CN109750228A - 一种稀土抗冲击钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稀土抗冲击钢板及其制备方法，化学元素成分及其质量百分比为：C 0.18～0.36％；Si 0.2～0.8％；Mn 0.75～1.5％；Cr 0.8～1.8％；Ni 1.5～2.3％；Mo 0.25～0.6％；V 0.15～0.25％；Nb 0.015～0.025％；P≤0.01％；S≤0.01％；RE 0.006～0.01％；其余为Fe元素不可避免的杂质。得到的钢板屈服强度为：1350MPa～1480MPa，抗拉强度1550MPa～1750MPa，延伸率为：12％～14％，常温冲击性能(u型缺口)：55～60J，低温冲击性能(‑40℃，u型缺口)：30～38J，布氏硬度HBS：450～550。

Description

一种稀土抗冲击钢板及其制备方法

技术领域

本发明涉及抗冲击钢技术领域，特别提供一种稀土抗冲击钢板及其制备方法。

背景技术

抗冲击钢是特种车辆最基本、最重要的结构和防护材料，即可作为均质装甲在特种车辆上直接使用，又可作为结构单元成为特种装甲的组成部分，对装甲车辆的防护起到相当重要的作用。正因如此，国外都把抗冲击装甲钢的研制和生产放在重要位置。

在对抗冲击钢板的开发上，根据不同的防护目标，材质选用上也略有差别。如防弹运钞车、反恐、防爆及维和、警用轻建车辆用防弹钢板，根据其生产工艺可分为两类：一类为热轧钢板，以瑞典的Swedish Steel AB公司生产的Domax Protect250、300为代表的钢板，除具有优良的防弹功能，其加工特性可焊型及冷弯性能良好，其抗拉强度大于900MPa，一般小于1000MPa；另一类热处理钢板以瑞典的Domax500为代表，这类钢板系热轧后通过热处理淬火而满足强度要求，其强度高，一般大于1500MPa，但加工性能可焊性能及冷弯性能远不如热轧钢板。

我国试制的抗冲击钢板多为淬火硬化钢，板形和加工性能不如热轧类钢板，而热轧类钢板完全被瑞典SSAB公司垄断，而且所售价格比较昂贵。所以开发自主知识产权的的热轧类钢板尤为急需和紧迫。

本发明考虑稀土在钢中的特殊作用，在所研制的钢中加入稀土元素，实现净化、除杂、改善夹杂物形态的作用，通过细晶强化、固溶强化作用，提高钢板强度、韧性，从而满足当前特种车辆对高防护性能材料的需求，开发出自主知识产权的的热轧类稀土抗冲击钢板。

发明内容

为解决上述问题，本发明通过成分优化设计与试验研究，制备得到一种易实现工业化生产的稀土抗冲击钢板。

本发明的一个目的在于提供一种高强、高韧、高硬度的稀土抗冲击钢板。

本发明的另一个目的在于提供上述稀土抗冲击钢板的制备方法。

本发明的技术方案是：一种稀土抗冲击钢板，其含有的化学元素成分及其质量百分比为：C 0.18～0.36％；Si 0.2～0.8％；Mn 0.75～1.5％；Cr 0.8～1.8％；Ni 1.5～2.3％；Mo 0.25～0.6％；V 0.15～0.25％；Nb 0.015～0.025％；P≤0.01％；S≤0.01％；RE0.006～0.01％；其余为Fe元素不可避免的杂质。

优选的，其含有的化学元素成分及其质量百分比为：C 0.35％；Si 0.3％；Mn0.9％；Cr 1％；Ni 2％；Mo 0.3％；V 0.18％；Nb 0.02％；P 0.006％；S 0.005％；RE0.006％；其余为Fe元素不可避免的杂质。

优选的，所述RE采用价格较低廉的La、Ce混合稀土。本发明利用稀土元素代替贵合金元素提高钢的强度、韧性及硬度，使其具备较高的抗冲击性能。

另外，本发明提供了稀土抗冲击钢的制备方法，按照如下步骤进行制备：

(1)冶炼：采用真空感应炉进行钢锭的冶炼，具体工艺包括：装料、熔化、精炼、合金化和脱氧、浇注；

(2)锻造：将熔炼好的钢锭加热至1250℃～1300℃保温6～8h进行锤锻，锻造采用700Kg空气锤，初锻温度1150℃～1180℃，终锻温度950℃～970℃；成型钢坯尺寸为：140mm×140mm×200mm；

