CN111088461B

CN111088461B - 一种纳米增强抗氢脆钢及其制备方法

Info

Publication number: CN111088461B
Application number: CN202010006344.9A
Authority: CN
Inventors: 庞晓露; 石荣建; 路兰英; 李京川; 冯心怡; 乔利杰; 王自东
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2040-01-03
Also published as: CN111088461A

Abstract

本发明涉及一种纳米增强抗氢脆钢及其制备方法，属于合金钢技术领域。本发明所述纳米增强抗氢脆钢微观组织结构为回火马氏体及弥散分布于基体中的纳米尺寸的半共格碳化铌(NbC)纳米析出相，制备方法为真空熔炼后通过电渣重熔获得目标成分设计范围的铸锭，并经过控轧控冷和合适的调质热处理工艺获得含有大量弥散分布的半共格NbC纳米增强抗氢脆钢。按照本发明的化学成分设计和合适的制备工艺，可生产1000MPa级纳米增强高强韧钢，其组织中含有大量尺寸为10～20nm、均匀弥散分布的半共格NbC析出相，实现高强钢的强韧性匹配，同时在服役过程中通过半共格NbC作为深氢陷阱捕获进入钢中的氢，大幅提升材料的抗氢脆性能。

Description

一种纳米增强抗氢脆钢及其制备方法

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，具体涉及一种纳米增强抗氢脆钢及其制备方法。

背景技术

随着石油、天然气、海洋资源等的开发以及航空航天、国防等产业的发展，高强钢必须具备高强度、高韧性、抗氢脆、耐腐蚀等特点。随着HSLA系等高强钢的发展，高强度、高韧性已经逐步实现并优化。然而，一直以来，氢脆问题是制约高强钢发展的瓶颈问题，往往产生灾难性的后果。

Nb是钢中一种重要的微合金元素，它可以明显细化晶粒，显著提高奥氏体晶粒的粗化温度，因此微合金元素的应用在高强钢的开发和应用中具有重要的作用。同时，NbC析出相可以提高钢的抗氢脆性能，但是目前的研究主要限于纳米相对于氢的捕获能力，如纳米相能够捕获更多的氢或者不同的微合金元素含量对于氢脆性能的影响，却还没有提出在高强钢中通过调控纳米析出相来提高高强钢在服役过程中的抗氢脆性能。

因此，提出一种纳米增强抗氢脆钢及其制备方法尤为重要，通过控轧控冷以及淬火加调控回火的方式进行调质热处理，获得大量的尺寸为10～20nm、均匀弥散分布的半共格NbC析出相，以实现高强钢的强韧性匹配，并大幅提升材料服役过程中的抗氢脆性能，这对于材料强化和抗氢脆等综合性能的提高具有深远的意义。

发明内容

本发明目的在于提出一种纳米增强抗氢脆钢及其制备方法，通过电渣重熔获得目标成分设计范围的铸锭，并经过控轧控冷和合适的调质热处理工艺获得含有大量弥散分布的半共格NbC纳米增强抗氢脆钢。

针对上述目的，本发明的具体技术方案为：

本发明提供的纳米增强抗氢脆钢的化学成分的质量百分比为：C：0.05％～0.2％；Si：≤0.5％；Mn：0.10％～2.50％；Ni：0.50％～5.00％；Mo：0.10％～1.50％；Cr：0.10％～1.50％；Nb：0.05％～0.30％；其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明提供的纳米增强抗氢脆钢的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，通过真空熔炼将原料制备成钢液并进行合金化操作，浇铸后得到铸锭，后进行电渣重熔得到电渣锭；

(2)采用控轧控冷工艺进行轧制；

(3)采用淬火加调控回火的方式进行调质热处理工艺。

进一步的，步骤(1)中预设化学成分各组分及其质量百分比如下：C：0.05％～0.2％；Si：≤0.5％；Mn：0.10％～2.50％；Ni：0.50％～5.00％；Mo：0.10％～1.50％；Cr：0.10％～1.50％；Nb：0.05％～0.30％；其余为Fe和不可避免的杂质。

