CN110343965A - 一种高强度异型钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于异型钢技术领域，具体涉及一种高强度异型钢及其制备方法。本发明的高强度异型钢包括以下重量份数的组分组成：碳：0.3～0.95％，硼：0.01～0.1％，硅：1.05～2.5％，铁：70～85％，钨：8.2～10％，钼：1.1～2.5％，铬：25～40％，此外还包括有钒、铌，且组分含量满足5.6W碳＝1.2W钒+4.3W铌，W钒≤0.9％。通过把钢坯预处理、等温球化退火、压缩、成型、定型、淬火和多次回火工艺，得到本发明的高强度异型钢。通过本发明工艺所制备得到的高强度异型钢的抗拉强度在966～985Mpa之间，屈服强度在762～789Mpa之间，硬度可达到68～86HSD，具有优异的物理性能。

Description

一种高强度异型钢及其制备方法
技术领域
本发明属于异型材料加工技术领域，具体涉及一种高强度异型钢及其制备方法。
背景技术
异型钢是复杂和异型断面型钢的简称，属于型钢的一种。异形钢广泛用于航空、汽车、造船、矿山机械、农业机械、建筑、轻纺以及锅炉制造等方面，如房梁、桥梁、输电塔、起重运输机械、船舶、工业炉、反应塔、容器架以及仓库货架等，我国作为生产异型钢的大国之一，具有非常广阔的市场前景。异型钢材作为广泛地用于各种建筑结构和工程结构的材料，由于要在非常复杂的环境中使用，因此要求异型钢材料具有高强度、高硬度性能等特点，但目前制造的异型钢强度、硬度均有限，导致其应用范围受限。
异型钢的加工根据工艺的不同，可分为热轧异型钢、冷拔(冷拉)异型钢、冷弯异型钢、焊接异型钢等。通常异型钢特指热轧异型钢，热轧异型钢是目前使用最广泛的异型钢加工工艺之一，其有着低成本、制备工艺简单等优势，但对于热轧异型钢而言，不同的热处理工艺参数对钢组织的机械和力学性能有着非常重要的影响。
专利文献CN 103451563A公开了一种高强度无缝异型钢及其制备工艺，该专利文献的异型钢通过由铁、碳、铝、钛、银、镍、铬、锰、锆、硼、钇、镱等化学元素组成，该工艺通过表面处理，对异型钢进行去油、酸洗和修磨刨皮，通过加热处理，将异型钢加热至300～400℃，然后保温1.0～1.5h，再加热至680～750℃，再保温1.5～2.0h，后冷却至300～380℃，再慢慢冷却至室温。通过上述加工工艺，能够大大提高异型钢的强度，制备成本低。
专利文献CN 103589968 A公开了一种增强型无缝异型钢及其制备工艺，该制备工艺首先通过对钢进行表面处理，即对钢表面进行酸洗、磷化和皂化处理，然后再在700～800℃下进行淬火加热处理，再急速冷却至250～300℃，保温后即可。制备得到的异型钢机械性能优良，使用寿命长，制备工艺简单。
上述专利文献的技术方案虽然能够得到制备工艺简单的异型钢，但由于其热处理工艺过于粗糙，导致异型钢的硬度、强度和冲击性能不能满足高强度机械设备如工业炉、反应塔的应用环境要求。因此，改进异型钢的化学成分以及其制备工艺就显得非常有必要了。
发明内容
为了克服现有技术中异型钢硬度和强度不足的问题，本发明提供了一种高强度异型钢及其制备方法。
本发明提供的一种高强度异型钢，包括以下重量份的化学成分：包括以下重量份的化学成分：碳：0.3～0.95％，硼：0.01～0.1％，硅：1.05～2.5％，钨：8.2～10％，钼：1.1～2.5％，铬：25～40％，还包括钒、铌，各组分含量满足以下关系式：5.6W碳＝1.2W钒+4.3W铌，W钒≤0.9％，余量为铁，其中，W指的是百分含量。
进一步地，所述高强度异型钢包括以下重量份的化学成分：所述高强度异型钢包括以下重量份的化学成分：碳：0.2～0.83％，硼：0.015～0.09％，硅：1.3～2.2％，钨：8.6～9.5％，钼：1.6～2.1％，铬：30～35％，还包括钒、铌，各组分含量满足以下关系式：5.6W碳＝1.2W钒+4.3W铌，W钒≤0.9％，余量为铁，其中，W指的是百分含量。
本发明的异型钢含有锰、钨、钼和铌等化学成分，化学成分间能够很好地发挥协同作用，通过细化材料晶粒，促进碳化物细化，从而增强异型钢的力学强度。
本发明还提供了一种高强度异型钢的制备方法，包括以下步骤：
S1、钢坯预处理：将钢坯放入含清洗剂的水溶液中，所述清洗剂的浓度为1～3wt％，超声清洗5～8min，后用70～90℃水浸泡5～10min，取出，烘干；