(3)轧制：将140mm×140mm×200mm的钢坯加热至1280℃～1330℃，保温1h～2h，出炉后进行轧制，轧制分为4道次进行，将140mm厚的钢坯轧制成30mm厚的钢板，冷却，再加热至1100℃～1150℃，保温20min，出炉后分两道次将钢板轧制成8mm～12mm厚；

(4)热处理：为保证钢板具有较好的强韧性，采用正火+淬火+回火的热处理工艺，热处理后钢板的显微组织为回火马氏体。

本发明具有以下有益的效果：

(1)本发明的稀土抗冲击钢，在成分设计中，采用La、Ce廉价稀土元素，代替贵重合金元素的加入，降低了生产成本，提高了抗冲击性能，从而满足当前特种车辆对防护材料高综合性能、低成本的市场需求；

(2)应用了稀土元素在钢中的细晶强化、固溶强化及微合金化等作用，提高钢的强度及韧性，得到的钢板屈服强度为：1350MPa～1480MPa，抗拉强度1550MPa～1750MPa，延伸率为：12％～14％，常温冲击性能(u型缺口)：55～60J，低温冲击性能(-40℃，u型缺口)：30～38J，布氏硬度HBS：450～550，抗弹性能达到中华人民共和国公共安全行业标准GA 164-2005中“箱体或防弹钢板”C级。可满足当前防弹运钞车、反恐、防爆及维和车辆等警用轻型车辆的防护需求。

附图说明

图1为本发明实施例1中稀土抗冲击钢与不含稀土抗冲击钢进行金相显微组织照片对比，该组照片显示了热处理后钢的显微组织均为马氏体组织，且加入稀土使马氏体组织得到细化；其中：a为不含稀土钢板马氏体组织；b为加入稀土钢板马氏体组织；

图2为本发明实施例1中稀土抗冲击钢晶粒度与不含稀土钢晶粒度对比的显微照片；其中：a为不含稀土钢板晶粒度；b为稀土钢板晶粒度；

图3为本发明实施例1中含稀土抗冲击钢与不含稀土抗冲击钢室温冲击断口韧窝内的夹杂物及所对应的EDS图谱；其中：a为不含稀土抗冲击钢室温冲击断口韧窝内的夹杂物；b为不含稀土抗冲击钢室温冲击断口韧窝内EDS图谱；c为含稀土抗冲击钢室温冲击断口韧窝内的夹杂物；d为含稀土抗冲击钢室温冲击断口韧窝内EDS图谱；该图显示稀土在钢中以固溶态存在，且可使夹杂物变质。

具体实施方式

以下实施例仅为本发明一些最优的实施方式，并不对前述发明范围和技术手段有任何限制。

本发明实施例中进行熔炼采用的真空熔炼设备为50Kg真空感应炉；采用的锻造设备为700Kg锻锤；采用的轧机为Ф450mm×450mm可逆式轧机；轧制过程中轧制表面温度的测量采用红外测温仪，高温仪测温范围-50℃～1600℃；本发明实施例中钢板热处理采用的是箱式电阻炉，额定功率为8KW，额定电压380V，额定温度1350℃。

本发明实施例中，试样的切取均沿钢板轧制方向，采用电火花切割，切好的试样用砂纸进行磨光，然后在电抛光机上进行抛光，达到抛光要求后，用无水乙醇对试样表面进行清洗，放置表面污染，用吹风机吹干，等待腐蚀。

本发明实施例中，采用的腐蚀剂为4％的硝酸酒精溶液，然后用金相显微镜进行组织形貌观察。

本发明实施例中，根据ASTM E8/E8M标准将热处理后的试验钢加工成拉伸试样，沿轧制方向切取试样并用砂纸进行打磨。

本发明实施例中，沿轧制方向切取试样，经过磨床加工成15mm×10mm×7.5mm的样块进行扫描电镜观察。

实施例1

一种稀土抗冲击钢板，按照C 0.35％；Si 0.3％；Mn 0.9％；Cr 1％；Ni 2％；Mo0.3％；V 0.18％；Nb 0.02％；P 0.006％；S 0.005％；RE 0.006％；其余为Fe元素不可避免的杂质成分进行配料，并完成如下制备工艺：

(1)冶炼：采用真空感应炉进行钢锭的冶炼，具体工艺包括：装料、熔化、精炼、合金化和脱氧、浇注；

(2)锻造：将熔炼好的钢锭加热至1250℃保温8h进行锤锻，锻造采用700Kg空气锤，初锻温度1150℃，终锻温度950℃；成型钢坯尺寸为：140mm×140mm×200mm；

(3)轧制：将140mm×140mm×200mm的钢坯加热至1280℃，保温1h，出炉后进行轧制，轧制分为4道次进行，将140mm厚的钢坯轧制成30mm厚的钢板，冷却，再加热至1100℃，保温20min，出炉后分两道次将钢板轧制成10mm厚；

