CN101586216B - 一种超高强韧贝氏体钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种抗拉强度1800MPa，屈服强度1400MPa，延伸率20％以上的超高强韧贝氏体钢及其制造方法，其成分范围按质量百分比如下：C：0.4～1.5％、Si：0.8～2.0％、Mn：1.5～2.0％、Cr：0.5～1.2％、Ni：0.1～0.4％、Mo：0.05～0.2％、Al：0.05～2.0％、N：0.008～0.020％、Ti：0.01～0.2％、Nb：0.01～0.2％、S：≤0.01％、P≤0.01％.其余为铁元素与不可避免的杂质。此钢材适合用于耐磨、防护领域，特别适用于防护装甲耐磨、工程机械、精密轴承、精密齿轮以及高速钢轨用材料。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种抗拉强度1800MPa，屈服强度1400MPa，延伸率20％以上的超高强韧贝氏体钢及其制造方法，此钢材适合用于耐磨、防护领域，特别适用于防护装甲耐磨、工程机械、精密轴承、精密齿轮以及高速钢轨用材料。
背景技术
钢铁是社会发展的基础材料，需求量大，随着各项技术的发展对对高强韧钢铁材料的需求越来越多。同时随着能源危机、原料危机、环境保护的日益紧迫，提高钢的强度，减少钢材的产量，实现减量化生产，已经可不容缓。比如汽车工业的发展要求廉价的高强度高成型性钢以满足用较薄的钢板制造更轻的形状复杂的汽车结构件；高速列车的发展要求更高强度的螺栓、高强度且耐磨的钢轨和轮毂等以满足列车可高速运行足够长的寿命；硬质防弹衣、运钞车、警用装甲车的发展要求强度更高且具有一定韧性的钢板作为防弹材料用于防弹衣、钢盔和装甲。所以，超高强度钢应用前景广阔。目前的高强韧钢存在许多缺点。马氏体因为过饱和的碳可以得到很高的硬度使得我们可以获得很高强度的马氏体钢，但是马氏体钢的致命缺陷是缺乏韧性。回火后的马氏体钢可以获得一定的韧性但是其强度会下降。依靠金属间化合物强化的马氏体时效钢可以在极高强度的情况下获得充足的韧性，但其价格因为18-25wt.％左右的镍的加入使其价格为普通钢材的20倍左右。目前的2000MPa级马氏体高强度钢如4340钢(含0.4C-0.7Mn-1.8Ni-0.8Cr-0.25Mo)经200℃以下回火，虽能得到约2000MPa的高强度，但延伸率较低(＜10％)，经200℃回火时的强度低于2000Mpa，而且，合金含量高；马氏体时效钢，含很低量碳和较高合金元素，如18Ni、8Co，以马氏体内析出金属间化合物加以强化；以及二次硬化超高强度钢，系析出共格弥散碳化物为强化手段，加入较多量的Co以利碳的扩散，显著的固溶强化和延迟回火时奥氏体的回复。在保证较高韧性条件下，强度可达2000MPa。由此开发出近代的新型超高强度钢AF1410(0.16C-10Ni-2Cr-1Mo-14Co)，AF1410+Cr钢(0.16C-10Ni-3Cr-1.2Mo-14Co)和AerMet钢(0.24C-11Ni-3Cr-1.2Mo-13.4Co)经适当温度回火，抗拉强度高达2000MPa或以上，韧性接近或超过40J。这两类钢都是在马氏体强化的基础上，引入沉淀强化，其析出物很细小，有助保证较好的韧性，但由于含大量合金元素，冶炼、加工要求复杂，致成本较高，不宜广泛应用。中国期刊《兵器材料科学与工程》Vol.29 No.2 Mar.，2006《2200MPa级超高强度低合金钢的组织和力学性能》一文公开了一种在4340钢的基础上，提高碳含量至0.5％(质量)左右，推出含Si为0.37％及1.75％两种钢，分别经200及270℃回火得强度分别为2205MPa和2235MPa，K1c分别为61.5MPa·ml/2和52.3MPa·ml/2。这类钢的强韧性俱佳，但问题是含碳量大于0.5％，易形成渗碳体，呈现淬火脆性(晶间断裂)以及高温回火后的回火脆性，且合金含量高。