CN110923573B - 一种高热稳定性原位纳米相强化的高强韧钢及其制备方法 - Google Patents

一种高热稳定性原位纳米相强化的高强韧钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种采用高热稳定性的原位纳米相强化高强韧钢及其制备方法，所述高强韧钢微观组织结构为回火马氏体以及弥散分布于基体中的纳米尺寸的氧化物‑碳化物复合原位纳米相，真空熔炼后采用喂丝的方式添加钛并通过电渣重熔获得目标成分设计范围的铸锭，并且在铸锭中含有大量的高熔点氧化钛原位纳米相，经过热轧和调质热处理获得具有高热稳定性的氧化物‑碳化物复合原位纳米相增强高强韧钢。本发明可以放宽调质热处理工艺窗口，获得具有高热稳定性的原位纳米相强化高强韧钢。

Description

一种高热稳定性原位纳米相强化的高强韧钢及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及合金钢技术领域，尤其涉及一种高热稳定性原位纳米相强化的高强韧钢及其制备方法。
【背景技术】
随着海洋资源的开采和海洋国防的发展，海洋用高强度钢板须具备高强度、高韧性、易焊接、抗疲劳、耐腐蚀等特点。HSLA系列用钢克服了HY系列钢的冲击功低、难焊接等问题，大幅降碳降合金来改善钢的焊接性，而由此所带来的强度下降问题，则用钢中时效析出的纳米Cu颗粒进行补强。但HSLA系列钢也存在着一些技术上的缺点，如时效过程中产生的Cu纳米析出相，初始沉淀析出完成时尺寸细小，且是近球形，与基体保持共格关系，但在超过一定热处理温度(＞550℃)便开始粗化长大，变成不规则形状(长条状、棒状等)，同时，与基体的共格关系逐渐转变为非共格性，这一粗化的结果严重削弱了Cu纳米颗粒的析出强化效果，且对钢的塑韧性有很大影响，严重损害材料整体的力学性能。
第二相沉淀析出过程完成之后，立即就会随之发生聚集长大的过程即Ostwald熟化过程，这一过程的驱动力是第二相与基体之间的界面能，即当第二相的体积分数不变得情况下，若第二相尺寸增大，则总的界面面积将减小由此导致系统的界面能的减小。很多第二相在沉淀析出过程完成时具有十分细小的尺寸，当温度足够高且保持时间足够长时，第二相可能非常严重的粗化，一旦发生一定程度的Ostwald熟化，其尺寸将非常迅速地长大且远远大于沉淀析出过程完成时的尺寸，从而丧失相关的作用；而另外一些第二相可能在非常高的温度下仍然可以保持非常细小的尺寸从而保持相应的作用。
因此，有必要研究一种采用具有高热稳定性的原位纳米相强化高强韧钢及其制备方法尤为重要，通过熔炼过程中产生具有高熔点的原位纳米相，在后续的轧制、热处理以及焊接过程中，乃至服役过程中都能保持优异的稳定性，这对于材料塑韧性和综合性能的提高都有深远的意义。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供了一种高热稳定性原位纳米相强化的高强韧钢及其制备方法，通过在真空熔炼后采用喂丝的方式添加钛并通过电渣重熔获得目标成分设计范围的铸锭，并且在铸锭中含有大量的高熔点氧化钛原位纳米相，最终经过热轧和调质热处理获得高强韧钢。
一方面，本发明提供一种高热稳定性原位纳米相强化的高强韧钢，所述高强韧钢各组分及其质量百分比如下：
C：0.01％～0.15％；Si：≤0.20％；Mn：0.50％～2.00％；Ni：3.00％～5.00％；Mo：0.50％～1.50％；Cr：0.50％～1.50％；V：0.01％～0.10％；Nb：0.05％～0.20％；Ti：0.05％～0.20％；其余为Fe和不可避免的杂质。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述高强韧钢的微观组织结构为回火马氏体以及弥散分布于基体中的纳米尺寸的氧化物-碳化物复合原位纳米相。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述不可避免杂质包括P、S、N和O，所述不可避免的杂质的元素范围为小于100ppm。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种高热稳定性原位纳米相强化的高强韧钢的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)根据预设化学成分重量百分比选取原材料；
(2)通过真空熔炼将原材料制备成钢液并进行合金化操作，在熔炼末期将Ti以喂丝的方式加入；
(3)进行电渣重熔；
(4)采用两阶段轧制工艺进行热轧；