4)热处理：为保证钢板具有较好的强韧性，采用正火+淬火+回火的热处理工艺，热处理后钢板的显微组织见图1，为回火马氏体，从图1(a)、(b)可以看出，热处理后钢的金相组织均为回火马氏体和少量残留奥氏体组织，马氏体形态主要为片状和少量的针状，但试验钢(a)中的组织比试验钢(b)中较粗大，说明稀土有使钢组织细化的作用，从而使之具备更好的强韧性。

对比不加稀土与加入稀土钢的晶粒度，如图2(a)、(b)所示，不难发现不加稀土钢的晶粒比含稀土钢较粗大。依据GB/T6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》对其晶粒度评级，不加稀土钢的晶粒度为4.5级～8.5级，加入稀土钢的晶粒度为7级～10级，由此说明在所制备的抗冲击钢混合稀土La、Ce，能起细化晶粒的作用，进而使钢的组织细化。这是因为稀土属于表面活性物质，容易在晶界发生吸附，使晶界表面张力降低，晶核在晶界形成所需的驱动力降低，从而易于形核；另一方面，在钢液中产生的大量微小高熔点稀土化合物易在晶界面上偏聚，阻碍了晶粒长大，从而细化钢的晶粒，起到细晶强化的作用。

可以看出，在未添加稀土的1#试验钢中，夹杂物的形状为长条状，长度大小约为6μm，对应能谱图中所含的元素主要为Mn、S、C、Fe等，可知夹杂物主要为MnS夹杂；

通过扫描对比含稀土与不含稀土抗冲击钢室温冲击断口韧窝内的夹杂物及所对应的EDS图谱，从图3可知在添加稀土0.04％的试验钢中，夹杂物的形状为椭圆状，其长轴大小约为2μm，较不含稀土试验钢长度减少了4μm，其对应能谱图中所含元素主要为O、Ce、Fe、La、S等，由此说明，钢中加入混合稀土后，稀土La、Ce以固溶态存，并可与钢液中的[O]、[S]反应生成Ce2O3、Ce2O2S、La2O2S等稀土氧化物、硫氧化物，从而使夹杂物变性。

实施例2

一种稀土抗冲击钢板，按照C 0.35％；Si 0.3％；Mn 0.9％；Cr 1％；Ni 2％；Mo0.3％；V 0.18％；Nb 0.02％；P 0.006％；S 0.005％；RE 0.0075％；其余为Fe元素不可避免的杂质成分进行配料，并完成如下制备工艺：

(1)冶炼：采用真空感应炉进行钢锭的冶炼，具体工艺包括：装料、熔化、精炼、合金化和脱氧、浇注；

(2)锻造：将熔炼好的钢锭加热至1270℃保温8h进行锤锻，锻造采用700Kg空气锤，初锻温度1160℃，终锻温度955℃；成型钢坯尺寸为：140mm×140mm×200mm；

(3)轧制：将140mm×140mm×200mm的钢坯加热至1290℃，保温1h，出炉后进行轧制，轧制分为4道次进行，将140mm厚的钢坯轧制成30mm厚的钢板，冷却，再加热至1120℃，保温20min，出炉后分两道次将钢板轧制成9.7mm厚；

(4)热处理：为保证钢板具有较好的强韧性，采用正火+淬火+回火的热处理工艺，热处理后钢板的显微组织为回火马氏体。

实施例3

一种稀土抗冲击钢板，按照C 0.35％；Si 0.3％；Mn 0.9％；Cr 1％；Ni 2％；Mo0.3％；V 0.18％；Nb 0.02％；P 0.006％；S 0.005％；RE 0.009％；其余为Fe元素不可避免的杂质成分进行配料，并完成如下制备工艺：

(1)冶炼：采用真空感应炉进行钢锭的冶炼，具体工艺包括：装料、熔化、精炼、合金化和脱氧、浇注；

(2)锻造：将熔炼好的钢锭加热至1270℃保温8h进行锤锻，锻造采用700Kg空气锤，初锻温度1170℃，终锻温度960℃；成型钢坯尺寸为：140mm×140mm×200mm；

(3)轧制：将140mm×140mm×200mm的钢坯加热至1300℃，保温1h，出炉后进行轧制，轧制分为4道次进行，将140mm厚的钢坯轧制成30mm厚的钢板，冷却，再加热至1130℃，保温20min，出炉后分两道次将钢板轧制成9.3mm厚；

