CN101624682A

CN101624682A - 一种超高强度高韧性钢及其制造方法

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Publication number: CN101624682A
Application number: CN200910063580A
Authority: CN
Inventors: 吴开明; 胡锋
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2009-08-11
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2029-08-11
Also published as: CN101624682B

Abstract

本发明涉及一种超高强度高韧性钢及其制造方法。其技术方案是：铸坯的化学成分及其含量是：C为0.30～0.70wt％，Si为1.20～1.80wt％，Mn为2.00～6.00wt％，Cr为1.00～5.00wt％，Mo为0.10～0.60wt％，V为0.06～0.12wt％，Al为0.05～1.20wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。经炼钢和精炼，模铸或连铸；再将铸坯在1150～1250℃均热2.0～3.0小时，热轧，自然冷却；然后将冷却后的钢板在850～1050℃条件下奥氏体化0.2～0.6小时；最后在200～500℃条件于氮气气氛中保温10.0～240.0小时，或在200～500℃、氮气气氛和8～12T的强磁场条件下保温1.0～4.0小时，随炉冷却至室温。本发明具有成本低廉和工艺简单的特点，所制备的钢板性能优良。

Description

一种超高强度高韧性钢及其制造方法

技术领域

本发明属于超高强度钢技术领域。尤其涉及一种超高强度高韧性钢及其制造方法。

背景技术

目前在开发超高强度高韧性钢方面，为了提高强度和硬度，通常利用贝氏体或马氏体作为主要的基体组织，同时利用各种细化手段和方法，期望得到高的韧性。国内外对此已经进行了很多有益的探索和开发，已经形成了多项的科研成果和专利。分析这类成果和专利所开发的超高强度高韧性钢及相关的制造方法可以发现，对钢材的强度、硬度、韧度和抗弹极限都有了极大的提高，但存在如下问题：

(1)公开的超高强度钢，在利用细化马氏体组织强化时，经适当温度回火后，这些钢的强度可达1500MPa以上，或接近甚至超过2000MPa，但这些钢的强度和韧性难以很好匹配，而且均含较高合金元素，冶炼加工工艺要求复杂，成本较高。如“马氏体时效钢”(CN85107993)、“高韧性马氏体时效钢”(CN1036044)、“马氏体时效钢及其制造方法”(CN1040626)、“少镍无钴马氏体时效钢”(CN1182141)、“一种无钴高强高韧马氏体时效钢加工方法”(CN1626686)、“马氏体时效钢制品及制备方法”(CN101258259)等专利技术。

(2)公开的超高强度钢，在利用细化贝氏体组织强化时，一般都为(超)低碳贝氏体钢，碳含量不高，主要合金元素Si、Mn、Cr、Mo含量少，贝氏体转变温度高，该技术中合金Al含量很少或没有，贝氏体转变时间很长，生产过程复杂、环节多、生产成本高；韧、塑性良好，但强度一般不超过1500MPa。如“低碳贝氏体钢及其制备方法”(CN101104906)、“一种超高强度超低碳贝氏体钢的制备方法”(CN1916195)、“高抗拉强度高韧性低屈强比贝氏体钢及其生产方法”(CN1786246)、“一种超低碳贝氏体钢及其生产方法”(CN1521285)、“一种高强度微合金低碳贝氏体钢及其生产方法”(CN101230444)、“高强高韧性贝氏体钢”(CN1036231)等专利技术。

(3)公开的超高强度钢，一般为低碳低合金钢，抗拉强度和屈服强度都不是特别高，韧性和塑性也不足；为了提高材料塑性和韧性的主要手段是加入高的Ni，通过促使位错的交滑移来提高材料的变形能力，增加了合金原料成本。如“低合金超高强度钢种”(CN1390972)、“一种低合金超高强度钢及其热处理工艺”(CN101078088)、“一种低合金高强度钢”(CN1920081)、“热轧低合金高强度钢板及其制备工艺”(CN1076223)、“一种可大线能量焊接的低合金高强度钢板及其制造方法”(CN101153370)等专利技术。

(4)公开的超高强度钢，为了提高钢的韧性，通常采取在钢中形成铁素体/马氏体、铁素体/贝氏体等的复相组织，具有较高的韧性，但强度不足。如“韧性和焊接性良好的双相钢板”(CN1143393)、“具有优异的低温韧性的超高强度双相钢”(CN1306582)、“一种铁素体贝氏体双相钢”(CN101033522)、“具有低屈服比、高韧性和优异可焊性的高强度双相钢”(CN101331019)“双相钢合金的应用”(CN1571861)等专利技术。