申请人发现先将钢坯在酸性清洗剂中进行清洗烘干后再进行下一步的操作可以使得钢坯表面存在的碎屑、金属和非金属元素等杂质得以去除，防止其在后续热处理工艺中带入异型钢组织内部，更好地稳定其显微组织结构，防止杂质在后续奥氏体转化过程中带入杂质导致制备得到的异型钢力学性能下降。
S2、等温球化退火：取步骤S1所述的钢坯在780～850℃下进行等温球化退火处理，时间为6～8h；
申请人发现将钢坯先进行等温球化退火可以使得钢坯受热更均匀，防止钢坯因为内部组织应力不均匀导致硬度下降。
S3、热压缩：将步骤S2所述等温球化退火处理的钢坯进行热压缩，所述热压缩温度为1100～1300℃，压缩应变速率为0.05～0.12/s，时间为15～30min，得到热压缩钢坯；
申请人发现把热压缩温度设计为1100～1300℃，压缩应变速率设计为0.05～0.12/s时，钢坯热压缩能够缓慢地进行，不会因为压缩速度过快导致钢坯内部应力集中而损坏，同时也能够保持一定的压缩效率，减少工艺所耗费的时间。
S4、热轧成型：将步骤S3所述的热压缩钢坯在1200～1300℃进行热轧成型，得热轧钢坯；
S5、热弯定型：将步骤S4所述的热轧钢坯在650～750℃下进行热弯定型，得热弯定型钢坯；
S6、淬火：将步骤S5所述的热弯定型钢坯在650～850℃下进行第一次升温，升温速率为20℃/min，保温10～15min，接着在850～1280℃下进行第二次升温，升温速率为40℃/min，保温12～20min；
申请人发现，热弯定型后的钢坯在650～850℃下开始进行奥氏体转化，奥氏体转变为马氏体本身就是一个体积膨胀的过程，在热处理过程中，固态的体积膨胀，导致内应力的产生，如果内应力超过钢的屈服强度就会变形，超过钢的强度极限就会开裂，所以在奥氏体转换开始阶段，升温速率必须控制在20℃/min，接着再进行第二阶段的升温，这时的升温速率控制在40℃/min，通过终温设置在850～1280℃，可以使绝大部分的奥氏体转化为马氏体，二次升温工艺可以防止奥氏体转变过程中因体积过渡膨胀导致其硬度、强度等性能下降。
S7、回火：将步骤S6所述的钢坯冷却，进行回火处理，回火温度控制在700～750℃，保温时间为30～120min，回火次数为3次。
申请人发现淬火时由于内应力的存在，会使得钢坯内部结构中有少部分的奥氏体难以转化为马氏体，所以在钢组织内部存在着残余奥氏体，不稳定残余奥氏体的存在会使得钢材在使用一定时间后开裂，抗拉强度下降，使用寿命降低。多次回火能够使得残余的奥氏体得以转化，进一步消除钢材内部存在的应力，使得材料应力分布更加均匀。
进一步地，所述清洗剂包括以下重量份的组分制成：没食子酸：0.1～1份，聚乙烯吡咯烷酮：0.2～0.8份，聚乙二醇：0.2～10份，正丁醇：0.5～5份，N-甲基吡咯烷酮：2～10份。N-甲基吡咯烷酮是一种极性的非质子传递溶剂，沸点高、极性强、粘度低，溶解能力强、无腐蚀性、化学和热稳定性优良，用于清洗剂中能够很好地清除钢坯表面的油污，但其在强酸的环境下会发生分解，因此本发明的清洗剂采用没食子酸与其进行配合使用，可以进一步清除钢坯表面的金属杂质。其次，本发明清洗剂中的聚乙烯吡咯烷酮、正丁醇、聚乙二醇都具有极低的表面张力，其中正丁醇的表面张力在20℃时只有24.6mN/m，具有优异的表面油污清洁性能。
进一步地，所述聚乙二醇为聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇1000中的一种或多种。
进一步地，所述清洗剂包括以下重量份组分制成：没食子酸：0.5～0.8份，聚乙烯吡咯烷酮：0.3～0.5份，聚乙二醇200：5～8份，正丁醇：0.8～3份，N-甲基吡咯烷酮：3～8份。
进一步地，所述清洗剂包括以下重量份组分制成：没食子酸：0.5～0.8份，聚乙烯吡咯烷酮：0.3～0.5份，聚乙二醇1000：0.3～1.2份，正丁醇：0.8～3份，N-甲基吡咯烷酮：3～8份。
进一步地，所述步骤S6采用盐浴炉进行淬火操作。
与现有技术相比，本发明提供的一种高强度异型钢及其制备方法具有以下有益效果：
(1)本发明的异型钢采用碳、硼、硅、铁、钨、钼、铬、钒、铌作为异型钢的化学成分组分，且各组分含量满足以下关系式：5.6W碳＝1.2W钒+4.3W铌，W钒≤0.9％时，其硬度和强度最佳。
(2)本发明的异型钢在加工过程中通过引入清洗剂对钢坯进行预处理，可以更好地清洁钢坯表面存在的碎屑以及金属元素杂质，防止其在后续热处理工艺中带入异型钢组织内部，更好地稳定其显微组织，对于改善材料综合力学性能起到明显作用。
