21世紀(jì)以來貝氏體鋼的研究開發(fā)與應(yīng)用

21世紀(jì)以來貝氏體鋼的研究開發(fā)與應(yīng)用

daner排水和c.bain在20世紀(jì)30年代首次在鋼中發(fā)現(xiàn)。當(dāng)鋼被分解為橙色鐵時，它會被冷卻到低于珠光體溫度的馬體內(nèi)，并在轉(zhuǎn)化溫度以上形成新的轉(zhuǎn)化產(chǎn)品。后來將這種亞穩(wěn)組織命名為貝氏體。依其組織形態(tài)不同可分為上貝氏體、下貝氏體、粒狀貝氏體、塊狀貝氏體、柱狀貝氏體、無碳化物貝氏體等等。由于貝氏體相變及其組織的復(fù)雜性,近幾十年來許多人士對貝氏體進(jìn)行了廣泛的研究,所以貝氏體理論的應(yīng)用研究取得了很大的進(jìn)展,貝氏體鋼的開發(fā)應(yīng)用也引起了社會相關(guān)領(lǐng)域的高度重視。1貝氏體鋼分類1.1基于材料的組成按合金成分可分為Mo-B系或Mo系貝氏體鋼,Mn-B系貝氏體鋼,Si-Mn-Mo系準(zhǔn)貝氏體鋼。1.1.1mo-b鋼-珠光體復(fù)合材料20世紀(jì)50年代,英國P.B.Pickering等人發(fā)明了Mo-B系空冷貝氏體鋼,由于Mo對貝氏體轉(zhuǎn)變推遲作用低于珠光體轉(zhuǎn)變,且B可推遲鐵素體轉(zhuǎn)變,所以Mo和B的結(jié)合可使鋼在相當(dāng)寬的連續(xù)冷卻速度范圍內(nèi)獲得貝氏體組織。因此該貝氏體鋼系的開發(fā)引起了當(dāng)時人們的廣泛關(guān)注,但因Mo的原料價格偏高,同時又由于Mo-B鋼的貝氏體組織轉(zhuǎn)變溫度高,產(chǎn)品強(qiáng)度、韌性較差。要降低此溫度,必須將Mo-B鋼復(fù)合合金化,將進(jìn)一步提高成本,于是其推廣受到了一定程度上的限制。1.1.2mn-b系空冷貝氏體鋼的研制該鋼系的代表人物是清華大學(xué)方鴻生。他于20世紀(jì)70年代初在研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)Mn在一定含量時,使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線上存在明顯的上下C曲線分離,Mn與B的結(jié)合,使高溫轉(zhuǎn)變孕育期較中溫轉(zhuǎn)變增長,以此為理論依據(jù)成功地用普通元素即可進(jìn)行合金化,發(fā)明了Mn-B系空冷貝氏體鋼。適量的Mn在獲得空冷貝氏體鋼的同時,顯著降低貝氏體相變溫度,增加了強(qiáng)度和韌性。這是由于適量的Mn在中溫下的相界處富集時,對相界遷移起拖曳作用,與B共同作用獲得貝氏體,同時Mn顯著降低貝氏體相變驅(qū)動力,使貝氏體相變溫度降低,細(xì)化貝氏體尺寸。Mn-B系貝氏體鋼的研制彌補(bǔ)了Mo-B系貝氏體鋼的缺點,并開發(fā)出了碳含量不同的多系列Mn-B系貝氏體鋼。由于Mo的價格為Mn的30倍,因此Mn-B系空冷貝氏體鋼在推廣中較Mo-B系存在一定優(yōu)勢,近年來成為貝氏體鋼發(fā)展的主要方向。1.1.3準(zhǔn)貝氏體的成因西北工業(yè)大學(xué)的康沫狂、楊延清等人研制了Si-Mn-Mo系準(zhǔn)貝氏體鋼。他們在鋼中加入Si、Al等阻礙碳化物析出的合金元素,在空冷時得到貝氏體鐵素體和奧氏體組成的非典型或碳化物貝氏體,稱為準(zhǔn)貝氏體。鋼中合金元素的加入,推遲了CCT圖中鐵素體和珠光體的開始轉(zhuǎn)變線,而對貝氏體析出線影響不大。從而在較大的冷卻速度范圍內(nèi)獲得貝氏體組織,同時可以阻礙碳化物的析出。該鋼系是在貝氏體鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類新型鋼種,它既保持了貝氏體鋼優(yōu)異的熱處理和焊接工藝性,又改善了強(qiáng)韌性配合,并具有高的疲勞強(qiáng)度和耐磨性,其綜合性能超過了同強(qiáng)度級別的調(diào)質(zhì)鋼以及某些超高強(qiáng)度鋼。