CN1102671C

CN1102671C - 高性能抗冲击钢

Info

Publication number: CN1102671C
Application number: CN00136243A
Authority: CN
Inventors: 董瀚; 时捷; 王琪
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2000-12-25
Filing date: 2000-12-25
Publication date: 2003-03-05
Anticipated expiration: 2020-12-25
Also published as: CN1308144A

Abstract

本发明属于低合金钢领域。特别适用于制作抗拉强度范围为1900-2273MPa，同时还具有良好综合性能和优良深冲性能的高性能抗冲击钢。该钢的化学成份为C 0.3-0.6%，Si 0.1-2.3%，Mn 0.2-2.0%，Ni 1.0-4.0%，Zr0.01-0.1%，RE 0.004-0.009%，P≤0.05%，S≤0.020%，Al≤0.01%，Cu≤0.2%，Ca≤0.02%，Cr 0.1-2.0%，Mo和W中任意一种和两种之和为0.2-1.5%，V、Nb、Ti、B中任意一种和两种以上之和为0.02-0.6%，其余为Fe。该钢与现有技术相比较具有综合性能好，抗拉强度高，而且还有良好的工艺性能和优良的深冲性能。

Description

高性能抗冲击钢

本发明属于低合金钢领域。主要适用于制作抗拉强度范围为1900-2273MPa，同时具有良好综合性能和优良深冲性能的高性能抗冲击钢。

防弹(刺)背心、盾牌、防护头盔及运钞防弹车辆，均对自身的重量有严格的要求，这样就要求所使用抗冲击钢板具有高抗冲击等级，同时还满足一定的工艺性能要求。对于防护头盔用防弹薄钢板不仅要求所用抗冲击钢板要薄，同时还要求要有优良的深冲性能，以便能够顺利成型保持较高的成材率。同时还要求抗冲击钢板具有良好的经济性。

目前国内常用抗冲击钢板如616钢、232钢盔用钢、F601抗冲击钢板都存在着一定的不足，如616钢强度较低，抗冲击性能差，而F601抗冲击钢板虽然工艺性能较好，但抗拉强度的等级仅为1700MPa级，也限制了其抗冲击性能的发挥。而国内早期开发的232钢盔用钢，虽然从理论上讲抗拉强度可以处理到2000MPa级，但当达到如此高强度后，钢板的塑性和韧性急剧下降，反而使抗冲击性能大幅下降，故目前只处理成1700MPa级使用，且其工艺性能和抗冲击性能均较F601抗冲击钢板差。

国内外研究表明，随着钢板硬度的增加，抗冲击性能显著提高。为此，先进国家都致力于发展超高硬度抗冲击钢板。当抗冲击钢板的强度等级为2000MPa级，利用钢板的超高硬度使冲击物体产生严重变形，从而加重消耗冲击物体的冲击能量，并破坏其侵彻稳定性，使钢板的抗冲击性能显著提高。但过去在探求超高抗冲击性能钢板的研究过程中，一直没能解决由于硬度的大幅度提高而使抗冲击钢板韧性降低，最终导致抗冲击性能大幅度下降的问题，从而限制了2000MPa级超高硬度抗冲击钢板的生产。

日本专利昭60-169654钢为复合铸钢，通过内外层合金元素的不同，调整提高成品材料的耐磨性和高温强度，以满足汽缸衬套的需求，而其强度及塑韧性均非常低无法达到抗冲击性能要求，在本技术领域中不能使用。昭58-123859钢为高温工具钢，主要通过合金元素及热处理工艺在调整材料的残余奥氏体的含量改善钢的耐磨性和韧性，并且该钢要求加入一定量的Cu以提高钢的抗氧化性和蠕变性能，而在该钢中，Cu含量是要求严格控制的。再有钢中还加入0.03-0.4％的S，其目的是提高钢的易切削性能，但也严重损坏钢的韧性与塑性。同时该钢的强度和韧性配比极差，根本无法满足抗冲击性能要求而不适用于本领域。