中国专利200510023888.1发明了一种1000Mpa级高强度热轧钢板，其成分是(重量百分比)：C 0.17～0.21％、Si 1.5～2.2％、Mn 1.5～2.0％、P≤0.035％、S≤0.010％、Al 0.015～0.060％、N≤0.0060％、Nb 0.010～0.050％、可加入Ti0.010～0.060％、Ca≤0.0050％，其余是Fe和不可避免的杂质。制造方法包括如下步骤：a.按上述成分冶炼、浇铸、形成板坯；b.加热，将板坯加热至1100～1250℃；c.热轧，在奥氏体区进行轧制，轧制变形量大于80％，终轧温度800～900℃；d.冷却，终轧后的钢板以50℃/s以上的冷却速度冷到650～780℃，空冷6～15秒钟；e.再冷却，以50℃/s以上的冷速冷却到350～450℃的温度范围内；f.卷取，卷取后空冷至室温。属于TRIP钢的一种，利用残余奥氏体的变形在弹击过程中吸收能量以提高性能。但是，其强度和塑性均远低于应用本发明制备的高强度贝氏体钢。
发明内容
本发明针对以上高强韧钢存在的缺点，通过分析计算与实验研究得出了一种能够工业化生产的1800Mpa，屈服强度1400MPa，延伸率20％以上级高强韧贝氏体钢及其制备工艺。该发明克服了上述公开的文献存在的合金含量高、延伸率低、生产工艺复杂等缺点，利用析出粒子代替合金元素提高钢的强度，降低合金用量，通过调整成分控制残余奥氏体含量，通过热处理控制贝氏体结构，提高材料的强度与塑性，通过采用微合金细化晶粒，根据贝氏体相变特点，设计了工艺相对简单的制备方法。
本发明一方面提供了一种能够工业化生产的1800MPa级贝氏体高强韧钢，其特征在于，抗拉强度1800MPa，屈服强度1400MPa，延伸率20％以上，其成分范围按质量百分比如下：C：0.4～1.5％、Si：0.8～2.0％、Mn：1.5～2.0％、Cr：0.5～1.2％、Ni：0.1～0.4％、Mo：0.05～0.2％、Al：0.05～2.0％、N：0.008～0.020％、Ti：0.01～0.2％、Nb：0.01～0.2％、S：≤0.01％、P≤0.01％.其余为铁元素与不可避免的杂质。
优选的，1800MPa级贝氏体高强韧钢，其特征在于成分范围如下，质量百分比：C：0.8～1.2％、Si：0.8～1.2％、Mn：1.8～2.0％、Cr0.8～1.2％：、Ni：0.2～0.4％、Mo：0.15～0.18％、Al：0.5～0.9％、N：0.008～0.010％、Ti：0.01～0.04％、Nb：0.01～0.05％％、S：≤0.01％、P≤0.01％，其余为铁元素与不可避免的杂质。
进一步来说，本发明以价格比较便宜的碳、硅、锰、铝及微合金部分代替价格比较贵的镍、钼、钴等稀有金属，来达到提高钢的强度与韧性，以工业生产能够实现的空冷或水冷、低温回火工艺代替复杂的热处理工艺，降低生产成本。
优选的，所述的1800MPa级贝氏体高强韧钢，抗拉强度1800～2000MPa，屈服强度1400～1800MPa，延伸率20％～40％。
本发明另一方面提供了一种所述的1800MPa级贝氏体高强韧钢的制备方法，包含以下步骤：
1)冶炼、铸造。
2)锻造或轧制成型，初始成型温度为1100℃～1200℃，终成型温度850℃～1000℃。
3)用水冷或空冷至室温。
4)回火，温度150℃～350℃，保温时间0.5～10h。
优选的，步骤1)之后进行电渣连铸重熔，渣系为CaF2∶Al2O3＝70％∶30％，渣量保持30～80Kg，熔速：10～15Kg/min，空冷。对于普通用途的产品本步骤可以省略。
有益效果
本发明制造的是一种具有抗拉强度1800MPa以上，屈服强度1400MPa以上，延伸率20％以上贝氏体高强韧钢，应用了细晶强化、析出强化、沉淀强化等方法，结合参与奥氏体控制，提高了高强度钢的塑性，本发明的有益效果是充分考虑了廉价微量元素的作用，又考虑并降低了稀有合金元素的用量，降低了生产成本，利用工业化能够容易实现的空冷或水冷、回火工艺简化了材料的制造工艺。