(4)热处理：为保证钢板具有较好的强韧性，采用正火+淬火+回火的热处理工艺，热处理后钢板的显微组织为回火马氏体。

实施例4

一种稀土抗冲击钢板，按照C 0.35％；Si 0.3％；Mn 0.9％；Cr 1％；Ni 2％；Mo0.3％；V 0.18％；Nb 0.02％；P 0.006％；S 0.005％；RE 0.01％；其余为Fe元素不可避免的杂质成分进行配料，并完成如下制备工艺：

(1)冶炼：采用真空感应炉进行钢锭的冶炼，具体工艺包括：装料、熔化、精炼、合金化和脱氧、浇注；

(2)锻造：将熔炼好的钢锭加热至1280℃保温8h进行锤锻，锻造采用700Kg空气锤，初锻温度1180℃，终锻温度965℃；成型钢坯尺寸为：140mm×140mm×200mm；

(3)轧制：将140mm×140mm×200mm的钢坯加热至1330℃，保温1h，出炉后进行轧制，轧制分为4道次进行，将140mm厚的钢坯轧制成30mm厚的钢板，冷却，再加热至1150℃，保温20min，出炉后分两道次将钢板轧制成9mm厚；

(4)热处理：为保证钢板具有较好的强韧性，采用正火+淬火+回火的热处理工艺，热处理后钢板的显微组织为回火马氏体。

实施例5

一种稀土抗冲击钢板，按照C 0.3％；Si 0.28％；Mn 0.9％；Cr 1％；Ni 2.2％；Mo0.38％；V 0.2％；Nb 0.02％；P 0.006％；S 0.005％；RE 0.06％；其余为Fe元素不可避免的杂质成分进行配料，并完成如下制备工艺：

(1)冶炼：采用真空感应炉进行钢锭的冶炼，具体工艺包括：装料、熔化、精炼、合金化和脱氧、浇注；

(2)锻造：将熔炼好的钢锭加热至1280℃保温8h进行锤锻，锻造采用700Kg空气锤，初锻温度1180℃，终锻温度965℃；成型钢坯尺寸为：140mm×140mm×200mm；

(3)轧制：将140mm×140mm×200mm的钢坯加热至1330℃，保温1h，出炉后进行轧制，轧制分为4道次进行，将140mm厚的钢坯轧制成30mm厚的钢板，冷却，再加热至1150℃，保温20min，出炉后分两道次将钢板轧制成9mm厚；

(4)热处理：为保证钢板具有较好的强韧性，采用正火+淬火+回火的热处理工艺，热处理后钢板的显微组织为回火马氏体。

实施例1～5中所制备稀土抗冲击钢板力学性能见表1。

表1

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种稀土抗冲击钢板，其特征在于，其含有的化学元素成分及其质量百分比为：C0.18～0.36％；Si 0.2～0.8％；Mn 0.75～1.5％；Cr 0.8～1.8％；Ni 1.5～2.3％；Mo 0.25～0.6％；V 0.15～0.25％；Nb 0.015～0.025％；P≤0.01％；S≤0.01％；RE 0.006～0.01％；其余为Fe元素不可避免的杂质。

2.按照权利要求1所述的一种稀土抗冲击钢板，其特征在于，其含有的化学元素成分及其质量百分比为：C 0.35％；Si 0.3％；Mn 0.9％；Cr 1％；Ni 2％；Mo 0.3％；V 0.18％；Nb0.02％；P 0.006％；S 0.005％；RE 0.006％；其余为Fe元素不可避免的杂质。

3.按照权利要求1所述的一种稀土抗冲击钢板，其特征在于，所述RE采用La、Ce混合稀土。

4.一种权利要求1所述稀土抗冲击钢板的制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行制备：

(1)冶炼：采用真空感应炉进行钢锭的冶炼，具体工艺包括：装料、熔化、精炼、合金化和脱氧、浇注；

(2)锻造：将熔炼好的钢锭加热至1250℃～1300℃保温6～8h进行锤锻，锻造采用700Kg空气锤，初锻温度1150℃～1180℃，终锻温度950℃～970℃；成型钢坯尺寸为：140mm×140mm×200mm；

(3)轧制：将140mm×140mm×200mm的钢坯加热至1280℃～1330℃，保温1h～2h，出炉后进行轧制，轧制分为4道次进行，将140mm厚的钢坯轧制成30mm厚的钢板，冷却，再加热至1100℃～1150℃，保温20min，出炉后分两道次将钢板轧制成8mm～12mm厚；

(4)热处理：为保证钢板具有较好的强韧性，采用正火+淬火+回火的热处理工艺，热处理后钢板的显微组织为回火马氏体。