CN105586536B - 一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的制备方法 - Google Patents

一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢及其制备方法，马氏体钢的化学组成及其重量百分比为(wt.％)：C：0.15～0.28；Si：1.0～2.0；Mn：1.2～2.5；Cr：0.5～1.5；Al：0.2～1.5％；Cu：0.05～0.4；Mo：0.1～0.3；V：0.05～0.15；Nb：0.03～0.1；Ti：0.005～0.05；P：＜0.025％；S：＜0.035％，余量为Fe和其它不可避免杂质；制备方法包括：按上述配方称量配料后采用真空或常规方法熔炼成铸锭；将铸锭加热至1100～1200℃保温1～2h后进行锻造或轧制，获得所需工件的形状和尺寸，然后在水中淬火至室温；将工件在200℃下回火2h，得到低碳马氏体型组织；该发明具有超高强度且有优异的室温和低温韧性：在室温至‑40℃范围内夏比冲击试样呈分层断裂特征。

Description

一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的制备方法
技术领域
本发明属于高强度钢制造技术领域，特别涉及一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的制备方法。
背景技术
高强度钢已广泛应用于航空航天、汽车、桥梁、建筑等行业，为了进一步减轻构件的重量以降低其在制造和使用过程中的能耗，开发更高强度级别的超高强度钢以替代现有材料一直是人们追求的目标。但随着材料强度级别的提高，材料的韧性会随着降低；为了保证构件在承受冲击载荷时的安全性，提高超高强度钢的冲击韧性显得尤为重要。此外，随着构件使用温度的降低，材料韧性会随之下降，对于那些要求在低温下服役的材料，提高其低温韧性变得更加重要。在现有的技术中，马氏体时效钢强度可以达到1500MPa以上且可以获得高的韧性，在航空航天领域关键部件上有重要应用，但其合金元素含量高，冶炼加工工艺要求复杂，成本较高。如AF1410和高纯度马氏体时效钢18Ni(C200)，难以获得广泛的应用。公开的专利“高抗拉强度高韧性低屈强比贝氏体钢及其生产方法(CN1786246A)”、“高强高韧性贝氏体钢(1036231A)”、“一种高强度微合金低碳贝氏体钢及其生产方法(CN100580125C)”等通过细化低碳贝氏体组织获得高韧性，但其强度一般不超过1500MPa。公开的专利“韧性和焊接性良好的双相钢板(CN1060814C)”、“具有低屈服比、高韧性和优异可焊性的高强度双相钢(CN101331019A)”等通过在钢中形成铁素体/马氏体、铁素体/贝氏体等的复相组织获得较高韧性，但这类钢的强度不足。通过分层增韧是提高材料韧性的另一重要方法。日本学者Yuuji Kimura等通过将中碳回火马氏体钢在500℃至600℃之间进行大变形轧制，获得纳米尺寸碳化物弥散分布在伸长的超细晶铁素体基体上的组织，获得了1770MPa的超高强度，且材料在20℃至-100℃范围内冲击试样呈分层断裂模式，获得了高的室温和低温韧性，但该材料经温轧后力学性能已经确定，二次热处理会破坏其力学性能，使其后续成型和加工性能受到限制，限制了该材料的广范应用。美国斯坦福大学的O.D.Sherby等采用超高碳钢和中碳钢复合轧制成层状材料来提高材料的韧性，冲击试样也呈分层断裂模式，材料的韧脆转变温度降至-140℃，其冲击功高达325J，但该材料的成型工艺复杂，实际应用也受到限制。
低碳马氏体钢由于具有高强度和良好的塑性且价格便宜成为现代工业的一种重要结构材料，特别是对高强度的该类材料在未来将会有广泛的应用前景。但当该类材料屈服强度超过1300MPa时其冲击功一般不超过50J，其低温冲击功会更低，工业上一般采用向该类材料中添加镍来提高韧性，但这将会增加材料的成本，使其应用和推广受到影响。目前还未见在低碳马氏体中通过分层增韧来提高材料韧性的相关报道。
发明内容
为了克服以上技术缺陷，本发明的目的在于提供了一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的制备方法，通过合理的合金成分设计和工艺控制获得具有层状结构的低碳马氏体型组织，通过分层增韧来提高低碳马氏体钢的韧性，解决了超高强度低碳马氏体钢低温韧性较差的问题，具有成本低廉、工艺简单、性能优良的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢，其特征在于，制备所得成品的组分按质量百分比(wt.％)配比为：C：0.15～0.28；Si：1.0～2.0；Mn：1.2～2.5；Cr：0.5～1.5；Al：0.2～1.5％；Cu：0.05～0.4；Mo：0.1～0.3；V：0.05～0.15；Nb：0.03～0.1；Ti：0.005～0.05；P：＜0.025％；S：＜0.035％，余量为Fe和其它不可避免杂质。
一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的制备方法：其特征在于，包括下述步骤：
步骤一：原料配比