本发明的目的在于提出一种在具有良好的塑性和韧性的前提下，抗拉强度达到2000MPa级，并具有优良性能和良好的工艺性能的超高性能抗冲击钢。

根据上述目的，本发明所采用的技术方案是：(1)合理的合金成分设计，满足钢板力学性能、淬透性、工艺性能以及经济性要求。(2)满足经济纯净度要求，控制P、S、O、N、H的含量，以保证钢板的塑性和韧性，以及焊接和切割性能的要求，同时也保证了钢板的经济性。(3)通过Ca处理改变钢中S化物夹杂形态，提高钢板的抗冲击性能和保证球化退火态时具有良好的塑性。(4)加入少量V、Nb、Zr等元素，生成弥散细小的碳氮化物以细化奥氏体晶粒，提高钢的强度和韧性，同时Zr与钢中的S作用，减少S的危害，明显改善了钢的抗冲击性能。(5)通过W、Ti、Mo的作用固定N、P、S和抑制氢的扩散，从而改善钢的塑性和韧性。(6)通过B来提高钢的淬透性，使钢板在合金含量较低的条件下，保证在空气中可完全淬透。根据上述内容，我们所提出的本发明钢具体化学成分(重量％)如下：C：0.30-0.60％，Si：0.10-2.30％，Mn：0.20-2.00％，P：≤0.050％，S：≤0.020％，Cr：0.10-2.00％，Mo和W添加其中任意一种和两种之和：0.20-1.50％，Ni：1.00-4.00％，Zr：0.01-0.10％，V、Nb、Ti、B中必须添加其中一种和其它三种中任意元素之和的含量为：0.02-0.60％，RE 0.004-0.009％，Al：≤0.01％，Cu：≤0.20％，Ca≤0.02％，其余为Fe。

各元素的作用及配比依据如下：

C：淬火、回火后为了获得所需的高强度，C含量须在0.30％以上，但过多的C含量会恶化钢的塑性和韧性，以及钢的工艺性能，因而C含量控制为0.30-0.60％。

Si：当含量控制在0.10-0.40％时，主要是用于脱氧剂。但在钢中加入1～2.3％Si可使回火马氏体脆性低谷向高温方向移动，使中碳马氏体钢可以在中温范围回火，此时强度并不明显下降，而塑性与韧性有较大幅度的提高。Si并不推迟ε碳化物的形成，但对Fe₃C的形成有阻碍作用。ε碳化物的沉淀对强度的削弱不大，但Fe₃C的形成和第一类回火脆性有密切的关系。

Mn：Mn是脱氧的有效元素，还可以提高钢的淬透性和强度，但Mn含量过高时，有使钢晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性，因而控制Mn含量在2.00％以下。

P：P能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，所以控制P的含量在0.050％以下。

S：不可避免的不纯物，形成MnS夹杂和在晶界偏析会恶化钢的塑性和韧性降低，因而控制其含量在0.020％以下。

Cr：能够有效地提高钢的淬透性和回火抗力，以获得所需的高强度。含量小于0.50％难以起到上述作用，但含量超过2.0％则会恶化钢的韧性和冷加工性。

Ni：有固溶强化的作用，但最主要的是改善钢的韧性，特别对低温韧性有良好的作用。

Mo和W：有效地提高钢的淬透性和回火抗力的同时，还能够强化晶界，降低回火脆性。含量小于0.20％难以起到上述作用，但含量超过1.50％则上述作用效果饱和，且成本较高。

V：能够细化晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性，并进一步提高钢的强度和韧性。V含量太少则难以起到上述作用，但含量超过0.40％则作用饱和。

Al：能够有效地脱氧和细化晶粒，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.10％则作用饱和，且形成的粗大氧化铝夹杂会恶化钢的韧性。

Nb：有细化晶粒和提高钢的韧性效果，但含量超过0.10％则作用饱和。

Zr：能细化钢的奥氏体晶粒，与S能化合成ZrS，防止钢的热脆性。Zr还能提高钢的低温韧性，但Zr在钢中的溶解度很小，且价格昂贵，一般含量不超过0.10％。

Ti：除细化晶粒、析出强化和固定N、S的作用外，弥散析出的TiC是钢中陷阱能最高的氢陷阱，能够捕集氢使其均匀地分散在晶内，抑制氢的扩散，从而改善钢的塑性和韧性。Ti含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.10％则作用饱和。

B：B在钢中的主要用途是增加钢的淬透性，从而节约其他较贵重的合金元素，如Ni、Cr、Mo等。

Ca：Ca能改变钢中的硫化物夹杂的形态，使之球化的作用，其含量应控制在0.020％以下。

RE：有脱氧脱硫和对非金属夹杂物变性处理的作用和减少氢及其它有害元素在晶界上的偏聚，提高钢的晶界强度。RE含量小于0.004％，起不到上述作用，但含量超过0.009％，则由于夹杂物增多，反而恶化钢的组织性能。控制其含量在0.004-0.009％。

本发明钢可采用电弧炉、感应炉、真空感应炉冶炼，浇铸成钢锭或连铸成坯，经950-1250℃轧制成板材产品，然后进行退火。钢板在经800-1150℃奥氏体化后进行淬火(可空淬、油淬和水淬)，然后进行150-300℃回火处理。

