CN108315657A - 一种低成本超高强韧性钢及其制备方法 - Google Patents

一种低成本超高强韧性钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种低成本超高强韧性钢及其制备方法。所述钢材低碳低合金钢，包括以下质量百分比的化学成分为C：0.06％～0.25％、Mn：0.60％～2.50％、Si：0.20％～1.50％；Cr：0.30％～0.85％；V：0～0.12％；余量为Fe。该钢棒用钢在普通C‑Si‑Mn低碳钢的基础上,添加适量的微合金元素如V，Cr，以及限定了钢中硅锰比,达到最优化的合金元素比例。本发明得到的钢棒用钢兼具较高的强度和较好的韧性。

Description

一种低成本超高强韧性钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低成本超高强韧性钢及其强韧化方法领域。具体指一种具有超高强韧性 性能的低成本钢，以及其获得超高强韧性性能的制备方法。
背景技术
我国钢材产能、实际产量和消费量已连续20多年保持世界第一，是名副其实的钢铁大国。 但我国钢铁产品中高端产品较少，低端普通产品占据相当大部分产能，大量高端产品需进口， 因此我国虽然是钢铁大国，但距离钢铁强国还有较大差距。
一般情况下，钢的强度与塑韧性是一对矛盾，钢的强化即提高强度的手段都是以降低钢 的塑性和韧性为代价，强度的提高会造成塑韧性下降，脆性增加。高强钢在获得高强度的同 时，也具有较高的脆性。现代工业技术的发展对工程材料提出了越来越高的要求，特别是结 构材料的综合性能要求越来越高，各种恶劣气候条件对材料也提出了极高的服役性能要求， 要求高的强韧性的配合，以及高温、低温严寒条件下良好的塑韧性要求。目前常用的强韧化 方法使通过复杂的合金化和微合金化，再附加繁复的热处理工艺来获得较高的强韧性的配合。 但该方法却造成钢材资源成本的直接升高和加工费用上升，同时复杂的加工工艺也造成成品 率下降，资源浪费以及环境污染。
因此，如何使得钢材兼具低成本、较高的强度和良好的韧性，特别是低温韧性成为本领 域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本超高强韧性钢及其制备方法。所述钢兼具低成本，高 的强度和良好的韧性，特别是低温韧性。该钢棒用钢在普通C-Si-Mn低碳钢的基础上,添加适 量的微合金元素如V，Cr，以提高淬透性,并达到最优化的合金元素比例。通过复合合金化在 充分发挥各种合金元素作用基础上,各合金元素交互作用达到材料强韧性的配合。制备方法中 用低成本、高效率、制备方法简单的轧制工艺生产高质量特殊钢品种，实现钢材的特殊性能。 本发明得到的钢棒用钢兼具较高的强度和较好的韧性。
本发明的技术方案为：
一种低成本超高强韧性钢，所述钢材为低碳低合金钢，包括以下质量百分比的化学成分：
C：0.06％～0.25％；Mn：0.60％～2.50％；Si：0.20％～1.50％；Cr：0.30％～0.85％；V：0～0.12％； 余量为Fe。
所述组分中V的含量优选为0.03％～0.12％。
所述的低成本超高强韧性钢的加工方法，包括以下步骤：
(1)通过冶炼、铸锭/连铸，锻造/热轧，以获得尺寸为29×29mm2—31×31mm2钢棒；
(2)对上述钢棒加热到900～950℃，保温50～80min后淬火，水冷至室温；
(3)淬火后的钢棒加热到450～600℃，保温40～60min后用槽轧机轧制成13mm～15mm 的钢棒；其中，轧制过程为：共经过8～10次轧制，每道次轧制的变形量为6％～18％，轧辊速 度控制在0.35m/s～0.5m/s，总变形率为70％—80％；轧制过程中钢棒温度不低于轧制开始温度 100℃，当钢棒的下降温度超过100℃时，将钢棒回炉，加热并在原加热温度保温10～20min；
(4)轧制完成后钢棒空冷到室温。