选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.15～0.28；Si：1.0～2.0；Mn：1.2～2.5；Cr：0.5～1.5；Al：0.2～1.5％；Cu：0.05～0.4；Mo：0.1～0.3；V：0.05～0.15；Nb：0.03～0.1；Ti：0.005～0.05；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂质中含有P和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜0.035％；
步骤二：合金熔炼
按照步骤一中的元素比例，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇铸成铸锭，浇铸温度控制在1530～1580℃，得到铸锭的元素组成成分为C：0.15～0.28；Si：1.0～2.0；Mn：1.2～2.5；Cr：0.5～1.5；Al：0.2～1.5％；Cu：0.05～0.4；Mo：0.1～0.3；V：0.05～0.15；Nb：0.03～0.1；Ti：0.005～0.05；P：＜0.025％；S：＜0.035％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；
步骤三：加热保温后锻造或轧制
将步骤二中得到的铸锭加热至1100～1200℃后保温1～2h，然后进行锻造或轧制，得到所需工件的形状和尺寸，终锻或终轧温度不低于900℃，然后在水中淬火至室温；
步骤四：回火
将步骤三中所得工件加热至200℃后保温2h，最终得到具有层状组织特征的低碳回火马氏体组织，原奥氏体晶粒尺寸约15～20μm。
所述的合金元素组成按照质量百分比(wt.％)：(Mn+Cr)和(Si+Al)之比为1～2。
所述的步骤二中熔炼至原料熔化成钢水是在电磁感应炉真空熔炼或常规方法进行熔炼。
所述的一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的组织特征在于在光学显微镜下组织呈黑白交替的层状分布特征，白色层状组织之间间距为50～200μm，白色层状组织厚度为20～50μm；白色和黑色组织均为马氏体组织，晶粒尺寸都为15～20μm，但其成分和硬度不同，白色组织比黑色组织的C和其它合金元素含量更高，白色组织硬度为(HV10:520～560)，黑色基体组织硬度为(HV10:450～490)。
本发明的有益效果：
1、本发明采用分层增韧的思路来提高材料韧性，未向合金中添加大量价格昂贵的元素，如Ni、Co等，成本低廉，易于推广应用。
2、本发明的高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢通过控制合金元素(Mn+Cr)和(Si+Al)的比为1～2，并通过后续的工艺控制获得具有层状结构的低碳马氏体型组织，可同时获得超高强度和高韧性，生产工艺简单，易于实现。
附图说明
图1为该高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的典型组织照片；图1a为100×下高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的典型金相组织照片，图1b为500×下高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的典型金相组织照片。
图2为1#、3#、5#材料的拉伸试验力学性能曲线。
图3为4#材料冲击试验试样的分层断裂宏观形貌。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例一
步骤一：
选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.15；Si：1.5；Mn：2.5；Cr：0.5；Al：1.5；Cu：0.2；Mo：0.1；V：0.15；Nb：0.03；Ti：0.05；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂质中含有P和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜0.035％；
步骤二：合金熔炼
按照步骤一中的元素比例，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇铸成Ф100mm铸锭，浇铸温度控制在1570±10℃，得到铸锭的成分为表1中1#成分的铸锭；
步骤三：加热保温后锻造
将步骤二中得到的铸锭加热至1100℃后保温2h，然后按照20mm×40mm的尺寸进行锻造，得到工件尺寸为20mm×40mm的方坯，终锻温度约950℃，然后在水中淬火至室温；
步骤四：回火
将步骤三中所得的20mm×40mm的方坯加热至200℃后保温2h，最终得到表2中的1#高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢。
实施例二
步骤一：