进一步的，步骤(2)中控轧控冷工艺为：电渣锭开坯后加热至1200±20℃，保温时间≥2h后准备热轧；第一阶段粗轧终轧温度≥1000±20℃，粗轧压下率＞60％；第二阶段精轧开轧温度＜920±20℃，轧制至钢材目标厚度，然后自然晾温。

进一步的，步骤(3)中采用淬火加调控回火的方式进行调质热处理工艺过程分为(淬火前)保温，淬火，(淬火后)回火，空冷等阶段：

步骤一：对热轧后的铸坯加热至奥氏体化温度保温，进行淬火冷却后获得淬火马氏体；

步骤二：在回火过程中消除内应力，同时使马氏体向铁素体和碳化物等稳定状态转变，以得到良好的强韧性配合，在该过程中形成回火马氏体，并且NbC纳米析出相均匀弥散地分布在回火马氏体基体上。

进一步的，所述淬火加调控回火的方式进行调质热处理工艺过程中，为调控钢中纳米相的特征参数以获得半共格的NbC析出相，淬火保温温度为750～900℃，时间为1h，回火保温温度为450～550℃，时间为1h。

本发明的上述技术方案的有益效果是：本发明通过真空熔炼后通过电渣重熔获得目标成分设计范围的铸锭，并经过控轧控冷和合适的调质热处理工艺获得含有大量弥散分布的半共格NbC纳米增强抗氢脆钢，以实现高强钢的强韧性匹配，并大幅提升材料服役过程中的抗氢脆性能，这对于材料强化和抗氢脆等综合性能的提高与优化具有深远意义。

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的介绍，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。

图1是回火后萃取复型样品中大量弥散的NbC纳米相分布图；

图2是NbC半共格界面的标定图；

图3是充氢后脱附峰(TDS)图。

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。

应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。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。

本发明提供一种纳米增强抗氢脆钢及其制备方法。

步骤(1)：采用本发明提供一种纳米增强抗氢脆钢化学成分各组分及其质量百分比见表1。通过真空熔炼，真空度为70Pa，将原料制备成钢液并进行合金化操作，浇铸后得到铸锭，后进行电渣重熔得到电渣锭；

表1：本发明纳米增强高强钢实施例的化学成分(质量百分比)

元素	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Nb	Fe
											wt.％	0.06	0.10	1.10	0.0070	0.0015	4.00	0.50	0.50	0.05	余量

步骤(2)：采用控轧控冷工艺进行轧制，电渣锭开坯后加热至1200℃，保温2h后准备热轧；第一阶段粗轧终轧温度为1000℃，粗轧压下率为70％；第二阶段精轧开轧温度为920℃，精轧压下率为30％，然后自然晾温

步骤(3)采用淬火加调控回火的方式进行调质热处理工艺，工艺过程分为淬火保温，淬火，(淬火后)回火，空冷等阶段。在表1化学成分下，实施例和对比例分别采用如表2所示的调质热处理工艺方案。表3为本发明各实施例和对比例性能检测情况列表

表2：实施例和对比例采用的调质热处理工艺方案

名称	淬火保温温度+时间	回火保温温度+时间
			实施例1	850℃+1h	450℃+1h
实施例2	850℃+1h	500℃+1h
			实施例3	850℃+1h	550℃+1h
对比例1	850℃+1h	—
			对比例2	800℃+1h	—
对比例3	850℃+1h	650℃+1h

步骤(4)：采用本发明所述工艺制备的高强钢实施例及对比例制作6组实验样品，分别进行力学性能测试实验、预充氢慢应变速率拉伸(SSRT)实验。SSRT采用1mA/cm²、5mA/cm²的恒电流进行10h预充氢，充氢溶液为0.05mol/L硫酸+0.22g/L硫脲溶液，拉伸速率为1×10^-5s^-1，氢脆敏感性采用延伸率损失百分比，即I_H＝(1-δ_H/δ₀)×100％。各实施例和对比例力学性能检测结果如表3所示。