1.2其他類型的背景鋼1.2.1貝氏體增強(qiáng)對鐵素體織構(gòu)的作用低碳貝氏體鋼在成分上采用低碳,復(fù)合加入V、Mo、B、Mn、Cr等合金元素。Mo使鐵素體析出線明顯右移,和B復(fù)合作用,使過冷奧氏體向鐵素體的等溫轉(zhuǎn)變曲線進(jìn)一步推移,貝氏體開始轉(zhuǎn)變明顯突出。Cr、Mo和Mn元素擴(kuò)大了CCT曲線的貝氏體相變區(qū),提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性。Mn、Mo元素提高了淬透性,降低Ar3并延遲γ/α相變,促進(jìn)了針狀鐵素體抑制了多邊形鐵素體形成。于是得到良好的貝氏體組織,該鋼種具有良好的強(qiáng)韌性和焊接性。超低碳貝氏體鋼目前可分為兩類,一類是以美國、加拿大為代表的Cu-Nb-B系列;一類是以日本為代表的Mo-Nb-B系列。新型超低碳貝氏體鋼一般碳含量小于等于0.05%,鋼的強(qiáng)度不在依靠碳含量,而是通過位錯強(qiáng)化,微合金強(qiáng)化及ε-Cu沉淀強(qiáng)化來完成。因此具有高密度位錯亞機(jī)構(gòu)的均勻細(xì)小的貝氏體組織,和高強(qiáng)韌性超異焊接性特點。作為近20年來發(fā)展起來的新鋼系,它被國際上譽為21世紀(jì)環(huán)保綠色鋼種,廣泛應(yīng)用于油氣管線、工程機(jī)械、壓力容器、集裝箱、橋梁、艦艇等諸多領(lǐng)域。1.2.2等溫?zé)崽幚碡愂象w復(fù)相鋼可分為馬氏體-貝氏體復(fù)相鋼(簡稱M-B鋼)和奧氏體-貝氏體復(fù)相鋼(簡稱A-B鋼)。M-B鋼采用Mn、B等元素合金化,在空冷狀態(tài)下獲得M-B復(fù)相組織。硬度達(dá)50HRC以上,若經(jīng)中溫回火,其韌度高于等溫淬火得到的M-B鋼。由于成分簡單,成本低廉,且空冷自硬的特點,該鋼適用于制造自硬后不需加工的復(fù)雜零件;A-B鋼加入了Si、Mn、Cr等提高淬透性的合金元素,經(jīng)等溫淬火后,鋼中碳全部溶于鐵素體和奧氏體中,不析出碳化物,富碳奧氏體以薄膜狀均勻分布與含C、Si元素過飽和的貝氏體鐵素體板條之間。該鋼具有良好的韌度和強(qiáng)度配比。2貝氏體鋼的應(yīng)用2.1準(zhǔn)貝氏體鋼焊接產(chǎn)品工程機(jī)械中不少易磨損的部件都有準(zhǔn)貝氏體鋼的應(yīng)用。如采煤機(jī)截齒、礦用圓環(huán)鏈、重型釬桿、高強(qiáng)度抽油桿等等。目前國內(nèi)生產(chǎn)截齒鋼材多使用35CrMnNi、42CrMoA和55SiMnMo等。價格為5000元/t~6000元/t,進(jìn)口的Cr、Mn、Mo系列截齒用鋼材使用壽命雖高,但價格高出5~6倍,準(zhǔn)貝氏體鋼BZ-30價格和35CrMnNi相當(dāng),但壽命提高2~2.5倍,山西大同截齒機(jī)廠、湖北咸寧礦山機(jī)械廠經(jīng)使用后,反映效果良好;國外礦用圓環(huán)鏈都采用高強(qiáng)度低碳低合金鋼,如日本的23MnCrNiMo、美國的SAE820、英國的BZ2722等。目前我國高強(qiáng)度圓環(huán)鏈主要依賴進(jìn)口,現(xiàn)準(zhǔn)貝氏體鋼制造的BZ-15L礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈,部分規(guī)格指標(biāo)已達(dá)到C級國家標(biāo)準(zhǔn),目前已用于取代進(jìn)口圓環(huán)鏈,并得到推廣;液壓鑿巖機(jī)重型釬桿用鋼材國內(nèi)一直使用的是18CrNi3MoA釬鋼,價格為13000元/t,而湖北咸寧礦山機(jī)械廠制造的BZ-180準(zhǔn)貝氏體鋼釬桿用于三峽工程液壓鑿巖機(jī),其價格為6000元/t,性能指標(biāo)達(dá)到18CrNi3MoA釬鋼標(biāo)準(zhǔn);準(zhǔn)貝氏體鋼BZ-11制造H級抽油桿熱處理工藝簡單,力學(xué)性能達(dá)標(biāo),目前應(yīng)用良好。