(5)采用二次淬火加回火的方式进行调质热处理工艺。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(1)中预设化学成分各组分及其质量百分比如下：C：0.01～0.1％5、Si：≤0.20％、Mn：0.50％～2.00％、Ni：3.00％～5.00％、Mo：0.50％～1.50％、Cr：0.50％～1.50％、V：0.01％～0.10％、Nb：0.05％～0.20％、Ti：0.05％～0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中Ti以纯钛丝的方式进行准备，Ti纯度大于99.9％，钛丝直径为0.5～2mm。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(2)中真空熔炼在真空气氛下进行，真空度≤100Pa，并且在熔炼末期进行喂丝，纯钛丝的量按照预设化学成分重量百分比喂入，同时满足利用率50％-90％。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(3)中电渣重熔要求罩体密封并采用惰性气体保护，双层双吹，保护气氛为氮气或氩气，流量为100～400m
/h；电渣重熔铸锭采用风冷工艺进行冷却。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(4)热轧工艺过程中，预热段最高温度≤850℃，总加热时间≥180min；上加热段：1200℃～1250℃，下加热段：1150℃～1250℃，总加热时间≥270min；均热段：1150℃～1200℃，总加热时间≥120min。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述结晶器的长度为800～1000mm。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(4)中两阶段轧制工艺具体为：一阶段采用高温低速大压下工艺；二阶段开轧温度不高于950℃。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(5)中调质热处理工艺采用二次淬火加回火的方式，一次淬火温度为850～950℃，时间为60min，二次淬火温度为750～850℃，时间为60min，回火温度为400～600℃，时间为30～90min。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：本发明通过在真空熔炼和电渣重熔后的铸锭中获得大量的高熔点氧化钛原位纳米相，从而提高原位纳米相的热稳定性，其所提供的这种新型工艺可以放宽调质热处理工艺窗口，获得具有高热稳定性的原位纳米相强化高强韧钢，从而提升高强韧钢的塑韧性和综合性能；
本发明方法所制备的高强韧钢与其他钢种相比，C含量有所降低，合金含量亦有所降低；而采用多元微合金元素V、Nb、Ti设计；并且，Ti的加入方式是独特的，采用喂丝的方式。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的真空熔炼和电渣重熔后铸锭中原位纳米相萃取复型TEM图片；
图2是本发明一个实施例提供的1050-850℃热轧后钢板中原位纳米相萃取复型TEM图片；
图3是本发明一个实施例提供的720℃二次淬火后钢板中原位纳米相萃取复型TEM图片；
图4是本发明一个实施例提供的600℃回火60min后钢板中原位纳米相萃取复型TEM图片。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提供一种本发明提供一种采用高热稳定性原位纳米相强化的高强韧钢及其制备方法。
步骤(1)：根据预设化学成分重量百分比选取化学材料。预设化学成分重量百分比为：C 0.05、Si 0.10、Mn 1.50、Ni 4.50、Mo 1.00、Cr 1.00、V 0.03、Nb 0.05、Ti 0.07，其余为Fe和不可避免的杂质，其中Ti以纯钛丝的方式进行准备，Ti纯度为99.99％，钛丝直径为1mm。
步骤(2)：真空熔炼。将合金加热熔化成钢液，真空度为60Pa，并且在熔炼末期进行喂丝，喂入纯钛丝的量以0.07％计算并考虑利用率80％来进行设计。