表3：实施例和对比例力学性能检测结果

本发明实施例和对比例相比，在保持高强度的基础上，在不同的电流密度预充氢慢拉伸实验条件下，氢脆敏感性显著降低，表明其抗氢脆性能明显提高。因此，通过实施本发明所述的淬火加调控回火的方式，显著提高了纳米增强高强钢的抗氢脆性能。

对热轧后的铸坯加热至850℃，保温1h，进行淬火冷却后获得淬火马氏体；回火温度为500℃，保温1h，在回火过程中消除内应力，同时使马氏体向铁素体和碳化物等稳定状态转变，并且获得大量半共格的NbC纳米析出相均匀弥散地分布在回火马氏体基体上。如图1所示，在回火后萃取复型样品中含有大量弥散分布的NbC纳米相，图2为NbC半共格界面的标定，图3为充氢后脱附峰(TDS)图，说明本发明的高强韧钢含有大量的由半共格NbC深氢陷阱，这对于提升高强韧钢的高强度和抗氢脆等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控轧控冷和合适的调质热处理工艺获得含有大量弥散分布的半共格NbC纳米增强抗氢脆钢。

以上对本申请实施例所提供的一种纳米增强抗氢脆钢及其制备方法，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

1.一种纳米增强抗氢脆钢，其特征在于，各组分及其质量百分比如下：0.05% ≤ C＜0.2%；Si：≤0.5%；Mn：0.10%～2.50%；Ni：0.50%～5.00%；Mo：0.10%～1.50%；Cr：0.10%～1.50%；Nb：0.05%～0.30%；其余为Fe和不可避免的杂质；

所述纳米增强抗氢脆钢的微观组织结构为回火马氏体及弥散分布于基体中的纳米尺寸的半共格碳化铌（NbC）纳米析出相；

所述不可避免的杂质为P、S、N和O，所述不可避免的杂质的元素范围为质量百分比≤0.01%；

所述纳米增强抗氢脆钢的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，通过真空熔炼将原料制备成钢液并进行合金化操作，浇铸后得到铸锭，后进行电渣重熔得到电渣锭；

（2）采用控轧控冷工艺进行轧制；控轧控冷工艺为：电渣锭开坯后加热至1200±20℃，保温时间≥2h后准备热轧；第一阶段粗轧终轧温度≥1000±20℃，粗轧压下率＞60％；第二阶段精轧开轧温度＜920±20℃，轧制至钢材目标厚度，然后自然晾温；

（3）采用淬火加调控回火的方式进行调质热处理工艺，采用淬火加调控回火的方式进行调质热处理工艺过程分为淬火前保温、淬火、淬火后回火，空冷阶段。

2.如权利要求1所述纳米增强抗氢脆钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

（2）采用控轧控冷工艺进行轧制；

（3）采用淬火加调控回火的方式进行调质热处理工艺。

3.根据权利要求2所述纳米增强抗氢脆钢的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中控轧控冷工艺为：电渣锭开坯后加热至1200±20℃，保温时间≥2h后准备热轧；第一阶段粗轧终轧温度≥1000±20℃，粗轧压下率＞60％；第二阶段精轧开轧温度＜920±20℃，轧制至钢材目标厚度，然后自然晾温。

4.根据权利要求2所述纳米增强抗氢脆钢的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中采用淬火加调控回火的方式进行调质热处理工艺过程分为淬火前保温、淬火、淬火后回火，空冷阶段：

步骤二：在回火过程中消除内应力，同时使马氏体向铁素体和碳化物稳定状态转变，以得到良好的强韧性配合，在该过程中形成回火马氏体，并且NbC纳米析出相均匀弥散地分布在回火马氏体基体上。

5.根据权利要求4所述纳米增强抗氢脆钢的制备方法，其特征在于，为调控钢中纳米相的特征参数以获得半共格的NbC析出相，所述淬火加调控回火的方式进行调质热处理工艺过程中，淬火保温温度为750～900℃，时间为1h，回火保温温度为450～550℃，时间为1h。