具体实施方式
下面应用实例对本发明作进一步阐述与说明。以下实例仅仅对发明作进一步说明，不对发明作任何限制，在本说明书的启示下对本发明实施中所作的变动都在本发明的保护范围内。以下实施例中，抗拉强度、屈服强度、延伸率均按照GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法，加工成标准拉伸试样进行测定。
实施例1
特征成分如下，质量百分比：C：0.4％、Si：1.8％、Mn：2.0％、Cr：1.1％、Ni：0.4％、Mo：0.2％、Al：1.8％、N：0.020％、Ti：0.16％、Nb：0.2％、S：0.01％、P：0.02％.其余为铁元素与不可避免的杂质。真空冶炼、铸造。电渣连铸重熔，渣系：CaF2∶Al2O3＝70％∶30％，渣量保持50Kg，熔速：15Kg/min，空冷。轧制成型，厚度3.5mm，初始成型温度为1200℃，终成型温度850℃。空冷至室温。回火，温度280℃，保温时间8h。得到了屈服强度1560MPa，抗拉强度1800MPa，延伸率31％的钢材。
实施例2
特征成分如下，质量百分比：C：1.4％、Si：0.8％、Mn：1.5％、Cr：0.8％、Ni：0.3％、Mo：0.2％、Al：0.5％、N：0.009％、Ti：0.16％、Nb：0.15％、S：0.015％、P：0.025％.其余为铁元素与不可避免的杂质。真空冶炼、铸造。电渣连铸重熔，渣系：CaF2∶Al2O3＝70％∶30％，渣量保持60Kg，熔速：10Kg/min，空冷。轧制成型，厚度3.0mm，初始成型温度为1200℃，终成型温度850℃。空冷至室温。回火，温度300℃，保温时间3h。得到了屈服强度1620MPa，抗拉强度1950MPa，延伸率21％的钢材。
Claims (4)
1.一种1800MPa级贝氏体高强韧钢，其特征在于，其成分范围按质量百分比如下：C：0.4～1.5％、Si：0.8～2.0％、Mn：1.5～2.0％、Cr：0.5～1.2％、Ni：0.1～0.4％、Mo：0.05～0.2％、Al：0.05～2.0％、N：0.008～0.020％、Ti：0.01～0.2％、Nb：0.01～0.2％、S：≤0.01％、P≤0.01％，其余为铁元素与不可避免的杂质；所述的1800MPa级贝氏体高强韧钢，抗拉强度1800～2000MPa，屈服强度1400～1800MPa，延伸率20％～40％。
2.如权利要求1所述的1800MPa级贝氏体高强韧钢，其特征在于成分范围如下，质量百分比：C：0.8～1.2％、Si：0.8～1.2％、Mn：1.8～2.0％、Cr0.8～1.2％：、Ni：0.2～0.4％、Mo：0.15～0.18％、Al：0.5～0.9％、N：0.008～0.010％、Ti：0.01～0.04％、Nb：0.01～0.05％％、S：≤0.01％、P≤0.01％，其余为铁元素与不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的1800MPa级贝氏体高强韧钢的制备方法，包含以下步骤：
1)冶炼、铸造；
2)锻造或轧制成型，初始成型温度为1100℃～1200℃，终成型温度850℃～1000℃；
3)用水冷或空冷至室温；
4)回火，温度150℃～350℃，保温时间0.5～10h。
4.如权利要求3所述的1800MPa级贝氏体高强韧钢的制备方法，其特征在于，步骤1)之后进行电渣连铸重熔，渣系为CaF2∶Al2O3＝70％∶30％，渣量保持30～80Kg，熔速：10～15Kg/min，空冷。
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