(3)本发明的异型钢的制备工艺为预处理、等温球化退火、压缩、成型、定型、淬火和多次回火，通过精准地控制其热处理工艺条件，在预处理后通过等温球化退火工艺先预热钢坯，通过降低钢坯内外温差从而可以降低材料内部应力，防止后续高温淬火后出现裂纹，导致异型钢材表面出现缺陷，可更好地提高了产品材料的成品率。此外，在后续淬火工艺中，通过控制合适的温度范围淬火，可以使得钢坯及时从奥氏体转化为马氏体，保证了异型钢的硬度和冲击强度，淬火后的回火工艺可以继续把异型钢内部的残余奥氏体进行转化，减少内部的应力，使得异型钢材的强度更加均匀，进而提高其在复杂环境中的使用寿命。
具体实施方式
以下通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以作出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
下面实施例中未注明具体条件者，按照常规条件进行即可，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
本发明实施例1提供了一种高强度异型钢，所述高强度异型钢由以下重量份的化学成分组成：碳：0.3kg，硼：0.01kg，硅：1.05kg，钨：8.2kg，钼：1.1kg，铬：25kg，钒：0.9kg，铌：0.14kg，铁：63.3kg。
实施例1的清洗剂由以下重量份的原料制备而成：没食子酸：1kg，聚乙烯吡咯烷酮：0.8kg，聚乙二醇200：10kg，正丁醇：5kg，N-甲基吡咯烷酮：1.2kg。
本实施例的高强度异型钢制备方法如下：
S1、钢坯预处理：将钢坯放入含清洗剂的水溶液中，所述清洗剂的浓度为3wt％，超声清洗5min，后用90℃水浸泡5min，取出，烘干；
S2、等温球化退火：取步骤S1所述的钢坯在780℃下进行8h等温球化退火处理；
S3、热压缩：将步骤S2所述等温球化退火处理的钢坯进行热压缩，所述热压缩温度为1100℃，压缩应变速率为0.05/s，时间为30min，得到热压缩钢坯；
S4、热轧成型：将步骤S3所述的热压缩钢坯在1200℃进行热轧成型，得热轧钢坯；
S5、热弯定型：将步骤S4所述的热轧钢坯在750℃下进行热弯定型，得热弯定型钢坯；
S6、淬火：将步骤S5所述的热弯定型钢坯在650℃下进行第一次升温，升温速率为20℃/min，保温15min，接着在850℃下进行第二次升温，升温速率为40℃/min，保温20min；
S7、回火：将步骤S6所述的钢坯冷却，进行回火处理，回火温度控制在700℃，保温时间为120min。
实施例2
本发明实施例1提供了一种高强度异型钢，所述高强度异型钢由以下重量份的化学成分组成：碳：0.95kg，硼：0.1kg，硅：2.5kg，钨：10kg，钼：2.5kg，铬：40kg，钒：0.2kg，铌：1.18kg，铁：42.57kg。
实施例2的清洗剂由以下重量份的原料制备而成：没食子酸：10kg，聚乙烯吡咯烷酮：0.2kg，聚乙二醇1000：0.2kg，正丁醇：0.5kg，N-甲基吡咯烷酮：2.5kg。
本实施例的高强度异型钢制备方法如下：
S1、钢坯预处理：将钢坯放入含清洗剂的水溶液中，所述清洗剂的浓度为1wt％，超声清洗8min，后用70℃水浸泡10min，取出，烘干；
S2、等温球化退火：取步骤S1所述的钢坯在850℃下进行6h等温球化退火处理；
S3、热压缩：将步骤S2所述等温球化退火处理的钢坯进行热压缩，所述热压缩温度为1300℃，压缩应变速率为0.12/s，时间为15min，得到热压缩钢坯；
S4、热轧成型：将步骤S3所述的热压缩钢坯在1300℃进行热轧成型，得热轧钢坯；
S5、热弯定型：将步骤S4所述的热轧钢坯在650℃下进行热弯定型，得热弯定型钢坯；
S6、淬火：将步骤S5所述的热弯定型钢坯在850℃下进行第一次升温，升温速率为20℃/min，保温10min，接着在1280℃下进行第二次升温，升温速率为40℃/min，保温12min；
S7、回火：将步骤S6所述的钢坯冷却，进行回火处理，回火温度控制在750℃，保温时间为30min。
实施例3
本发明实施例3提供了一种高强度异型钢，所述高强度异型钢由以下重量份的化学成分组成：碳：0.2kg，硼：0.015kg，硅：1.3kg，钨：8.6kg，钼：1.6kg，铬：30kg，钒：0.6kg，铌：0.09kg，铁：57.6kg。