2.2非調(diào)質(zhì)鋼在汽車等含行業(yè)的應(yīng)用貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼是20世紀(jì)70年代首先由德國森特鋼鐵公司開發(fā)成功的,是在中低碳鋼中添加廉價經(jīng)濟(jì)性微合金元素。在國外為降低成本,在制造大型LNG和LPG貯罐和運輸船等都采用非調(diào)質(zhì)處理鋼。由于低碳貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼具有較高的綜合性能,尤其在低溫下具有較高的韌性,因而在機(jī)械、汽車等含行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的日本,非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用最為多見,日本新日鐵公司在貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼的研究中采用低溫軋制和Nb、V析出強(qiáng)化相結(jié)合,開發(fā)出強(qiáng)度高、韌性好、低溫性能良好的汽車部件。川琦鐵業(yè)公司開發(fā)出非調(diào)質(zhì)低碳貝氏體型厚鋼板;國內(nèi)1999年武漢鋼鐵公司開始開發(fā)板厚12mm-30mm,抗拉強(qiáng)度達(dá)590MPa和685MPa級別的低碳、超低碳貝氏體結(jié)構(gòu)板;近年來,唐山貝氏體鋼總廠開發(fā)研制出非調(diào)質(zhì)貝氏體汽車前橋鋼、非調(diào)質(zhì)貝氏體鋼、鐵素體珠光體非調(diào)質(zhì)鋼等多系列貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼品種;濟(jì)南鋼鐵公司開發(fā)出一種新型貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼,采用廉價的合金代替Ni、Mo等高價元素不經(jīng)過淬火回火等熱處理工藝,使鋼板熱成型后空冷自硬,目前應(yīng)用良好。2.3超低碳貝氏體鋼2004年,梅山公司自主研制的低碳貝氏體鋼MDB450獲得成功,實物性能水平已超過X60標(biāo)準(zhǔn)的要求,在生產(chǎn)成本較低的情況下,擴(kuò)大了鋼的使用范圍,經(jīng)濟(jì)效益前景可觀;日本新日鐵公司于20世紀(jì)60年代末研制成功超低碳貝氏體鋼,這種鋼可用于制造北極的APIX60-X80級高強(qiáng)度管線,該鋼具有良好的低溫韌性和可焊性;武鋼公司成功攻克了超低碳貝氏體鋼的生產(chǎn)工藝,采用先進(jìn)的TPCP生產(chǎn)工藝,研制成了WDB620、WH70、WH80系列超低碳貝氏體鋼,在國內(nèi)處于先進(jìn)水平。該鋼種具有優(yōu)良的韌性、良好的焊接性、理想的屈強(qiáng)比,板形易于控制加工,被廣泛用于水電站壓力水管道,礦井液壓支架及重型電動自卸車輛制造等方面;鞍鋼新軋鋼鐵公司厚板廠,成功開發(fā)出超低碳貝氏體鋼HQ590DB,HQ690DB鋼板,填補(bǔ)了國內(nèi)這一領(lǐng)域空白,現(xiàn)已批量生產(chǎn)。其他類型的