所述的步骤(2)中的加热温度优选为完全奥氏体区温度。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：1、在本发明中，钢中只含有少 量的锰与硅或铬元素和微量的钒元素，具有较低的成本。锰起固溶强化作用，硅以稳定奥氏 体为主，在热处理过程中延迟奥氏体分解，通过相变诱发塑性强化钢材的同时获得良好的塑 韧性；铬的主要作用是提高淬透性，淬火是得到低碳板条状马氏体组织，为获得良好的使用 性能做好组织准备。钒的主要作用是细化晶粒和弥散强化。2、淬火后在450—600℃之间加 热并进行较大变形量的轧制变形，最终获得细小纤维状晶粒，获得良好的冲击韧性，特别是 在低温状态获得较高的冲击韧性。
具体体现为：
(1)成分上，在普通C-Si-Mn低碳钢的基础上,添加适量的微合金元素如Cr以及V，以 提高淬透性，并达到最优化的合金元素比例。
(2)价格上，普通的低温韧性钢通常含有高镍高锰，而本发明用钢含有少量锰且不含镍， 总体来说成本上可降低20％以上。
(3)热加工工艺上，温轧具有明显的优势，既可以解决冷加工变形抗力大的问题，还可 以避免热加工产生的氧化、脱碳、过热等缺陷，且节省能源。
最终本发明得到的钢棒用钢的力学性能在兼具高强度的同时(平均抗拉强度为1125MPa) 具有较高的冲击韧性，室温下冲击功的平均值为159J,是传统热处理工艺(淬火+回火)的15 倍多。且在﹣100℃时冲击功可达到54J，具有较高的低温冲击韧性。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代 表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的本发明 的一些方面相一致的装置和方法的例子。
作为本发明的第一个方面，提供一种通过特殊加工可以获得超高强韧性的低成本钢，其 中，所述低成本钢包括以下质量百分比的化学成分：
C：0.06％至0.25％；
Mn：0.60％至2.50％；
Si：0.20％至1.50％；
Cr：0.30％至0.85％；
V：0％至0.12％；
余量为Fe。
本发明所提供的低成本钢属于低碳低合金微合金钢。
在所述低成本钢中，碳含量较低，可以具有较好的塑韧性。碳是钢中的主要强化因素， 碳含量对钢的强度有明显影响。对于低碳钢，0.01％的碳可以使钢的强度提高20MPa至30MPa，淬火时可以是得到的马氏体具有较高的强度，同时，可能会使钢的延伸率降低。在本发明中，碳的质量百分比为0.06％至0.25％，从而可以确保所述低成本钢兼具较高的强度 和较好的塑性，淬火后得到具有一定强度和硬度的板条马氏体组织。
锰具有扩大钢的奥氏体相区、固溶强化、细晶强化等作用，可以提高钢的强度，并且在 钢中添加锰对钢的韧性和塑性损坏最小。在本发明中，锰的质量比为0.60％至2.50％，可以 钢具有较高的强度，和较高的强韧性配合，并且组织、性能具有较好的整体均匀性。
硅在钢中可以起固溶强化作用，并且可以稳定奥氏体，有利于钢中马氏体形成。在本发 明中，硅的质量比为0.20％至1.50％，从而可以在起到固溶强化、稳定奥氏体作用的同时， 避免降低钢的韧性。
铬可以提高钢的淬透性，在钢中形成高强度的马氏体组织。经过不同温度回火后可获得 不同强韧性组合，满足不同服役条件需求。此外，铬还能与碳化物起到细化晶粒和弥散强化 的作用。在本发明中，铬的质量比为低于0.85％，在提高钢的强度的同时保持钢的组织均匀 性和韧性。
钒是微合金化元素，属于强碳化物形成元素，在钢中主要以金属间化合物VC的形式存 在，形成细小弥散分布的碳化钨产生非常强的弥散强化和细晶化作用，提高钢强度的同时使 钢获得较好的韧性。在本发明中，钒的质量比为低于0.12％，可以提高钢的强度的同时保持 钢的塑性和韧性。
作为本发明的第二个方面，提供一种上述低成本钢获得超高强韧性，特别是低温韧性的 加工方法。所述制备方法包括：
(1)利用所述钢棒用钢的原料进行冶炼、铸锭或连铸、锻造或热轧、冷却，获得一定尺 寸的热轧钢棒。其中，热轧开轧温度为1150℃至1050℃，终轧温度为1000℃至950℃，冷却 为空冷。
(2)热轧钢棒加热到完全奥氏体区，保温一定时间后淬火，淬火冷却方式为水冷至室温。