实施例3的清洗剂由以下重量份的原料制备而成：没食子酸：5kg，聚乙烯吡咯烷酮：0.5kg，聚乙二醇1000：0.3kg，正丁醇：3kg，N-甲基吡咯烷酮：1.5kg。
本实施例的高强度异型钢制备方法如下：
S1、钢坯预处理：将钢坯放入含清洗剂的水溶液中，所述清洗剂的浓度为2wt％，，超声清洗6min，后用75℃水浸泡8min，取出，烘干；
S2、等温球化退火：取步骤S1所述的钢坯在800℃下进行7h等温球化退火处理；
S3、热压缩：将步骤S2所述等温球化退火处理的钢坯进行热压缩，所述热压缩温度为1250℃，压缩应变速率为0.10/s，时间为22min，得到热压缩钢坯；
S4、热轧成型：将步骤S3所述的热压缩钢坯在1280℃进行热轧成型，得热轧钢坯；
S5、热弯定型：将步骤S4所述的热轧钢坯在730℃下进行热弯定型，得热弯定型钢坯；
S6、淬火：将步骤S5所述的热弯定型钢坯在750℃下进行第一次升温，升温速率为20℃/min，保温12min，接着在1180℃下进行第二次升温，升温速率为40℃/min，保温15min；
S7、回火：将步骤S6所述的钢坯冷却，进行回火处理，回火温度控制在720℃，保温时间为85min。
实施例4
本发明实施例4提供了一种高强度异型钢，所述高强度异型钢由以下重量份的化学成分组成：碳：0.83kg，硼：0.09kg，硅：2.2kg，钨：9.5kg，钼：2.1kg，铬：35kg，钒：0.8kg，铌：0.86kg，铁：48.6kg。
实施例4的清洗剂由以下重量份的原料制备而成：没食子酸：8kg，聚乙烯吡咯烷酮：0.4kg，聚乙二醇400：6kg，正丁醇：3.5kg，N-甲基吡咯烷酮：1.6kg。
本实施例的高强度异型钢制备方法如下：
S1、钢坯预处理：将钢坯放入含清洗剂的水溶液中，所述清洗剂的浓度为1.5wt％，，超声清洗7min，后用80℃水浸泡6min，取出，烘干；
S2、等温球化退火：取步骤S1所述的钢坯在780℃下进行7.5h等温球化退火处理；
S3、热压缩：将步骤S2所述等温球化退火处理的钢坯进行热压缩，所述热压缩温度为1200℃，压缩应变速率为0.08/s，时间为25min，得到热压缩钢坯；
S4、热轧成型：将步骤S3所述的热压缩钢坯在1250℃进行热轧成型，得热轧钢坯；
S5、热弯定型：将步骤S4所述的热轧钢坯在700℃下进行热弯定型，得热弯定型钢坯；
S6、淬火：将步骤S5所述的热弯定型钢坯在700℃下进行第一次升温，升温速率为20℃/min，保温13min，接着在1050℃下进行第二次升温，升温速率为40℃/min，保温20min；
S7、回火：将步骤S6所述的钢坯冷却，进行回火处理，回火温度控制在725℃，保温时间为90min。
实施例5
本发明实施例5提供了一种高强度异型钢，所述高强度异型钢由以下重量份的化学成分组成：碳：0.62kg，硼：0.06kg，硅：1.5kg，铁：56.1kg，钨：9kg，钼：2kg，铬：30kg，钒：0.65kg，铌：0.63kg。
实施例5的清洗剂由以下重量份的原料制备而成：没食子酸：7kg，聚乙烯吡咯烷酮：0.3kg，聚乙二醇-400：1.2kg，正丁醇：0.8kg，N-甲基吡咯烷酮：2kg。
S1、钢坯预处理：将钢坯放入含清洗剂的水溶液中，所述清洗剂的浓度为2.5wt％，，超声清洗7min，后用80℃水浸泡8min，取出，烘干；
S2、等温球化退火：取步骤S1所述的钢坯在820℃下进行6.5h等温球化退火处理；
S3、热压缩：将步骤S2所述等温球化退火处理的钢坯进行热压缩，所述热压缩温度为1150℃，压缩应变速率为0.10/s，时间为20min，得到热压缩钢坯；
S4、热轧成型：将步骤S3所述的热压缩钢坯在1260℃进行热轧成型，得热轧钢坯；
S5、热弯定型：将步骤S4所述的热轧钢坯在720℃下进行热弯定型，得热弯定型钢坯；
S6、淬火：将步骤S5所述的热弯定型钢坯在820℃下进行第一次升温，升温速率为20℃/min，保温15min，接着在1240℃下进行第二次升温，升温速率为40℃/min，保温18min；
S7、回火：将步骤S6所述的钢坯冷却，进行回火处理，回火温度控制在700℃，保温时间为100min。
对比例1
本发明对比例1提供了一种高强度异型钢，所述高强度异型钢由以下重量份的化学成分组成：碳：0.83kg，硼：0.09kg，硅：2.2kg，铁：48.6kg，钨：9.5kg，钼：2.1kg，铬：35kg，钒：2.5kg，铌：0.22kg。对比例1与实施例相比，化学成分组成不满足5.6W碳＝1.2W钒+4.3W铌，W钒≤0.9％的要求。
