CN101693981B - 高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢的制备方法，其特征在于所述钢的化学成分按重量百分比为：C 0.7～0.9，Si 1.4～1.6，Mn1.2～1.4，Al 1.4～1.6，Cr 0.7～0.9，W 0.7～0.9，P＜0.02，S＜0.02，余量为Fe。按照上述化学成分熔炼，浇铸成钢锭，缓冷至室温；铸锭加热至1160～1180℃，开坯热轧成厚度小于25mm的板坯，其终轧温度为990～1010℃，轧后将板坯迅速放入220～260℃的盐浴中等温4～24h，然后空冷至室温，制得高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢，微观组织由60～90nm厚度的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成，其抗拉强度为2000～2300MPa，应变0.2％的条件屈服强度为1500～1900MPa，总延伸率为6.7～7.8％，均匀延伸率为3.8～5.6％，按ASTM E23-02标准测定的Charpy-U形缺口试样室温冲击功为7～22J。本发明制备方法工序简单，热轧后直接进行盐浴等温处理，热处理周期短，成本低，易于在生产中得到应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度钢的制备方法，特别是涉及一种高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢的制备方法。
背景技术
作为结构材料而大量使用的钢，其强度随着含碳量的增加而增高，但韧性和塑性降低。如何实现钢的强度和韧性或塑性的同步提高，已成为提高其使用性能和挖掘其使用潜能的重要课题。
传统低合金高碳钢一般用于制造刃具、量具和冷作模具，其强化的热处理工艺主要为淬火+低温回火，热处理后获得回火马氏体组织，具有高强度和高硬度，但其韧性和塑性较低。如果提高回火温度，虽可以提高韧性和塑性，但强度和硬度会大大降低。
Bhadeshia等人(美国专利：US6884306)公开了一种贝氏体钢-Si-Mn-Cr-Ni-Mo-V合金化的高碳钢，铸锭缓冷后进行高温长时间均匀化退火，然后经奥氏体化后在稍高于该钢马氏体转变温度进行长时间(1～3星期)的过冷奥氏体低温等温贝氏体转变，获得了由纳米级厚度的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的无碳化物贝氏体组织，具有超高强度和较高的断裂韧性，以及较好的压缩塑性。但因其是铸态组织进行的热处理，拉伸塑性很低，Charpy缺口试样冲击功低，只有5J。由于等温转变速度极为缓慢，用于工业生产的周期长、效率低。后来在此Si-Mn-Cr-Ni-Mo-V合金化的高碳钢中又通过单独添加Co或复合添加Co和Al，来加速等温贝氏体转变(ISIJ International，2003，Vol.43，p.1821)。这两个合金钢在200℃等温转变获得最高抗拉强度分别为2200MPa和2300MPa，相应的总延伸率分别为4.7％和7.6％，屈服强度均为1400MPa，等温温度提高到300℃时，两合金抗拉强度分别降低到1800MPa和1700MPa，屈服强度均降低到1300MPa，总延伸率增大到29％和27％，拉伸曲线无明显加工硬化和颈缩(ISIJInternational，2005，Vol.45，p.1736)，说明其过载安全性不好。上述合金钢中添加了Co、Ni、Mo、V元素，这无疑会使生产成本提高，而且铸锭未经过热变形，铸造缺陷就会保留下来，造成性能降低。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述技术和性能的不足之处，提供一种高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢的制备方法。在高碳钢中添加Mn、Cr、Si、Al、W进行合金化，铸锭热轧成板坯消除铸造缺陷，热轧板坯直接在盐浴中等温贝氏体转变，得到由纳米级厚度的板条状贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的纳米结构无碳化物贝氏体组织，从而保证在获得高强度的同时还获得高塑性和高韧性。
实现本发明的技术方案是：高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢的化学成分按重量百分比为含C 0.7～0.9，Si 1.4～1.6，Mn 1.2～1.4，Al 1.4～1.6，Cr 0.7～0.9，W 0.7～0.9，P＜0.02，S＜0.02，余量为Fe；按照上述化学成分熔炼，浇铸成钢锭，缓冷至室温；铸锭加热至1160～1180℃，开坯热轧成厚度小于25mm的板坯，其终轧温度为990～1010℃，轧后将板坯迅速放入220～260℃的盐浴(重量比为1∶1的亚硝酸钠和硝酸钾混合盐熔液)中等温4～24h，然后空冷至室温，制得高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢，其抗拉强度为2000～2370MPa，应变0.2％的条件屈服强度为1500～1950MPa，总延伸率为6.7～7.8％，均匀延伸率为3.8～5.6％，按ASTM E23-02标准测定的Charpy-U形缺口试样室温冲击功为7～22J，微观组织由厚度为60～90nm的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。