选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.17；Si：1.5；Mn：2.0；Cr：1.0；Al：1.0；Cu：0.1；Mo：0.2；V：0.1；Nb：0.03；Ti：0.05；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂质中含有P和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜0.035％；
步骤二：合金熔炼
按照步骤一中的元素比例，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇铸成Ф100mm铸锭，浇铸温度控制在1570±10℃，得到铸锭的成分为表1中2#成分的铸锭；
步骤三：加热保温后锻造
将步骤二中得到的铸锭加热至1100℃后保温2h，然后按照20mm×40mm的尺寸进行锻造，得到工件尺寸为20mm×40mm的方坯，终锻温度约950℃，然后在水中淬火至室温；
步骤四：回火
将步骤三中所得的20mm×40mm的方坯加热至200℃后保温2h，最终得到表2的2#高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢。
实施例三
步骤一：
选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.22；Si：1.0；Mn：2.0；Cr：1.5；Al：0.7；Cu：0.4；Mo：0.3；V：0.1；Nb：0.05；Ti：0.025；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂质中含有P和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜0.035％；
步骤二：合金熔炼
按照步骤一中的元素比例，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇铸成Ф100mm铸锭，浇铸温度控制在1560±10℃，得到铸锭的成分为表1中3#成分的铸锭；
步骤三：加热保温后轧制
将步骤二中得到的铸锭加热至1100℃后保温2h，然后将铸锭轧制成10mm厚板，终轧温度约920℃，然后在水中淬火至室温；
步骤四：回火
将步骤三中所得的20mm×40mm的方坯加热至200℃后保温2h，最终得到表2的3#高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢。
实施例四
步骤一：
选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.25；Si：2.0；Mn：1.5；Cr：1.0；Al：0.3；Cu：0.05；Mo：0.15；V：0.05；Nb：0.1；Ti：0.005；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂质中含有P和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜0.035％；
步骤二：合金熔炼
按照步骤一中的元素比例，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇铸成Ф100mm铸锭，浇铸温度控制在1560±10℃，得到铸锭的成分为表1中4#成分的铸锭；
步骤三：加热保温后锻造
将步骤二中得到的铸锭加热至1100℃后保温2h，然后按照20mm×40mm的尺寸进行锻造，得到工件尺寸为20mm×40mm的方坯，终锻温度约920℃，然后在水中淬火至室温；
步骤四：回火
将步骤三中所得的20mm×40mm的方坯加热至200℃后保温2h，最终得到表2的4#高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢。
实施例五
步骤一：
选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.28；Si：1.5；Mn：1.2；Cr：1.0；Al：0.25；Cu：0.15；Mo：0.2；V：0.1；Nb：0.05；Ti：0.02；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂质中含有P和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜0.035％；
步骤二：合金熔炼
按照步骤一中的元素比例，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇铸成Ф100mm铸锭，浇铸温度控制在1540±10℃，得到铸锭的成分为表1中5#成分的铸锭；
步骤三：加热保温后锻造
将步骤二中得到的铸锭加热至1100℃后保温2h，然后按照20mm×40mm的尺寸进行锻造，终锻温度约900℃，得到工件尺寸为20mm×40mm的方坯，然后在水中淬火至室温；
步骤四：回火
将步骤三中所得的20mm×40mm的方坯加热至200℃后保温2h，最终得到表2的5#高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢。
实施例六
步骤一：