对比例1的清洗剂由以下重量份的原料制备而成：没食子酸：8kg，聚乙烯吡咯烷酮：0.4kg，聚乙二醇400：6kg，正丁醇：3.5kg，N-甲基吡咯烷酮：1.6kg。
本实施例的高强度异型钢制备方法如下：
S1、钢坯预处理：将钢坯放入含清洗剂的水溶液中，所述清洗剂的浓度为1.5wt％，超声清洗7min，后用80℃水浸泡6min，取出，烘干；
S2、等温球化退火：取步骤S1所述的钢坯在780℃下进行7.5h等温球化退火处理；
S3、热压缩：将步骤S2所述等温球化退火处理的钢坯进行热压缩，所述热压缩温度为1200℃，压缩应变速率为0.08/s，时间为25min，得到热压缩钢坯；
S4、热轧成型：将步骤S3所述的热压缩钢坯在1250℃进行热轧成型，得热轧钢坯；
S5、热弯定型：将步骤S4所述的热轧钢坯在700℃下进行热弯定型，得热弯定型钢坯；
S6、淬火：将步骤S5所述的热弯定型钢坯在700℃下进行第一次升温，升温速率为20℃/min，保温13min，接着在1050℃下进行第二次升温，升温速率为40℃/min，保温20min；
S7、回火：将步骤S6所述的钢坯冷却，进行回火处理，回火温度控制在725℃，保温时间为90min。
对比例2
本发明对比例2提供了一种高强度异型钢，所述高强度异型钢由以下重量份的化学成分组成：碳：0.83kg，硼：0.09kg，硅：2.2kg，钨：9.5kg，钼：2.1kg，铬：35kg，钒：0.8kg，铌：0.86kg，铁：48.6kg。
本对比例的高强度异型钢制备方法如下：
S1、等温球化退火：取步骤S1所述的钢坯在780℃下进行7.5h等温球化退火处理；
S2、热压缩：将步骤S2所述等温球化退火处理的钢坯进行热压缩，所述热压缩温度为1200℃，压缩应变速率为0.08/s，时间为25min，得到热压缩钢坯；
S3、热轧成型：将步骤S3所述的热压缩钢坯在1250℃进行热轧成型，得热轧钢坯；
S4、热弯定型：将步骤S4所述的热轧钢坯在700℃下进行热弯定型，得热弯定型钢坯；
S5、淬火：将步骤S5所述的热弯定型钢坯在700℃下进行第一次升温，升温速率为20℃/min，保温13min，接着在1050℃下进行第二次升温，升温速率为40℃/min，保温20min；
S6、回火：将步骤S6所述的钢坯冷却，进行回火处理，回火温度控制在725℃，保温时间为90min。
对比例3
本发明对比例3提供了一种高强度异型钢，所述高强度异型钢由以下重量份的化学成分组成：碳：0.83kg，硼：0.09kg，硅：2.2kg，钨：9.5kg，钼：2.1kg，铬：35kg，钒：0.8kg，铌：0.86kg，铁：48.6kg。
对比例3的清洗剂由以下重量份的原料制备而成：没食子酸：8kg，聚乙烯吡咯烷酮：0.4kg，聚乙二醇400：6kg，正丁醇：3.5kg，N-甲基吡咯烷酮：1.6kg。
本对比例的高强度异型钢制备方法如下：
S1、钢坯预处理：将钢坯放入含清洗剂的水溶液中，所述清洗剂的浓度为1.5wt％，超声清洗7min，后用80℃水浸泡6min，取出，烘干；
S2、热压缩：将步骤S2所述等温球化退火处理的钢坯进行热压缩，所述热压缩温度为1200℃，压缩应变速率为0.08/s，时间为25min，得到热压缩钢坯；
S3、热轧成型：将步骤S3所述的热压缩钢坯在1250℃进行热轧成型，得热轧钢坯；
S4、热弯定型：将步骤S4所述的热轧钢坯在700℃下进行热弯定型，得热弯定型钢坯；
S5、淬火：将步骤S5所述的热弯定型钢坯在700℃下进行第一次升温，升温速率为20℃/min，保温13min，接着在1050℃下进行第二次升温，升温速率为40℃/min，保温20min；
S6、回火：将步骤S6所述的钢坯冷却，进行回火处理，回火温度控制在725℃，保温时间为90min。
对比例4
本发明对比例4提供了一种高强度异型钢，所述高强度异型钢由以下重量份的化学成分组成：碳：0.83kg，硼：0.09kg，硅：2.2kg，钨：9.5kg，钼：2.1kg，铬：35kg，钒：0.8kg，铌：0.86kg，铁：48.6kg。
对比例4的清洗剂由以下重量份的原料制备而成：没食子酸：8kg，聚乙烯吡咯烷酮：0.4kg，聚乙二醇400：6kg，正丁醇：3.5kg，N-甲基吡咯烷酮：1.6kg。
本对比例的高强度异型钢制备方法如下：