本发明抗冲击钢与现有技术钢种相比较具有优良的强度和韧性配比，最大抗拉强度为2273MPa，远远大于目前所用的抗拉强度为1700MPa的抗冲击钢板。其穿甲机理已由原1700MPa级抗冲击钢板通过钢板的塑性变形能来消耗冲击物体能量的理论转变到利用钢板的超高硬度使冲击物体严重变形，从而导致冲击物体能量的严重消耗和干拢冲击物体侵彻稳定性，与目前所用抗冲击钢板抗冲击性能相比本发明钢不但有良好的综合性能，而且抗拉强度达2200Mpa以上，同时还具有优良的深冲性能和良好的工艺性能。

实施例

采用本发明合金成份范围共冶炼了几种成份的合金，在表1中序号1-2为本发明合金成份，其中序号1、2号是采用200kg真空感应炉冶炼，为对比方便，我们同时冶炼了几炉最相近的抗冲击钢材料，其序号为3、4本发明钢锭在1100℃轧制成板材后再进行退火处理，本发明钢的热处理是在900℃保温后采用油淬火，然后进行200℃回火处理。其性能见表2。在本发明的实施例对比中，表1为本发明实施例与现有技术钢的成份对比。表2为本发明实施例与对比钢经回火处理后力学性能的对比。在表1表2中序号1-2为本发明钢，序号3为232抗冲击钢，序号4为616抗冲击钢，通过对比可看出本发明钢具有超高硬度的同时又具有良好的塑性和韧性，能够保证本发明钢板在冲击物体冲击下不崩落和钢板在多次冲击物体的冲击而不产生通裂，能有效的减少抗冲击钢板后在面支持物所受的冲击力。另外本发明钢在机械加工，焊接、火焰切割和冷塑性变形均优于现有技术钢。表1 本发明实施例与现有技术钢成份对比(重量％)

钢种	编号	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	P	S	Zr	Nb	V	W	RE	Ti	B	Fe
钢种	编号	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	P	S	Zr	Nb	V	W	RE	Ti	B	Fe	本发明钢种	1	0.35	0.14	0.82	1.34	3.46	0.32	0.010	0.005	0.02	-	-	0.61	0.004	-	-	余
2	0.39	1.42	0.80	0.94	1.19	0.36	0.009	0.006	0.06	-	0.17	-	0.009	-	-	余			1	0.35	0.14	0.82	1.34	3.46	0.32	0.010	0.005	0.02	-	-	0.61	0.004	-	-	余
2	0.39	1.42	0.80	0.94	1.19	0.36	0.009	0.006	0.06	-	0.17	-	0.009	-	-	余	对比钢种		3	0.40	1.40	0.90	1.10	0.42	0.40	0.018	0.015	-	-	-	-	0.08	-	-	余
4	0.23	0.85	1.75	-	-	-	0.013	0.009	-	-	-	-	-	0.05	0.0027	余			3	0.40	1.40	0.90	1.10	0.42	0.40	0.018	0.015	-	-	-	-	0.08	-	-	余

表2 本发明实施例与现有技术力学性能对比

钢种	编号	回火温度℃	σ_bMPa	σ_0.2MPa	δ％	ψ％	Akv(-40℃)J	HRC
钢种	编号	回火温度℃	σ_bMPa	σ_0.2MPa	δ％	ψ％	Akv(-40℃)J	HRC	本发明钢种	2	200	1956	1503	15	63	26	53
4	200	2040	1543	11	48	17	54			2	200	1956	1503	15	63	26	53
4	200	2040	1543	11	48	17	54	对比钢种		11	230	1764	1426	7	40	-	51
12	200	1400	1100	10	46	12	40			11	230	1764	1426	7	40	-	51

Claims

1、一种高性能抗冲击钢，其特征在于该钢的具体化学成份为(重量％)C 0.3-0.6％，Si 0.1-2.3％，Mn 0.2-2.0％，Ni 1.0-4.0％，Zr 0.01-0.1％，RE 0.004-0.009％，P≤0.05％，S≤0.02％，Al≤0.01％，Cu≤0.2％，Ca≤.02％，Cr 0.1-2.0％，Mo和W中任意一种为0.2-1.5％，V、Nb、Ti、B中任意一种为0.02-0.6％，其余为Fe。

2、根据权利要求1所述合金，其特征是在该合金成份中添加的Mo和W两种元素之和为0.20-1.50％。

3、根据权利要求1所述合金，其特征是在该合金成份中添加的V、Nb、Ti、B中的三种中任意元素之和为0.02-0.60％。