(5)公开的超高强度钢，为了提高钢的强度，通常采取在钢中形成铁素体/马氏体、贝氏体/残留奥氏体等的复相组织，具有较高的强度，但韧性不足。如“超细晶粒低碳低合金双相钢板及其制造方法”(CN1566389)、“生产冷轧铁素体/马氏体双相钢带的方法及由此得到的带材”(CN1748039)、“抗拉强度大于1000MPa的铁素体/马氏体双相钢及其制备方法”(CN101338397)、“一种抗拉强度1000MPa级冷轧双相钢板及制备方法”(CN101363099)、“2000MPa级超高强度高韧性钢板及其制造方法”(CN101376945)等专利技术。

由上述分析可以看出：上述现有的超高强度高韧性钢要么抗拉强度和屈服强度不足；要么韧性和塑性不足；要么合金原料成本偏高；而且热处理工艺复杂，均不属于集超高强度、高韧性等多种特性为一体的高性能钢铁材料。

发明内容

本发明旨在克服上述技术缺陷，目的是提供一种成本低廉、工艺简单、性能优良的超高强度高韧性钢及其制造方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：或将铁水、或将废钢、或将铁水和废钢经炼钢和精炼后，进行模铸或连铸，热轧与热处理。

铸坯的化学成分及其含量是：C为0.30～0.70wt％，Si为1.20～1.80wt％，Mn为2.00～6.00wt％，Cr为1.00～5.00wt％，Mo为0.10～0.60wt％，V为0.06～0.12wt％，Al为0.05～1.20wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

热轧与热处理的工艺是：先将铸坯在1150～1250℃条件下均热2.0～3.0小时，热轧，自然冷却；再将冷却后的钢板在850～1050℃条件下奥氏体化0.2～0.6小时；然后在200～500℃条件下于氮气气氛下保温10.0～240.0小时，随炉冷却至室温，或在200～500℃、氮气气氛和8～12T的强磁场条件下保温1.0小时～4.0小时，随炉冷却至室温。

由于采用上述技术方案，本发明是以价格低廉的Si、Mn、Cr元素为主，只有少量的Mo、Al等元素，故成本低廉；用轧制+正火+淬火的热轧与热处理的工艺，工艺简单。

本发明制造的超高强度高韧性钢的显微组织是纳米级的贝氏体铁素体板条为基体，弥散分布着残留奥氏体的超细组织。贝氏体铁素体为过饱和碳的固溶体，类似于马氏体组织，具有很高的强韧度和破断抗力；奥氏体为韧度相，分布在贝氏体铁素体板条上或板条之间，在受到外力作用下会发生塑性变形，吸收和消耗能量，延缓裂纹的扩展，对提高板材的韧度极其有利，应力作用较大时会发生相变诱发塑性效应(TRIP效应)，进一步提高了钢的强韧度。因碳的固溶强化、位错强化、贝氏体板条强化、诱发塑性强化等，超高强度高韧性的力学性能在轧制态就可以达到较高的强度级别。经过热处理和强磁场处理，稳态强磁场能够将高强度的能量无接触地传递到物质的原子尺度，改变原子的排列、匹配和迁移等，可以加速贝氏体的转变，对贝氏体的组织和性能产生影响。从而得到抗拉强度为1600～2200MPa、延伸率为19～27％和断口韧性为26～34MPam^1/2的超高强度高强度高韧性钢。

因此，本发明具有成本低廉和工艺简单的特点，所制备的钢板性能优良，广泛应用于火箭发动机外壳、飞机起落架和防弹钢板等性能有特殊要求的领域，还能应用到建筑、机械制造、车辆和其它军事装备上。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本发明保护范围的限制。

实施例1

一种超高强度高韧性钢及其制造方法。铸坯的化学成分及其含量是：C为0.50～0.70wt％，Si为1.50～1.80wt％，Mn为4.00～6.00wt％，Cr为1.00～3.00wt％，Mo为0.10～0.30wt％，V为0.06～0.09wt％，Al为0.05～0.60wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

将铁水经炼钢和精炼后，进行模铸，热轧与热处理。热轧与热处理的工艺是：先将铸坯在1200～1250℃条件下均热2.0～3.0小时，热轧，自然冷却；再将冷却后的钢板在850～950℃条件下奥氏体化0.4～0.6小时；然后在200～350℃条件下和氮气气氛中保温120.0～240.0小时，随炉冷却至室温。

本实施例所制造的超高强度高韧性钢：抗拉强度为2000～2200MPa；延伸率为23～26％；断口韧性为28～32MPam^1/2。

实施例2

一种超高强度高韧性钢及其制造方法。铸坯的化学成分及其含量是：C为0.50～0.70wt％，Si为1.50～1.80wt％，Mn为4.00～6.00wt％，Cr为1.00～3.00wt％，Mo为0.10～0.30wt％，V为0.06～0.09wt％，Al为0.60～1.20wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