S1、钢坯预处理：将钢坯放入含清洗剂的水溶液中，所述清洗剂的浓度为1.5wt％，超声清洗7min，后用80℃水浸泡6min，取出，烘干；
S2、等温球化退火：取步骤S1所述的钢坯在780℃下进行7.5h等温球化退火处理；
S3、热压缩：将步骤S2所述等温球化退火处理的钢坯进行热压缩，所述热压缩温度为1200℃，压缩应变速率为0.08/s，时间为25min，得到热压缩钢坯；
S4、热轧成型：将步骤S3所述的热压缩钢坯在1250℃进行热轧成型，得热轧钢坯；
S5、热弯定型：将步骤S4所述的热轧钢坯在700℃下进行热弯定型，得热弯定型钢坯；
S6、淬火：将步骤S5所述的热弯定型钢坯在700℃下进行第一次升温，升温速率为20℃/min，保温13min，接着在1050℃下进行第二次升温，升温速率为40℃/min，保温20min；
对比例5
本发明对比例5提供了一种高强度异型钢，所述高强度异型钢由以下重量份的化学成分组成：碳：0.83kg，硼：0.09kg，硅：2.2kg，钨：9.5kg，钼：2.1kg，铬：35kg，钒：0.8kg，铌：0.86kg，铁：48.6kg。
对比例5的清洗剂由以下重量份的原料制备而成：没食子酸：8kg，聚乙烯吡咯烷酮：0.4kg，聚乙二醇400：6kg，正丁醇：3.5kg，N-甲基吡咯烷酮：1.6kg。
本对比例的高强度异型钢制备方法如下：
S1、钢坯预处理：将钢坯放入含清洗剂的水溶液中，所述清洗剂的浓度为1.5wt％，超声清洗7min，后用80℃水浸泡6min，取出，烘干；
S2、等温球化退火：取步骤S1所述的钢坯在780℃下进行7.5h等温球化退火处理；
S3、热压缩：将步骤S2所述等温球化退火处理的钢坯进行热压缩，所述热压缩温度为1200℃，压缩应变速率为0.08/s，时间为25min，得到热压缩钢坯；
S4、热轧成型：将步骤S3所述的热压缩钢坯在1250℃进行热轧成型，得热轧钢坯；
S5、热弯定型：将步骤S4所述的热轧钢坯在700℃下进行热弯定型，得热弯定型钢坯；
S6、淬火：将步骤S5所述的热弯定型钢坯升温至1050℃，升温速率为40℃/min，保温20min；
S7、回火：将步骤S6所述的钢坯冷却，进行回火处理，回火温度控制在725℃，保温时间为90min。
对比例6
本发明对比例6提供了一种高强度异型钢，所述高强度异型钢由以下重量份的化学成分组成：碳：0.83kg，硼：0.09kg，硅：2.2kg，钨：9.5kg，钼：2.1kg，铬：35kg，钒：0.8kg，铌：0.86kg，铁：48.6kg。
对比例6的清洗剂由以下重量份的原料制备而成：没食子酸：8kg，N-甲基吡咯烷酮：1.6kg。
本对比例的高强度异型钢制备方法如下：
S1、钢坯预处理：将钢坯放入含清洗剂的水溶液中，所述清洗剂的浓度为1.5wt％，超声清洗7min，后用80℃水浸泡6min，取出，烘干；
S2、等温球化退火：取步骤S1所述的钢坯在780℃下进行7.5h等温球化退火处理；
S3、热压缩：将步骤S2所述等温球化退火处理的钢坯进行热压缩，所述热压缩温度为1200℃，压缩应变速率为0.08/s，时间为25min，得到热压缩钢坯；
S4、热轧成型：将步骤S3所述的热压缩钢坯在1250℃进行热轧成型，得热轧钢坯；
S5、热弯定型：将步骤S4所述的热轧钢坯在700℃下进行热弯定型，得热弯定型钢坯；
S6、淬火：将步骤S5所述的热弯定型钢坯升温至1050℃，升温速率为40℃/min，保温20min；
S7、回火：将步骤S6所述的钢坯冷却，进行回火处理，回火温度控制在725℃，保温时间为90min。
对比例7
本发明对比例7提供了一种高强度异型钢，所述高强度异型钢由以下重量份的化学成分组成：碳：0.83kg，硼：0.09kg，硅：2.2kg，钨：9.5kg，钼：2.1kg，铬：35kg，钒：0.8kg，铌：0.86kg，铁：48.6kg。
对比例7的清洗剂由以下重量份的原料制备而成：N-甲基吡咯烷酮：1.6kg。
本对比例的高强度异型钢制备方法如下：
S1、钢坯预处理：将钢坯放入含清洗剂的水溶液中，所述清洗剂的浓度为1.5wt％，超声清洗7min，后用80℃水浸泡6min，取出，烘干；
S2、等温球化退火：取步骤S1所述的钢坯在780℃下进行7.5h等温球化退火处理；
S3、热压缩：将步骤S2所述等温球化退火处理的钢坯进行热压缩，所述热压缩温度为1200℃，压缩应变速率为0.08/s，时间为25min，得到热压缩钢坯；
