CN109652624A - 一种超高强度防护钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高强度防护钢及其制造方法，采用中碳低合金成分设计，高洁净度冶炼—控制轧制—淬火+低温回火热处理一体化生产工艺，钢板厚度为4~30mm，屈服强度≥1500MPa，抗拉强度≥1800MPa，断后伸长率≥8%，布氏硬度500~640HBW，‑40℃低温韧性≥20J，具有优异的防护性能。

Description

一种超高强度防护钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种钢，具体涉及一种超高强度防护钢及其制造方法。
背景技术
为了适应军事现代化装备的需要，对装甲防护用特种结构钢要求日益提高，超高强度防护钢，具有超高强度和硬度，同时兼有优异的塑性、韧性和止裂性能。产品可以广泛应用于坦克装甲防弹、航空穿甲防弹、防护特种车、地雷防爆、防暴岗舱等多种军民两用领域，以及使用特殊环境条件的场所等。同时中国军队力争在2020年基本实现机械化的时间表已经明确，超高强度防护钢在未来市场需求巨大，不仅使车辆的防护水平得到较大提高，同时对运行车辆的节能、环保、安全性方面亦有重要意义和作用，具有重要的经济效益和社会效益。
通过调研国内外防护钢可知，与普通的结构钢不同，防护钢的用途很特殊，它既是结构材料同时也是防护材料，要求具有良好的抗冲击、侵彻能力，并且要防止产生崩落。所以要求具有超高强度、高的强韧性、以及良好的焊接性能。超高强度可以使弹体破碎而分解能量，提高装甲钢的韧性，则会吸收更多的能量。因此，装甲钢要求具有优异的综合力学性能。
现有的超高强度防护钢板，具有超高硬度的42CrNiMoV钢，硬度范围为514～578HBW，碳含量和碳当量大，焊接裂纹敏感性强；30MnCrNiMo钢，硬度范围为444～514HBW，硬度偏低，抗护性能还有待提升。
公开号CN101376945B，“2000MPa级超高强度高韧性钢板及其制造方法”，公开了一种超高强度高韧性钢板的化学成分和制造方法。此公开的专利，成分设计采用中高碳、高Si、无微量元素设计，高Si能促使钢中的柱状晶成长，降低塑性，若加热或冷却较快，由于热导率低，钢的内部和外部温差较大，因而易裂，同时Si能降低钢的焊接性能，因为与氧的亲合力硅比铁强，在焊接时容易生成低熔点的硅酸盐，增加熔渣和熔化金属的流动性，引起喷溅现象，影响焊缝质量；无合金Al、Ni、Cr、Nb、V、Ti等，无法最大限度的发挥合金的综合作用。制造工艺采用控轧不控冷工艺，但没有后续热处理工艺，此钢种屈服强度很低。
公开号CN105088090A，“一种抗拉强度2000MPa级的防弹钢板及其制造方法”，公开了一种防弹钢的化学成分和制造方法。此公开的专利，成分设计采用中碳、高Si、微量元素设计，高Si降低塑性，钢板易裂。制造工艺采用控轧不控冷工艺，进行后续热处理工艺，但在冶炼过程中对P、S、O、N、H没有严格的控制，非常容易在钢中形成非金属夹杂物(主要是氧化物、硫化物)，显著影响钢的性能，如抗拉强度、成型性、韧性、可焊性、抗裂纹和抗腐蚀性、各向异性、疲劳性能等。
发明内容
本发明针对现有超高强度防护钢存在的技术问题，通过合理的化学成分设计、冶炼-轧制-热处理一体化工艺技术，研发一种具有优异抗弹性能的超高强度防护钢板。
为解决上述技术问题，本发明首先提供一种超高强度防护钢，其特征在于按重量百分比计含有：C：0.30～0.40％，Si：0.20～0.60％，Mn：0.40～1.00％，Alt：0.020～0.050％，Cr：0.10～0.50％，Ni：0.20～0.80％，Mo：0.10～0.50％，Nb≤0.030％，V≤0.030％，Ti≤0.030％，B：0.0005～0.0030％，其余为Fe及不可避免的杂质，其中：
Si、Mn、Cr、Ni、Mo含量之和小于3.00％；
Nb、V、Ti含量之和小于0.060％。
本发明超高强度防护钢采用中碳低合金成分设计。
碳：C在钢中起到固溶强化的作用，为了达到超高强度和硬度级别，钢中需要含有较高含量的C；然而，随着含碳量的增加，钢材的焊接性能变差，冷脆性和时效敏感性增大。考虑到钢板的强韧性匹配性，本发明所述的钢板中的C含量为0.30-0.40％。
硅：Si是炼钢过程中重要的还原剂和脱氧剂，另外，Si还能够溶于铁素体，从而起到固溶强化的作用，进而提高钢板的强度和硬度；但Si含量过高，将显著降低钢的塑性和韧性。本发明所述的钢板中的Si含量为0.20～0.60％。