步骤(3)：电渣重熔。采用4321渣系，渣温控制在1630℃，严禁超过1650℃。渣的主要作用是热源、精炼、保护铸锭等。采用760结晶器，结晶器水流量为宽边60m/h，窄边28m/h。熔速控制：按“19-21.5-18.5kg/min”设定熔速，平均1200kg/h，实际熔速控制在设定值±1kg/min以内，熔速异常波动时，及时停抽或调整抽锭速度。通过控制二次电压和电流来控制熔速，熔炼时电压约95V，电流约20kA，为低压高流直流电。氩气流量为300m/h，双层双吹，罩体密封。保护气氛采用干燥风管吹氮气，主要是防止吸氢、吸氧。重熔过程注意观察结晶器与锭体之间的缝隙，确保结晶器上升齐平，确认自耗电极在结晶器中的位置均匀居中，观察渣膜形成及钢渣分离情况，加强炉底监护。采用风冷工艺，吹冷空气，因钢中合金含量高，防止铸锭裂，风冷工艺可使铸锭组织为等轴晶。铸锭脱出后30min内入罩，现在保温罩底座整体铺上一层保温棉，再入锭，罩子坐平盖严，提升保温效果。
步骤(4)：热轧。预热段温度为800℃，总加热时间为180min；上加热段：1200℃℃，下加热段：1180℃℃，总加热时间为270min，(进入加热段后，3.0h-3.5h内升到工艺温度，保持1h后推至均热段)。实际加热过程中，钢坯根据温度情况向前推动，保证钢坯缓慢升温。均热段：1200℃，总加热时间为120min。采用两阶段轧制工艺，一阶段采用高温低速大压下工艺；二阶段开轧温度为1050℃，终轧温度为850℃。轧制道次分配原则：道次压下分布符合波峰形式。
步骤(5)：调质热处理。钢板调质工艺为两次淬火后回火。钢板一次淬火温度为860℃，时间为60min，二次淬火温度为720℃，时间为60min，回火温度设置为600℃，时间为60min。
如图1所示，在真空熔炼和电渣重熔后铸锭中弥散分布有大量的原位纳米相，并且如图2、图3和图4中所示，经过1050-850℃热轧、720℃淬火、600℃回火60min后，钢中依然存在大量的原位纳米相，并且没有长大、没有消失，尺寸、数目没有明显变化，说明本发明的高强韧钢含有大量的高热稳定性的原位纳米相，这对于放宽调质热处理工艺窗口、提升高强韧钢的塑韧性和综合性能具有深远的意义。
本发明所述制备方法中的关键点在于真空熔炼后采用喂丝的方式添加钛并通过电渣重熔获得目标成分设计范围的铸锭，并且在铸锭中含有大量的高熔点氧化钛原位纳米相，经过热轧和调质热处理获得具有高热稳定性的氧化物-碳化物复合原位纳米相增强高强韧钢。
以上对本申请实施例所提供的一种高热稳定性原位纳米相强化的高强韧钢及其制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高热稳定性原位纳米相强化的高强韧钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
（1）根据预设化学成分重量百分比选取原材料；
（2）通过真空熔炼将原材料制备成钢液并进行合金化操作，在熔炼末期将Ti以喂丝的方式加入；
（3）进行电渣重熔；
（4）采用两阶段轧制工艺进行热轧；
（5）采用二次淬火加回火的方式进行调质热处理工艺；
所述步骤（1）中预设化学成分重量百分比为：C 0.05、Si 0.10、Mn 1.50、Ni 4.50、Mo1.00、Cr 1.00、V 0.03、Nb 0.05、Ti 0.07，其余为Fe和不可避免的杂质，其中Ti以纯钛丝的方式进行准备，Ti纯度为99.99%，钛丝直径为1mm，所述步骤（2）中真空熔炼在真空气氛下进行，真空度≤100Pa，并且在熔炼末期进行喂丝，纯钛丝的量按照预设化学成分重量百分比喂入，同时满足利用率50%-90%，所述步骤（3）中电渣重熔要求罩体密封并采用惰性气体保护，双层双吹，保护气氛为氮气或氩气，流量为100～400m³/h；电渣重熔铸锭采用风冷工艺进行冷却，所述步骤（4）热轧工艺过程中，预热段最高温度≤850℃，总加热时间≥180min；上加热段：1200℃～1250℃，下加热段：1150℃～1250℃，总加热时间≥270min；均热段：1150℃～1200℃，总加热时间≥120min，所述步骤（4）中两阶段轧制工艺具体为：一阶段采用高温低速大压下工艺；二阶段开轧温度不高于950℃，所述步骤（5）中调质热处理工艺采用二次淬火加回火的方式，一次淬火温度为850～950℃，时间为60min，二次淬火温度为750～850℃，时间为60min，回火温度为400～600℃，时间为30～90min，所述高强韧钢的微观组织结构为回火马氏体以及弥散分布于基体中的纳米尺寸的氧化物-碳化物复合原位纳米相。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述不可避免杂质包括P、S、N和O，所述不可避免的杂质的元素范围为小于100ppm。
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