S4、热轧成型：将步骤S3所述的热压缩钢坯在1250℃进行热轧成型，得热轧钢坯；
S5、热弯定型：将步骤S4所述的热轧钢坯在700℃下进行热弯定型，得热弯定型钢坯；
S6、淬火：将步骤S5所述的热弯定型钢坯升温至1050℃，升温速率为40℃/min，保温20min；
S7、回火：将步骤S6所述的钢坯冷却，进行回火处理，回火温度控制在725℃，保温时间为90min。
试验例1、本发明高强度异型钢的硬度测试
取实施例1～5以及对比例1～7制备得到的异型钢切割，制备得到长宽为20mm×20mm，厚度为3mm的试样若干，依次使用800﹟、1000﹟、1200﹟的水砂纸研磨，直到试样表面光亮且无明显划痕，接着对试样进行抛光处理。对每个试样在数显洛氏硬度计上进行测试，测试压头采用金刚石圆锥，每个实施例和对比例分别测试3个试样，每个试样测试1次，记录数据后取平均值作为最终结果，最终结果取整数，结果如表1所示。
表1本发明高强度异型钢的硬度测试结果
从表1试验结果可知：
(1)本发明实施例1～5的异型钢的硬度在66～85HRC范围内，具有非常优异的硬度性能，其中，实施例4是本发明的最佳实施。从试验数据可以得出，当异型钢的成分和工艺特定的时候，异型钢的硬度较大。
(2)对比例1的化学成分组成不满足5.6W碳＝1.2W钒+4.3W铌，W钒≤0.9％的要求，从表1可得出其硬度急剧下降，低于本发明的实施例。
(3)对比例2是在异型钢加工工艺中不进行清洗预处理，与最佳实施例4相比，还是存在硬度下降的情形，这说明在异型钢加工前先使用清洁剂对钢坯进行处理可以稍微提高钢材的硬度。
(4)对比例3为是在异型钢加工工艺中不进行等温球化退火处理，通过光学金相显微镜观察可以发现试验表面存在少量裂缝，这说明等温球化退火处理可以通过降低钢坯内外温差从而可以降低材料内部应力，防止后续高温淬火后出现裂纹，导致异型钢材表面出现缺陷，可更好地提高了产品材料的成品率。
(5)对比例4是在异型钢加工工艺中不进行回火处理，从试验数据可以看出，试验过程中三次硬度测试结果的数值相差较大，说明制备得到的异型钢的内部组织结构不均匀，淬火后的回火工艺可以继续把异型钢内部的残余奥氏体进行转化，减少内部的应力，使得异型钢材的强度更加均匀。
(6)对比例5的是在异型钢淬火步骤中，直接升温至1050℃，不进行阶梯式升温，与实施例4相比，其硬度和强度均有所下降。
(7)对比例6的清洗剂采用没食子酸和N甲基吡咯烷酮组合，对比例7的清洗剂仅采用没食子酸，其硬度均比最佳实施例4的要低，这说明没食子酸、N甲基吡咯烷酮和表面活性剂的组合能够更好地清楚钢坯表面的杂质，进而使得钢坯表面结构更均匀，在后续淬火过程中应力更加分散，制备得到的异型钢力学性能更均匀。
试验例2、本发明高强度异型钢的强度测试
根据国家标准《GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法》进行试验，采用微机控制电子万能试验机测试其抗拉强度和屈服强度，拉伸速度取为4mm/min，每个实施例和对比例分别测试3个试样，取平均值作为最终试验结果，结果以MPa表示，最终试验结果如表2所示：
表2本发明高强度异型钢的抗拉强度测试结果
如表2所示，实施例1～5的异型钢的抗拉强度在966-985Mpa之间，屈服强度在762-789Mpa之间，与对比例相比具有非常好的强度性能。
本发明通过对异型钢的成分以及加工工艺的优化改进，提升了钢材的力学性能，提高其在复杂环境中的使用寿命，具有良好的应用前景。
试验例3、本发明钢坯预处理清洗剂的表面张力测试
采用全自动表面张力仪对实施例4、对比例2、6、7所使用的清洗剂进行表面张力测试，其中对比例2为空白对照组，所使用的溶液是纯水，实施例4、对比例6和对比例7的清洗剂溶液的浓度均为1.5wt％，测试在25℃下进行，表面张力仪的精度为0.1mN/m，每个试样测试3次，取平均值即为最终试验结果，结果以mN/m表示，最终结果保留一位小数。
从试验例3可得出，对比例2、6、7的清洁剂的表面张力均低于实施例4，实施例4清洁钢坯表面的清洁剂的表面张力在25℃下可达27.4mN/m，经过申请人多次试验验证，按照实施例4配方制备得到的清洗剂的浓度为1.5％时，其加入量即可达到其临界胶束浓度，具有优异的清洁性能；对比例6所使用的清洗剂为N甲基吡咯烷酮和没食子酸的组合，对比例7所使用的清洗剂为N甲基吡咯烷酮，其表面张力分别为45.1mN/m和46.7mN/m，远高于实施例4的清洗剂，这可能是因为本发明实施例4的清洗剂中的聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮是具有非离子线性结构，空间位阻较小，且水溶性较强，清洗时在钢坯表面上的吸附作用较强，能平铺在钢坯表面，对其进行润湿，因而可以更好地提高其清洁性能，配合弱酸性的没食子酸，可以把钢坯表面一些杂质非金属以及油污完全去除，使得钢坯表面更加匀整，有利于后续加工过程中硬度和强度的提升。