选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.17；Si：1.3；Mn：2.5；Cr：1.2；Al：0.75；Cu：0.05；Mo：0.1；V：0.15；Nb：0.03；Ti：0.035；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂质中含有P和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜0.035％；
步骤二：合金熔炼
按照步骤一中的元素比例，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇铸成Ф100mm铸锭，浇铸温度控制在1540±10℃，得到铸锭的成分为表1中6#成分的铸锭；
步骤三：加热保温后锻造
将步骤二中得到的铸锭加热至1100℃后保温2h，然后按照20mm×40mm的尺寸进行锻造，终锻温度约900℃，得到工件尺寸为20mm×40mm的方坯，然后在水中淬火至室温；
步骤四：回火
将步骤三中所得的20mm×40mm的方坯加热至200℃后保温2h，最终得到表2的6#高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢。
表1高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的化学成分组成(wt.％)
表2高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的力学性能
由上表和图2中的力学性能指标可以看出，上述成分范围内的该低碳马氏体钢具有超高强度和优异的韧性：Rp0.2≥1200MPa，Rm≥1500MPa，A≥11％，AKV(25℃)≥120J，AKV(-40℃)≥65J。

Claims (3)

1.一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢，其特征在于，制备所得成品的组分按质量百分比(wt.％)配比为：C：0.15～0.28；Si：1.0～2.0；Mn：1.2～2.5；Cr：0.5～1.5；Al：0.2～1.5％；Cu：0.05～0.4；Mo：0.1～0.3；V：0.05～0.15；Nb：0.03～0.1；Ti：0.005～0.05；P：＜0.025％；S：＜0.035％，余量为Fe和其它不可避免杂质；
所述的合金元素组成按照质量百分比(wt.％)：(Mn+Cr)和(Si+Al)之比为1～2。
2.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢，其特征在于，所述的一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的组织为：在光学显微镜下组织呈黑白交替的层状分布特征，白色层状组织之间间距为50～200μm，白色层状组织厚度为20～50μm；白色和黑色组织均为马氏体组织，晶粒尺寸都为15～20μm，但其成分和硬度不同，白色组织比黑色组织的C和其它合金元素含量更高，白色组织硬度为HV10:520～560，黑色基体组织硬度为HV10:450～490。
3.基于权利要求1所述的一种高强度高韧性层状组织低碳马氏体钢的制备方法：其特征在于，包括下述步骤：
步骤一：原料配比
选取炼钢原料，炼钢原料包括：含Cr量为60％的铬铁、含Mn量为82.5％的锰铁、含Si量为70％的硅铁、含Mo量为60％的钼铁、含V量为50％的钒铁、含Nb量为65％的铌铁、10#钢、生铁、纯铜、纯铝和纯钛，炼钢原料选取量按照以下总质量分数进行配比：C：0.15～0.28；Si：1.0～2.0；Mn：1.2～2.5；Cr：0.5～1.5；Al：0.2～1.5％；Cu：0.05～0.4；Mo：0.1～0.3；V：0.05～0.15；Nb：0.03～0.1；Ti：0.005～0.05；余量为Fe和其他不可避免的杂质，杂质中含有P和S，所述的P和S的范围控制应为P：＜0.025％；S：＜0.035％；
步骤二：合金熔炼
按照步骤一中的元素比例，采用电磁感应炉真空熔炼或按常规方法进行熔炼，将原料10#钢、铬铁、硅铁及生铁加热升温熔炼至原料熔化成钢水，再向钢水中依次加入钒铁、钼铁、铌铁、纯铜、锰铁、纯钛和纯铝，保温直至加入的成分均匀化，然后浇铸成铸锭，浇铸温度控制在1530～1580℃，得到铸锭的元素组成成分为C：0.15～0.28；Si：1.0～2.0；Mn：1.2～2.5；Cr：0.5～1.5；Al：0.2～1.5％；Cu：0.05～0.4；Mo：0.1～0.3；V：0.05～0.15；Nb：0.03～0.1；Ti：0.005～0.05；P：＜0.025％；S：＜0.035％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；
步骤三：加热保温后锻造或轧制
将步骤二中得到的铸锭加热至1100～1200℃后保温1～2h，然后进行锻造或轧制，得到所需工件的形状和尺寸，终锻或终轧温度不低于900℃，然后在水中淬火至室温；
步骤四：回火
将步骤三中所得工件加热至200℃后保温2h，最终得到具有层状组织特征的低碳回火马氏体组织，原奥氏体晶粒尺寸15～20μm。
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