锰：Mn可以降低临界冷却速度，大大提高淬透性，同时，Mn对钢板具有固溶强化作用；若Mn含量太高，在铸坯中心偏析部位生成粗大的MnS，也会使得板厚中心的韧性降低。本发明所述的钢板中的Mn含量为0.40～1.00％。
铝：Al作为脱氧元素。Al元素还能抑制BN的生成，使B以固溶状态存在，从而保证钢板的淬透性；当Al元素含量过高时，就会在钢中生成粗大的氧化铝夹杂物。本发明所述的钢板中的Alt含量为0.020～0.050％。
铬：Cr可以提高奥氏体的稳定性，使得C曲线右移，由此降低临界冷却速度，以提高钢的淬透性，同时Cr是缩小奥氏体相区的元素，也可溶于铁素体。本发明所述的钢板中的Cr含量为0.10～0.50％。
镍：Ni在钢中只溶于基体相铁素体和奥氏体，且不形成碳化物；Ni的奥氏体稳定化作用非常强，一方面既强烈提高钢的强度；另方面又始终使钢的韧性保持极高的水平，其变脆温度则极低；但由于Ni元素价格较贵，所以在加入时应考虑成本，按需求适量加入。本发明所述的钢板中的Ni含量为0.20～0.80％。
钼：Mo在钢中存在于固溶体相中，添加Mo元素使钢板具有固溶强化的作用，从而起到提高钢的硬度和强度的作用。同时Mo在钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性，Mo也是稀缺贵重元素，在合金成分设计时也应考虑成本。本发明所述的钢板中的Mo含量为0.10～0.50％。
铌、钒、钛：Nb、V、Ti会与钢中的C、N形成碳化铌/钒/钛、氮化铌/钒/钛或碳氮化铌/钒/钛，在钢坯加热轧制阶段，可以起到细化奥氏体晶粒的作用，从而提高钢板的强度和韧性。然而，过多的Nb、V、Ti会形成较多粗大的碳氮夹杂，对钢板的强度和韧性均会产生不利影响。本发明所述的钢板中的Nb≤0.030％，V≤0.030％，Ti≤0.030％，且Nb、V、Ti含量之和小于0.060％。
硼：较少量地添加B就能够显著地增加钢的淬透性，比较容易地获得马氏体组织，B元素不宜添加得过多，其原因在于B与晶界之间具有较强的结合力，容易偏聚到晶界处，从而影响钢板的性能。本发明所述的钢板中的B含量为0.0005～0.0030％。
本发明还提供了上述超高强度防护钢的制造方法，具体包括以下步骤：
高洁净度冶炼，即P+S+O+N+H≤100ppm；
技术效果：严格控制钢水中杂质和气体元素的含量，进而对钢中非金属夹杂物(主要是氧化物、硫化物)进行严格控制，因为钢材中的非金属夹杂物大多是在钢液凝固时有害杂质元素偏析浓缩而与金属元素结合形成的，显著影响钢的性能，如抗拉强度、成型性、韧性、可焊性、抗裂纹和抗腐蚀性、各向异性、疲劳性能等；
(2)控制轧制，具体为：坯料加热1100～1200℃，Nb、V、Ti微合金元素充分固溶，同时奥氏体晶粒粗化不明显；粗轧950～1050℃，奥氏体再结晶区变形阶段，对加热时粗化的奥氏体晶粒反复进行轧制，并反复再结晶后使之得到细化；精轧850℃±50℃，奥氏体未再结晶区变形阶段，奥氏体晶粒沿轧制方向伸长、压扁，晶内产生形变带，这种加工硬化状态的奥氏体具有促进铁素体相变形核作用；轧后空冷到室温，使细小的奥氏体晶粒不再长大，保持到室温，组织细小均匀；
(3)淬火+低温回火热处理，具体为：
淬火温度为850～900℃，得到均匀细小的奥氏体晶粒，淬火后钢组织全部为板条马氏体，形成的板条马氏体组织，使钢板具有超高的抗拉强度和硬度；
回火温度为170～250℃，消除钢板残余应力，同时保证钢板具有良好的冲击韧性。
本发明进一步限定的技术方案为：
前述超高强度防护钢的制造方法中，所制造的防护钢厚度为4～30mm，屈服强度≥1500MPa，抗拉强度≥1800MPa，断后伸长率≥8％，布氏硬度500～640HBW，-40℃低温韧性≥20J。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种超高强度防护钢，该防护钢按重量百分比计含有以下成分：C：0.30～0.34％，Si：0.30～0.60％，Mn：0.60～1.00％，Alt：0.020～0.050％，Cr：0.10～0.30％，Ni：0.40～0.70％，Mo：0.10～0.30％，Nb≤0.030％，V≤0.030％，Ti≤0.030％，B：0.0015～0.0030％，其余为Fe及不可避免的杂质，其中：
Si、Mn、Cr、Ni、Mo含量之和小于3.00％；
Nb、V、Ti含量之和小于0.060％。
上述超高强度防护钢的制造方法具体为：
(1)高洁净度冶炼，即P+S+O+N+H≤100ppm；
(2)控制轧制，即坯料加热1150～1200℃、粗轧1000～1050℃、精轧850℃±50℃、轧后空冷到室温；
(3)淬火+低温回火热处理，淬火870～900℃、回火200～250℃。