本行业的技术人员应该了解，上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种高强度异型钢，其特征在于，包括以下重量份的化学成分：碳：0.3～0.95％，硼：0.01～0.1％，硅：1.05～2.5％，钨：8.2～10％，钼：1.1～2.5％，铬：25～40％，还包括钒、铌，各组分含量满足以下关系式：5.6W碳＝1.2W钒+4.3W铌，W钒≤0.9％，余量为铁。
2.根据权利要求1所述的高强度异型钢，其特征在于，所述高强度异型钢包括以下重量份的化学成分：碳：0.2～0.83％，硼：0.015～0.09％，硅：1.3～2.2％，钨：8.6～9.5％，钼：1.6～2.1％，铬：30～35％，还包括钒、铌，各组分含量满足以下关系式：5.6W碳＝1.2W钒+4.3W铌，W钒≤0.9％，余量为铁。
3.根据权利要求1或2所述的高强度异型钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、钢坯预处理：将钢坯放入含清洗剂的水溶液中，所述清洗剂的浓度为1～3wt％，超声清洗5～8min，后用70～90℃水浸泡5～10min，取出，烘干；
S2、等温球化退火：取步骤S1所述的钢坯在780～850℃下进行等温球化退火处理，时间为6～8h；
S3、热压缩：将步骤S2所述等温球化退火处理的钢坯进行热压缩，热压缩温度为1100～1300℃，热压缩应变速率为0.05～0.12/s，时间为15～30min，得到热压缩钢坯；
S4、热轧成型：将步骤S3所述的热压缩钢坯在1200～1300℃进行热轧成型，得热轧钢坯；
S5、热弯定型：将步骤S4所述的热轧钢坯在650～750℃下进行热弯定型，得热弯定型钢坯；
S6、淬火：将步骤S5所述的热弯定型钢坯在650～850℃下进行第一次升温，升温速率为20℃/min，保温10～15min，后在850～1280℃下进行第二次升温，升温速率为40℃/min，保温12～20min；
S7、回火：将步骤S6所述淬火后的钢坯冷却，进行回火处理，回火温度为700～750℃，保温时间为30～120min。
4.根据权利要求3所述的高强度异型钢的制备方法，其特征在于，所述清洗剂包括以下重量份的组分制成：没食子酸：0.1～1份，聚乙烯吡咯烷酮：0.2～0.8份，聚乙二醇：0.2～10份，正丁醇：0.5～5份，N-甲基吡咯烷酮：2～10份。
5.根据权利要求4所述的高强度异型钢的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇为聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇1000中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的高强度异型钢的制备方法，其特征在于，所述清洗剂包括以下重量份组分制成：没食子酸：0.5～0.8份，聚乙烯吡咯烷酮：0.3～0.5份，聚乙二醇200：5～8份，正丁醇：0.8～3份，N-甲基吡咯烷酮：3～8份。
7.根据权利要求5所述的高强度异型钢的制备方法，其特征在于，所述清洗剂包括以下重量份组分制成：没食子酸：0.5～0.8份，聚乙烯吡咯烷酮：0.3～0.5份，聚乙二醇1000：0.3～1.2份，正丁醇：0.8～3份，N-甲基吡咯烷酮：3～8份。
8.根据权利要求3所述的高强度异型钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S7中回火处理的次数为3次。
9.根据权利要求3所述的高强度异型钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S6采用盐浴炉进行淬火操作。
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