(3)淬火钢棒加热至450—600℃，保温一定时间后用槽轧机轧制为一定尺寸的棒材， 其中，轧制过程中钢棒的下降温度应小于100℃，温降达到100℃时即重新加热并保温10—20min，轧制总变形量不低于70％。
(4)轧制到需要尺寸后空冷到室温。
实施例1
(1)采用50kg中频感应真空熔炼炉进行原料的冶炼，原料为硅铁合金(FeSi75)、锰铁合金(FeMn68C4.0)、电解铬、和工业纯铁，重量分别为330g、580g、280g、48.02Kg；
(2)将上面得到的钢水浇铸成150×150mm2钢锭，浇注时钢水温度为1550℃；
(3)钢锭轧制成30x30mm2钢棒，开轧温度为1150℃，终轧温度为1000℃；然后空冷至室温；
(4)利用CX-9000台式全谱直读光谱仪测量所制得的圆棒钢的化学成分以及质量百分 比为0.15％C；0.80％Mn；0.5％Si；0.55％Cr；余量为Fe。
(5)利用FTM-4型Formastor-Digital全自动相变膨胀仪测定材料的Ac3点为855℃。为 得到细小均匀的组织，选择材料的奥氏体化温度为920℃。
(6)将钢棒加热到920℃，保温30min，水冷淬火至室温；
(7)钢棒加热到480℃，保温30min，在东北大学Φ350×850二辊槽轧机上进行槽轧， 轧辊速度为0.5m/s。经过10道次轧制，试样尺寸由30mm变为13mm，变形量为81％。后空冷至室温得到所需试样。
(8)按照GB/T228.1-2010对上述工艺制得的钢棒用钢进行室温拉伸力学性能测试，测 得如下结果：
抗拉强度：平均值977MPa(实测值范围：962MPa至998MPa)；
屈服强度：平均值954MPa(实测值范围：937MPa至973MPa)；
延伸率：平均值22.9％(实测值范围22.8％至23.2％)；
断面收缩率：平均值32.6％(实测值32.2％至33.2％)；
(9)根据国标GB-T229—2007《金属夏比摆锤实验方法》的规定，进行冲击韧性测试， 具体结果见表1。
实施例2
采用50kg中频感应真空熔炼炉进行原料的冶炼，浇铸成150×150mm2钢锭，轧制成30 ×30mm2钢棒，空冷冷却到室温作为原料待用。
(1)采用50kg中频感应真空熔炼炉进行原料的冶炼，原料为硅铁合金(FeSi75)、锰铁合金(FeMn68C4.0)、钒铁合金(FeV50)(纯度均为99.7％)、电解铬、和工业纯铁， 重量分别为470g、1320g、50g、180g、47.94Kg；
(2)将上面得到的钢水浇铸成150×150mm2钢锭，浇注时钢水温度为1550℃；
(3)钢锭轧制成30x30mm2钢棒，开轧温度为1150℃，终轧温度为1000℃；然后空冷至室温；
(4)利用CX-9000台式全谱直读光谱仪测量所制得的圆棒钢的化学成分以及质量百分 比为0.22％C；1.80％Mn；0.70％Si；0.35％Cr；0.05％V；余量为Fe。
(5)利用FTM-4型Formastor-Digital全自动相变膨胀仪测定材料的Ac3点为867℃。为 得到细小均匀的组织，选择材料的奥氏体化温度为930℃。
(6)将钢棒加热到930℃，保温35min，水冷淬火至室温；
(7)钢棒加热到520℃，保温30min，在东北大学Φ350×850二辊槽轧机上进行槽轧， 轧辊速度为0.5m/s。经过10道次轧制，试样尺寸由30mm变为13mm，变形量为81％。后空冷至室温得到所需试样。
(8)按照GB/T228.1-2010对上述工艺制得的钢棒用钢进行室温拉伸力学性能测试，测 得如下结果：
抗拉强度：平均值1261MPa(实测值范围：1208MPa至1260MPa)；
屈服强度：平均值1238MPa(实测值范围：1224MPa至1278MPa)；
延伸率：平均值26.8％(实测值范围26.4％至27.8％)；
断面收缩率：平均值35.9％(实测值34.9％至36.7％)；
(9)根据国标GB-T229—2007《金属夏比摆锤实验方法》的规定，进行冲击韧性测试， 具体结果见表1.