将废钢经炼钢和精炼后，进行连铸，热轧与热处理。热轧与热处理的工艺是：先将铸坯在1200～1250℃条件下均热2.0～3.0小时，热轧，自然冷却；再将冷却后的钢板在850～950℃条件下奥氏体化0.4～0.6小时；然后在200～350℃、氮气气氛和10～12T的强磁场条件下保温2.0小时～4.0小时，随炉冷却至室温。

本实施例所制造的超高强度高韧性钢：抗拉强度为1900～2100MPa；延伸率为19～22％；断口韧性为26～30MPam^1/2。

实施例3

一种超高强度高韧性钢及其制造方法。铸坯的化学成分及其含量是：C为0.30～0.50wt％，Si为1.20～1.50wt％，Mn为2.00～4.00wt％，Cr为3.00～5.00wt％，Mo为0.30～0.60wt％，V为0.09～0.12wt％，Al为0.05～0.60wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

将铁水和废钢经炼钢和精炼后，进行连铸，热轧与热处理。热轧与热处理的工艺是：先将铸坯在1150～1200℃条件下均热2.0～3.0小时，热轧，自然冷却；再将冷却后的钢板在950～1050℃条件下奥氏体化0.2～0.4小时；然后在350～500℃条件下和氮气气氛中保温10.0～120.0小时，随炉冷却至室温。

本实施例所制造的超高强度高韧性钢：抗拉强度为1700～1900MPa；延伸率为24～27％；断口韧性为30～34MPam^1/2。

实施例4

一种超高强度高韧性钢及其制造方法。铸坯的化学成分及其含量是：C为0.30～0.50wt％，Si为1.20～1.50wt％，Mn为2.00～4.00wt％，Cr为3.00～5.00wt％，Mo为0.30～0.60wt％，V为0.09～0.12wt％，Al为0.60～1.20wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

将铁水经炼钢和精炼后，进行模铸，热轧与热处理。热轧与热处理的工艺是：先将铸坯在1150～1200℃条件下均热2.0～3.0小时，热轧，自然冷却；再将冷却后的钢板在950～1050℃条件下奥氏体化0.2～0.4小时；然后在350～500℃、氮气气氛和8～10T强磁场的条件下保温1.0小时～3.0小时，随炉冷却至室温。

本实施例所制造的超高强度高韧性钢：抗拉强度为1600～1800MPa；延伸率为21～24％；断口韧性为28～32MPam^1/2。

本具体实施方式发明是以价格低廉的Si、Mn、Cr元素为主，只有少量的Mo、Al等元素，故成本低廉；用轧制+正火+淬火的热轧与热处理的工艺，工艺简单。

本具体实施方式制造的超高强度高韧性钢的显微组织是纳米级的贝氏体铁素体板条为基体，弥散分布着残留奥氏体的超细组织。贝氏体铁素体为过饱和碳的固溶体，类似于马氏体组织，具有很高的强韧度和破断抗力；奥氏体为韧度相，分布在贝氏体铁素体板条上或板条之间，在受到外力作用下会发生塑性变形，吸收和消耗能量，延缓裂纹的扩展，对提高板材的韧度极其有利，应力作用较大时会发生相变诱发塑性效应(TRIP效应)，进一步提高了钢的强韧度。因碳的固溶强化、位错强化、贝氏体板条强化、诱发塑性强化等，贝氏体钢的力学性能在轧制态就可以达到较高的强度级别。经过热处理和强磁场处理，得到抗拉强度为1600～2200MPa、延伸率为19～27％和断口韧性为26～34MPam^1/2的超高强度高韧性钢。

因此，本具体实施方式具有成本低廉和工艺简单的特点，所制备的钢板性能优良，广泛应用于火箭发动机外壳、飞机起落架和防弹钢板等性能有特殊要求的领域，还能应用到建筑、机械制造、车辆和其它军事装备上。

Claims

1、一种超高强度高韧性钢的制造方法，其特征在于或将铁水、或将废钢、或将铁水和废钢经炼钢和精炼后，进行模铸或连铸，热轧与热处理；

2、根据权利要求1所述的超高强度高韧性钢的制造方法，其特征在于所述的热轧与热处理的工艺是：先将铸坯在1150～1250℃条件下均热2.0～3.0小时，热轧，自然冷却；再将冷却后的钢板在850～1050℃条件下奥氏体化0.2～0.6小时；然后在200～500℃条件下于氮气气氛中保温10.0～240.0小时，随炉冷却至室温，或在200～500℃、氮气气氛和8～12T的强磁场条件下保温1.0小时～4.0小时，随炉冷却至室温。

3、根据权利要求1～3项中任一项所述超高强度高韧性钢的制造方法所制造的超高强度高韧性钢。