体转变区，最后空冷至室温下，获得下贝氏体组织。

所述步骤（3）炉外精炼在钢包中使用合成渣进行脱氧、脱硫、脱磷，合成渣为CaO-Al₂O₃渣系。

实施例2

与实施例1的区别在于，一种奥贝体合金钢，所述合金钢的组织包括奥氏体和贝氏体，所述合金钢的成分按照质量百分比来计算，包括：C：0.30；Si：1.75；Mn：1.80；P：0.007；S：0.007；Cr：1.2；Mo：0.40；V：0.12；Ti：0.10~0.20；Cu：0.10~0.25；余量为 Fe 和不可避免的气体杂质元素。另外，所述合金钢中Ti和Cu的含量按照质量百分比来计算，分别优选为0.15和0.18。

合金钢各成分的作用如下：

C 的作用，C 是强间隙固溶强化元素，对钢的强度、硬度和韧性至关重要。随着碳含量的增加，钢的强度、硬度提高，韧性和焊接性降低。碳是稳定奥氏体的元素，因它在奥氏体中溶解度很大而在铁素体中溶解度很小。碳含量较低时，贝氏体钢的典型贝氏体组织明显减少，粒状贝氏体含量增加；随碳含量增加，组织中针状贝氏体的含量逐渐增多。

Si的作用，Si 能够抑制碳化物的析出，促进合金钢形成无碳化物贝氏体组织，同时当 Si 达到一定量时，能够提高残余奥氏体含量及其稳定性。Si 是非碳化物形成元素，当含量较少时形成非金属夹杂物，可抑制奥氏体晶粒粗化。当含量达到一定量时，可溶于固溶体，促进奥氏体晶粒粗化。

Mn 的作用，Mn 是弱碳化物形成元素，与 Mo 相比，Mn 能够显著提高贝氏体钢的淬透性，有利于贝氏体钢空冷自硬，并且 Mn 能够显著降低贝氏体转变开始温度 Bs。

Cr的作用，Cr可以增加钢的猝透性， Cr 能够使 C 曲线右移，推迟高温区转变作用较大而对中温区影响不大，可使过冷奥氏体转变的孕育期增长，转变速度减慢。Cr 能够增强钢的淬透性和回火稳定性，在低合金钢中Cr的含量一般小于2%，过高会增加钢的回火脆性。

Mo 的作用，Mo 有强烈的的溶质拖拽作用，能够显著推迟铁素体相变，抑制碳化物的析出。

V 的作用，V 通常作为微合金元素加入钢中，它属于强碳氮化物形成元素，与 C

、N、O等有极强的亲和力，能够形成稳定的碳化物和氮化物。在各种强氮化物形成元素中，V在钢中的固溶度最高，当温度低于 900℃时 V 的碳氮化物即全部溶解于奥氏体。弥散分布的 V 固溶物阻碍晶粒长大，起到沉淀强化的作用。V 可以提高贝氏体钢的淬透性，细化原奥氏体晶粒。V 微合金化能够提高钢的强度和硬度，改善钢的塑韧性，因此钢具有更好的耐磨性。

Ti 与 C、N、O、Si 等元素有很强的亲和力，能够生成碳、氮化物，起到析出强化的作用。当含 Ti 量达 0.08%以下时起细化晶粒的作用，0.08%以上则以析出强化的作用为主。

本发明提供的奥贝体合金钢的制备工艺，生产出的合金钢性能满足以下指标：抗拉强度＞1530MPa；延伸率＞16%；断面收缩率＞52%；常温冲击韧性（20℃）＞100J/cm²；低温冲击韧性（-40℃）＞60J/cm²；合金钢横截面硬度为45~50HRC；腐蚀沟槽宽度为﹤0.003667mm。

表1 合金钢成分组成（质量百分比，wt.%）

表1给出了实施例1、2与对比例1、2和3中合金钢成分对比表（质量百分比，wt.%）；表2给出了实施例1、2与对比例1、2和3的各种合金钢性能对比表。通过对比表1和表2发现，提高碳元素质量百分比、添加钛元素，能够显著提高了合金钢的强度及常温、低温下的韧性，抗晶间腐蚀的倾向也得到了一定程度的改善，即经过硫酸水溶液腐蚀10min后，腐蚀沟槽宽度变小。添加铜元素，也显著提高了这些性能，尤其是抗晶间腐蚀能力提高显著。同时添加钛和铜元素，这些性能又进一步提升，因此钛、铜两元素对合金钢的性能有显著作用。

表2 各种成分的合金钢性能对比表

采用本发明提供的技术方案，获得的合金钢具有高强度、良好的塑性和韧性以及一定的抗晶间腐蚀能力，延长了合金钢的使用寿命,完全满足重载铁路的发展需求。

具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。