实施例3
(1)采用50kg中频感应真空熔炼炉进行原料的冶炼，原料为硅铁合金(FeSi75)、锰铁合金(FeMn68C4.0)、电解铬、和工业纯铁，重量分别为330g、1180g、400g、48.06Kg；
(2)将上面得到的钢水浇铸成150×150mm2钢锭，浇注时钢水温度为1550℃；
(3)钢锭轧制成30x30mm2钢棒，开轧温度为1150℃，终轧温度为1000℃；然后空冷至室温；
(4)利用CX-9000台式全谱直读光谱仪测量所制得的圆棒钢的化学成分以及质量百分 比为0.15％C；1.60％Mn；0.50％Si；0.80％Cr；余量为Fe。
(5)利用FTM-4型Formastor-Digital全自动相变膨胀仪测定材料的Ac3点为843℃。为 得到细小均匀的组织，选择材料的奥氏体化温度为910℃。
(6)将钢棒加热到910℃，保温40min，水冷淬火至室温；
(7)钢棒加热到500℃，保温40min，在东北大学Φ350×850二辊槽轧机上进行槽轧， 轧辊速度为0.5m/s。经过10道次轧制，试样尺寸由30mm变为13mm，变形量为81％。后空冷至室温得到所需试样。
(8)按照GB/T228.1-2010对上述工艺制得的钢棒用钢进行室温拉伸力学性能测试，测 得如下结果：
抗拉强度：平均值1081MPa(实测值范围：1064MPa至1087MPa)；
屈服强度：平均值1049MPa(实测值范围：1037MPa至1064MPa)；
延伸率：平均值22.9％(实测值范围22.4％至23.6％)；
断面收缩率：平均值32.0％(实测值30.6％至32.4％)；
(9)根据国标GB-T229—2007《金属夏比摆锤实验方法》的规定，进行冲击韧性测试， 具体结果见表1。
实施例4
(1)采用50kg中频感应真空熔炼炉进行原料的冶炼，原料为硅铁合金(FeSi75)、锰铁合金(FeMn68C4.0)、钒铁合金(FeV50)(纯度均为99.7％)，电解铬、和工业纯铁， 重量分别为430g、1300g、100g、220g、47.89Kg。
(2)将上面得到的钢水浇铸成150×150mm2钢锭，浇注时钢水温度为1550℃；
(3)钢锭轧制成30x30mm2钢棒，开轧温度为1150℃，终轧温度为1000℃；然后空冷至室温；
(4)利用CX-9000台式全谱直读光谱仪测量所制得的圆棒钢的化学成分以及质量百分 比为0.22％C；1.78％Mn；0.65％Si；0.45％Cr；0.10％V；余量为Fe。
(5)利用FTM-4型Formastor-Digital全自动相变膨胀仪测定材料的Ac3点为853℃。为 得到细小均匀的组织，选择材料的奥氏体化温度为920℃。
(6)将钢棒加热到920℃，保温30min，水冷淬火至室温；
(7)钢棒加热到480℃，保温30min，在东北大学Φ350×850二辊槽轧机上进行槽轧， 轧辊速度为0.5m/s。经过10道次轧制，试样尺寸由30mm变为13mm，变形量为81％。后空冷至室温得到所需试样。
(8)按照GB/T228.1-2010对上述工艺制得的钢棒用钢进行室温拉伸力学性能测试，测 得如下结果：
抗拉强度：平均值1184MPa(实测值范围：11174MPa至1196MPa)；
屈服强度：平均值1155MPa(实测值范围：1136MPa至1178MPa)；
延伸率：平均值26.7％(实测值范围26.2％至27.2％)；
断面收缩率：平均值30.2％(实测值29.8％至30.6％)；
(9)根据国标GB-T229—2007《金属夏比摆锤实验方法》的规定，进行冲击韧性测试， 具体结果见表1
通过测试可知，本发明所提供的方法制得的钢棒用钢具有较高的强度，并且还具有较好 的韧性，特别是低温韧性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践本发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本 申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵 循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说 明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附表中示出的精确结构，并且可以 在不脱离其范围进行各种修改和改变。
表1本发明实施例在不同温度下的冲击功(J)
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (4)

1.一种低成本超高强韧性钢，其特征为所述钢材的组分包括以下质量百分比的化学成分：
C：0.06％～0.25％、Mn：0.60％～2.50％、Si：0.20％～1.50％；Cr：0.30％～0.85％；V：0～0.12％；余量为Fe。
2.如权利要求1所述的低成本超高强韧性钢，其特征为所述组分中V的含量为0.03％～0.12％。
3.权利要求1所述的一种低成本超高强韧性钢的加工方法，包括以下步骤：
(1)通过冶炼、铸锭/连铸，锻造/热轧，以获得尺寸为29×29mm2—31×31mm2的钢棒；
(2)对上述钢棒加热到900～950℃，保温50～80min后淬火，水冷至室温；
(3)淬火后的钢棒加热到450～600℃，保温40～60min后用槽轧机轧制成13mm～15mm的钢棒；其中，轧制过程为：共经过8～10次轧制，每道次轧制的变形量为6％～18％，轧辊速度控制在0.35m/s～0.5m/s，总变形率为70％—85％；轧制过程中钢棒温度不低于轧制开始温度100℃，当钢棒的下降温度超过100℃时，将钢棒回炉，加热并在原加热温度保温10～20min；
(4)轧制完成后钢棒空冷到室温。
4.权利要求1所述的一种低成本超高强韧性钢的加工方法，其特征为所述的步骤(2)中的加热温度为完全奥氏体区温度。
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