CN103451549A - 一种2100MPa纳米贝氏体钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种2100MPa纳米贝氏体钢及其制备方法，属于金属材料领域。本发明通过真空感应炉冶炼出符合设定成分控制范围的钢水并浇铸成铸坯。铸坯经过锻造和热轧后，再经高温等温、盐浴冷却和低温盐浴等温，利用低温长时间等温盐浴，使贝氏体转变充分进行，获得细小的纳米尺寸贝氏体铁素体。制备出的这种纳米贝氏体超高强钢，最终性能满足抗拉强度在1600-2100MPa，延伸率在6%-12%（A25标距）。本发明生产工艺简单，操作可行，可实现2100MPa纳米贝氏体钢用于装甲车、坦克中的装甲板以及需要满足超高强度的大型器件的生产。

Description

一种2100MPa纳米贝氏体钢及其制备方法

技术领域

本技术属于金属材料领域，涉及到一种2100MPa纳米贝氏体钢及其制备方法，其主要涉及到制备一种超高强度，具有纳米尺寸贝氏体铁素体板条和薄膜状残余奥氏体组成的双相组织的贝氏体钢，在高碳钢中添加Si元素能够抑制脆性的渗碳体的析出，得到无碳化物的贝氏体组织，从而改善韧性，添加Co和Al元素能够加速贝氏体低温转变速率，从而获得较高体积分数的纳米尺寸贝氏体铁素体板条和一定的残余奥氏体，使最终的纳米贝氏体钢具有超高的强度和一定的延展性。

背景技术

2003年，Caballero和Bhadeshia等发现，将含碳量在0.75～0.98%的Fe-Si-Mn-Cr-Mo-V钢及其添加Co或Co+Al的高硅高碳低合金钢在T=0.25Tm(Tm为熔点)的低温条件下进行长达数天的等温热处理后，可获得极为细小的纳米级贝氏体组织，其由厚度仅为20～40nm的极薄贝氏体钢中铁素体板条及其板条间富碳的残余奥氏体薄膜组成。这种组织的贝氏体被称为低温贝氏体(Low Temperature Bainite)，超级贝氏体钢（Super Bainite）或纳米贝氏体(NANOBAIN)。

2008年1月14日，英国国防科技试验室（DSTL）与剑桥大学和奎奈蒂克公司联合研发独特超硬度钢装甲，以挽救更多英国装甲部队士兵的生命。该装甲采用纳米贝氏体钢，表面具有排列有序的小孔，已在国防部实弹射击场完成测试，测试结果较好。在英国国防部成功完成纳米贝氏体钢工业生产测试之后，由DSTL与康力斯钢铁集团（Corus）公司和Bodycote热处理公司联合开发一种国产特种高硬度钢装甲。在降低成本的条件下，纳米贝氏体钢装甲能够与其他国家最好钢装甲的弹道防护性能相媲美。

纳米贝氏体的力学性能与马氏体时效钢接近，但其成本只是马氏时效钢的1/90，而且只要通过常规加工方法而不需要快速冷却或机械加工就可以进行大块批量加工，有望成为物美价廉的新型高强度钢，开发潜能巨大，极具应用前景，特别是在国防领域，英国已率先将纳米贝氏体钢应用于装甲列车、大型器件上。纳米贝氏体钢是发展超高强钢、超细晶钢、纳米结构钢铁材料和大件钢的有效途径。

发明内容

本发明的目的在于利用高温均热和低温长时间等温盐浴相结合的热处理方法，生产一种具有超高强度并具有一定延展性的纳米贝氏体钢。

一种2100MPa纳米贝氏体钢，其特征在于化学质量百分比如下：

C%：0.5～1.0，Si%：1.0～3.0，Mn%：1.0～3.0，Mo%：0.1～0.4，Cr%：1.0～3.0，Co%：1.0～3.0%，Al：1.0～3.0%，P%：≤0.01，S%：≤0.01，N%：≤0.01；其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明采用高温均热、高温终轧和低温卷取的制备方法，其包括如下步骤：

1）按上述成分冶炼、铸造和锻压成钢坯；

2）钢坯经1250～1300℃加热，保温1～2小时均热后，在A_r3以上高温区终轧，终轧温度在880℃～950℃，然后空冷至室温；

3）将步骤2）得到的热轧后的钢坯加工成所需产品的板形，然后将之加热到1250～1300℃，保温15～30min均热后，放入盐浴炉中盐浴冷却，盐浴炉温度恒定在200～300℃，并在此温度等温盐浴10～100h，之后空冷，得到最终的产品。

利用低温长时间等温盐浴，使贝氏体转变充分进行，获得细小的纳米尺寸贝氏体铁素体，是本发明使这种双相组织具有超高强度的主要特征。

各元素的含量要求和作用：

C：C的增加主要使CCT曲线明显右移，降低Ms点的同时，扩大Ms与Bs的温度区间，使得在低温等温贝氏体转变时，马氏体不易生成，从而能够获得更加细小的贝氏体铁素体板条。C含量过低，会使Ms点升高，不利于低温保温获得纳米尺寸的贝氏体铁素体板条；C的含量不能过高，过高则会有珠光体生成以及碳化物的粗化，会使成型性变差。