本发明制造的超高强度防护钢，厚度为4～30mm，屈服强度≥1500MPa，抗拉强度≥1800MPa，断后伸长率≥8％，布氏硬度500～560HBW，-40℃低温韧性≥20J，具有优异的防护性能。
利用本实施例生产的钢板，选取8mm和12mm厚度两个规格进行抗弹试验，试验结果如下表所示。
表1试验1对比结果
实施例2
本实施例提供一种超高强度防护钢，该防护钢按重量百分比计含有以下成分：C：0.33～0.37％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.50～0.90％，Alt：0.020～0.050％，Cr：0.30～0.50％，Ni：0.20～0.60％，Mo：0.20～0.40％，Nb≤0.030％，V≤0.030％，Ti≤0.030％，B：0.0005～0.0020％，其余为Fe及不可避免的杂质，其中：
Si、Mn、Cr、Ni、Mo含量之和小于3.00％；
Nb、V、Ti含量之和小于0.060％。
上述超高强度防护钢的制造方法具体为：
(1)高洁净度冶炼，即P+S+O+N+H≤100ppm；
(2)控制轧制，即坯料加热1120～1180℃、粗轧980～1030℃、精轧850℃±50℃、轧后空冷到室温；
(3)淬火+低温回火热处理，淬火860～890℃、回火190～230℃。
本发明制造的超高强度防护钢，厚度为4～30mm，屈服强度≥1500MPa，抗拉强度≥1800MPa，断后伸长率≥8％，布氏硬度530～590HBW，-40℃低温韧性≥20J，具有优异的防护性能。
利用本实施例生产的钢板，选取8mm和12mm厚度两个规格进行抗弹试验，试验结果如下表所示。
表2试验2对比结果
实施例3
本实施例提供一种超高强度防护钢，该防护钢按重量百分比计含有以下成分：C：0.36～0.40％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.40～0.80％，Alt：0.020～0.050％，Cr：0.20～0.40％，Ni：0.50～0.80％，Mo：0.30～0.50％，Nb≤0.030％，V≤0.030％，Ti≤0.030％，B：0.0005～0.0020％，其余为Fe及不可避免的杂质；其中：
Si、Mn、Cr、Ni、Mo含量之和小于3.00％；
Nb、V、Ti含量之和小于0.060％。
上述超高强度防护钢的制造方法具体为：
(1)高洁净度冶炼，即P+S+O+N+H≤100ppm；
(2)控制轧制，即坯料加热1100～1150℃、粗轧950～1000℃、精轧850℃±50℃、轧后空冷到室温；
(3)淬火+低温回火热处理，淬火850～880℃、回火170～220℃。
本发明制造的超高强度防护钢，厚度为4～30mm，屈服强度≥1500MPa，抗拉强度≥1800MPa，断后伸长率≥8％，布氏硬度580～640HBW，-40℃低温韧性≥20J，具有优异的防护性能。
利用本实施例生产的钢板，选取8mm和12mm厚度两个规格进行抗弹试验，试验结果如下表所示。
表3试验3对比结果
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种超高强度防护钢，其特征在于：该防护钢按重量百分比计含有以下成分：C：0.30~0.40%，Si：0.20~0.60%，Mn：0.40~1.00%，Alt：0.020~0.050%，Cr：0.10~0.50%，Ni：0.20~0.80%，Mo：0.10~0.50%，Nb≤0.030%，V≤0.030%，Ti≤0.030%，B：0.0005~0.0030%，其余为Fe及不可避免的杂质，其中：
所述Si、Mn、Cr、Ni、Mo含量之和＜3.00%；
所述Nb、V、Ti含量之和＜0.060%。
2.如权利要求1所述超高强度防护钢的制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）高洁净度冶炼，即P+S+O+N+H≤100ppm；
（2）控制轧制，具体为：坯料加热1100～1200℃、粗轧950～1050℃、精轧850℃±50℃、轧后空冷到室温；
（3）淬火+低温回火热处理，具体为：淬火850~900℃、回火170~250℃。
3.根据权利要求2所述的超高强度防护钢的制造方法，其特征在于：所制造的防护钢的性能具体如下：厚度为4~30mm，屈服强度≥1500MPa，抗拉强度≥1800MPa，断后伸长率≥8%，布氏硬度500~640HBW，-40℃低温韧性≥20J。
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