本发明的有益效果是：本发明所述方法制备的高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢具有由纳米级厚度的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的纳米结构无碳化物贝氏体组织，且其铸锭经热轧消除了铸造缺陷，故使材料在获得高强度的同时，还具有较高的拉伸塑性和冲击韧性。由于本发明所述方法制备的高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢不含价格昂贵的合金元素Co、Ni、Mo、V，热轧后直接进行盐浴等温处理，热处理周期短，制备方法简单，因此能较大幅度地降低成本，并易于在生产中得到应用。本发明所述方法制备的高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢的力学性能远高于该钢淬火+低温回火处理。该钢1000℃淬火+200℃回火处理得到的抗拉强度为1400MPa，延伸率几乎为0，按ASTM E23-02标准测定的Charpy-U形缺口试样室温冲击功为2.1J，这些力学性能指标远低于本发明所述方法制备的高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢相应的力学性能指标。
附图说明
图1是本发明实施例1一种高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢微观组织的透射电子显微镜照片；
图2是本发明实施例2一种高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢微观组织的透射电子显微镜照片；
图3是本发明实施例3一种高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢微观组织的透射电子显微镜照片；
图4是本发明一种高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢的拉伸应力-应变曲线，其中曲线a、b和c分别对应实施例1、实施例2和实施例3。
具体实施方式
实施例1
用25kg真空感应炉熔炼低合金高碳钢，浇铸成直径100mm的圆柱形钢锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为C 0.825，Si 1.56，Mn 1.37，Cr 0.81，W 0.87，Al 1.44，P 0.012，S 0.0053，其余Fe。将铸锭加热到1170℃，进行开坯轧制，3道次轧制成20mm厚的板坯，终轧温度1000℃，热轧板坯迅速放入220℃盐浴中等温24h，然后空冷至室温，制得高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢，用透射电子显微镜测得微观组织由平均厚度为60nm的板条状贝氏体铁素体和残余奥氏体组成，组织照片见图1，用电子拉伸机测得拉伸应力-应变曲线见图4中的曲线a，其抗拉强度为2370MPa，屈服强度为1950MPa，总延伸率为6.7％，均匀延伸率为4.5％，按ASTM E23-02标准测定的Charpy-U形缺口试样室温冲击功为7.5J。
实施例2
用25kg真空感应炉熔炼低合金高碳钢，浇铸成直径100mm的圆柱形钢锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为C 0.825，Si 1.56，Mn 1.37，Cr 0.81，W 0.87，Al 1.44，P 0.012，S 0.0053，其余Fe。将铸锭加热到1170℃，进行开坯轧制，3道次轧制成20mm厚的板坯，终轧温度1000℃，热轧板坯迅速放入240℃盐浴中等温12h，然后空冷至室温，制得高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢，用透射电子显微镜测得微观组织由平均厚度为80nm的板条状贝氏体铁素体和残余奥氏体组成，组织照片见图2，用电子拉伸机测得拉伸应力-应变曲线见图4中的曲线b，其抗拉强度为2130MPa，屈服强度为1820MPa，总延伸率为6.8％，均匀延伸率为3.8％，按ASTM E23-02标准测定的Charpy-U形缺口试样室温冲击功为22J。
实施例3
用25kg真空感应炉熔炼低合金高碳钢，浇铸成直径100mm的圆柱形铸锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为C 0.825，Si 1.56，Mn 1.37，Cr 0.81，W 0.87，Al 1.44，P 0.012，S 0.0053，其余Fe。将铸锭加热到1170℃，进行开坯轧制，3道次轧制成20mm厚的板坯，终轧温度1000℃，热轧板坯迅速放入260℃盐浴中等温4h，然后空冷至室温，制得高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢，用透射电子显微镜测得微观组织由平均厚度为90nm的板条状贝氏体铁素体和残余奥氏体组成，组织照片见图3，用电子拉伸机测得拉伸应力-应变曲线见图4中的曲线c，其抗拉强度为2080MPa，屈服强度为1530MPa，总延伸率为7.8％，均匀延伸率为5.6％，按ASTME23-02标准测定的Charpy-U形缺口试样室温冲击功为20J。
Claims (2)
1.一种高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢的制备方法，其特征是：所述方法的步骤如下：
(1)按化学成分重量百分比为：C 0.7～0.9，Si 1.4～1.6，Mn 1.2～1.4，Al 1.4～1.6，Cr 0.7～0.9，W 0.7～0.9，P＜0.02，S＜0.02，余量为Fe，进行熔炼，浇注成铸锭后缓冷至室温；
(2)铸锭加热至1160～1180℃，开坯热轧成厚度小于25mm的板坯，其终轧温度为990～1010℃，轧后将板坯迅速放入220～260℃的重量比为1∶1的亚硝酸钠和硝酸钾混合盐熔液中等温4～24h，然后空冷至室温。
2.按权利要求1所述的高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢的制备方法，其特征是：所述方法制备的高强度高韧性纳米结构低合金高碳钢，其抗拉强度为2000～2370MPa，应变为0.2％的条件屈服强度为1500～1950MPa，总延伸率为6.7～7.8％，均匀延伸率为3.8～5.6％，按ASTM E23-02标准测定的Charpy-U形缺口试样室温冲击功为7～22J，微观组织由60～90nm厚的板条贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。
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