Si：Si抑制脆性的渗碳体的析出，因而导致韧性的改善；当Si含量过高时，会加速碳化物的析出，使碳化物粗化，使成型性能变差。

Mn：Mn是强固溶强化元素，当Mn含量过高时，会有偏析或硬质相形成，使成型性变差。

Mo：Mo的主要作用是提高淬透性以及提高钢的二次硬化能力。

Cr：Cr是固溶强化元素，能够提高淬透性。

Co：Co的添加增大奥氏体向铁素体转变的自由能，加速贝氏体转变速率，使贝氏体转变充分进行。Co含量过低，使贝氏体转变速率降低，不利于贝氏体的生成；Co含量过高，会使Ms点升高，不利于低温保温获得纳米尺寸的贝氏体铁素体板条。

Al：其作用同Co，同样能加速贝氏体转变速率，使贝氏体转变充分进行。Al含量过低，使贝氏体转变速率降低，不利于贝氏体的生成；Al含量过高，会使Ms点升高，不利于低温保温获得纳米尺寸的贝氏体铁素体板条，同时使钢的塑性变差。

P：P是有害元素，当P含量过高时，会有偏析出现，使成型性变差；

S：S是有害元素，S含量越低越好，当S含量较高时，会使成型性变差；

N：N含量越低越好，当N含量较高时，会使氮化物粗化，使成型性变差。

通过向钢中添加一定量的Co和Al，能够加速低温贝氏体的转变速率，大大缩短了纳米贝氏体钢的生产时间。

本发明课题组通过大量的反复试验研究得出结论，通过向高碳高硅钢中添加适量的Co和Al元素，在高温奥氏体区长时间等温，并在低温长时间等温盐浴进行贝氏体转变，从而获得纳米尺寸贝氏体铁素体板条和薄膜状残余奥氏体组成的双相组织，这种双相组织的贝氏体钢能够达到2100MPa级别的强度。这样就能获得具有超高强度和一定延展性的2100MPa纳米贝氏体钢。

本发明的有益效果：

1)具备超高的强度和一定的延展性。本发明涉及到的钢种的抗拉强度为1600～2100MPa，延伸率在6%-12%。

2)操作可行，设备简单。本发明都采用常规的冶炼和轧钢设备，而且热轧工艺及热处理工艺简易可行，目前大部分工业生产线均能在现有的设备上进行生产。

3)应用前景广泛。本发明制备出的纳米贝氏体钢的力学性能与马氏体时效钢接近，但其成本只是马氏时效钢的1/90，有望成为物美价廉的新型高强度钢，开发潜能巨大，极具应用前景，特别是在国防领域，英国已率先将纳米贝氏体钢应用于装甲车、大型器件上。

附图说明：

图1为热轧工艺示意图。

图2为轧后热处理工艺示意图。

图3为应力应变曲线示意图。

图4纳米贝氏体铁素体和薄膜状残余奥氏体形貌示意图。

具体实施方式

根据表1所给出的化学成分，采用电磁感应炉真空熔炼，对铸造的坯料锻造成钢坯，以进行后续工艺。

表1为各成分的质量百分数

表1

热轧工艺为将锻坯加热到1250℃保温1.5h，在350mm二辊热轧机上热轧5个道次，得到厚度为2～4mm左右的热轧薄板，总变形量为80%～90%，其开轧和终轧温度分别为1150℃和900℃，之后空冷至室温。

将热轧之后的钢板加工成规则的小钢块，将之加热到1250℃保温30min后，放入盐浴炉中盐浴冷却，盐浴炉温度恒定在200～300℃，本发明采用了三种不同的等温温度，300℃、250℃和210℃，在盐浴炉中分别等温12h、48h和96h，然后空冷至室温。

不同工艺参数所对应的力学性能如表2所示：

表2为主要工艺参数对应的力学性能

表2

Claims (2)

1.一种2100MPa纳米贝氏体钢，其特征在于化学质量百分比如下：

C%：0.5～1.0，Si%：1.0～3.0，Mn%：1.0～3.0，Mo%：0.1～0.4，Cr%：1.0～3.0，Co%：1.0～3.0%，Al：1.0～3.0%，P%：≤0.01，S%：≤0.01，N%：≤0.01；其余为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的一种2100MPa纳米贝氏体钢的制备方法，其特征在于制备步骤如下：

1）按权利要求1所述成分冶炼、铸造和锻压成钢坯；

2）钢坯经1250～1300℃加热，保温1～2小时均热后，在A_r3以上高温区终轧，终轧温度在880℃～950℃，然后空冷至室温；

3）将步骤2）得到的热轧后的钢坯加工成所需产品的板形，然后将之加热到1250～1300℃，保温15～30min均热后，放入盐浴炉中盐浴冷却，盐浴炉温度恒定在200～300℃，并在此温度等温盐浴10～100h，之后空冷，得到最终的产品。

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