CN111363900B - 一种介观尺度结构碳素钢及其制备方法 - Google Patents

一种介观尺度结构碳素钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于碳素钢技术领域，具体涉及一种介观尺度结构碳素钢及其制备方法。本发明通过第一塑变处理实现对碳素钢毛坯组织的初调，有利于避免碳素钢的早期加工硬化；去应力‑微扩散处理用于对第一塑变处理产生的微变形的回复及多层结构界面的扩散，防止后续塑变产生裂纹；第二塑变处理和第三塑变处理用于对碳素钢组织的深度调控，有利于碳素钢强度和韧性共同提高。实验结果表明，由本发明提供的方法得到的介观尺度结构碳素钢的硬度达43.5～45.7HRC，拉伸强度达760～787MPa，延伸率达45.7～48.1％，断裂韧性达51.3～52.2MPa·m1/2，具有良好的硬度、强度和塑性。

Description

一种介观尺度结构碳素钢及其制备方法
技术领域
本发明属于碳素钢技术领域，具体涉及一种介观尺度结构碳素钢及其制备方法。
背景技术
碳钢是含碳量在0.0218％～2.11％的铁碳合金，也叫碳素钢，一般还含有少量的硅、锰、硫、磷元素。其中，碳素结构钢是碳素钢的一种，含碳量约0.05％～0.70％，个别可高达0.90％。传统的碳素钢生产工艺，包括简单塑性变形处理、微合金化处理和表面处理，对于碳素钢性能提高效果有限，例如简单塑性变形处理有利于提高碳素钢强度，但碳素钢塑性不足；微合金化可以通过细化合金晶粒以提高塑性，但无法保证碳素钢的力学强度；表面处理仅涉及碳素钢表面形态，无法重构合金组织。目前的碳素钢生产工艺无法满足现代工业日益突出的对碳素钢性能的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种介观尺度结构碳素钢的制备方法，由本发明提供的制备方法得到的介观尺度结构碳素钢，具有高强度、高硬度、塑性优良的特点；本发明还提供了一种介观尺度结构碳素钢。
本发明提供了一种介观尺度结构碳素钢的制备方法，包括以下步骤：
将铸态碳素钢依次进行第一塑变处理和去应力-微扩散处理，得到初级碳素结构钢；所述第一塑变处理为弯轧处理；
将所述初级碳素结构钢进行保温处理后，依次进行第二塑变处理和第三塑变处理，得到所述介观尺度结构碳素钢；所述第二塑变处理为瞬时冲击处理；所述第三塑变处理为碾压处理。
优选的，所述铸态碳素钢的碳含量为0.1～0.15wt.％。
优选的，所述第一塑变处理的轧制速率为60～75mm/min。
优选的，所述第一塑变处理的设备为双极弯轧一体系统；所述双极弯轧一体系统包括卷曲和纵向轧薄装置；所述纵向轧薄装置中轧薄辊的直径比为(2～3)：1，两级轴距为0.7～1.4m。
优选的，所述去应力-微扩散处理的条件包括：保护气为一氧化碳-氮气混合气；所述去应力-微扩散处理的温度为430～560℃，时间为1.4～2.9h；所述一氧化碳-氮气混合气中一氧化碳和氮气的体积比为(0.3～0.7)：1。
优选的，所述保温处理的温度为680～820℃，时间为7～11min。
优选的，所述第二塑变处理的设备为超高压冲击装置；所述第二塑变处理中瞬时冲击力为870～1200MPa，同位置冲击次数为5～8次。
优选的，所述第三塑变处理的设备为三级碾压装置；所述三级辊压装置中辊冲直径比为(4～6)：(2～3)：1；所述第三塑变处理的温度为150～180℃，出坯速度为40～54cm/min。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法得到的介观尺度结构碳素钢。
优选的，所述介观尺度结构碳素钢的硬度≥43HRC，拉伸强度≥750MPa，伸长率≥45％，断裂韧性≥51.3MPa·m1/2。
本发明提供了一种介观尺度结构碳素钢的制备方法，包括以下步骤：将铸态碳素钢依次进行第一塑变处理和去应力-微扩散处理，得到初级碳素结构钢；所述第一塑变处理为弯轧处理；将所述初级碳素结构钢进行保温处理后，依次进行第二塑变处理和第三塑变处理，得到所述介观尺度结构碳素钢；所述第二塑变处理为瞬时冲击处理；所述第三塑变处理为碾压处理。本发明中的第一塑变处理为对碳素钢毛坯组织的初调，该第一塑变处理有利于避免碳素钢的早期加工硬化，为后续进行的深度塑变提供组织基础；去应力-微扩散处理用于对第一塑变处理产生的微变形的回复及多层结构界面的扩散，防止后续塑变产生裂纹；第二塑变处理和第三塑变处理协同实现用于对碳素钢组织的深度调控，并保证碳素钢介观尺度结构的获得，有利于碳素钢强度和韧性共同提高。
实验结果表明，由本发明提供的方法得到的介观尺度结构碳素钢的硬度达43.5～45.7HRC，拉伸强度达760～787MPa，延伸率达45.7～48.1％，断裂韧性达51.3～52.2MPa·m1/2，具有良好的硬度、强度和塑性。
具体实施方式
本发明提供了一种介观尺度结构碳素钢的制备方法，包括以下步骤：
将铸态碳素钢依次进行第一塑变处理和去应力-微扩散处理，得到初级碳素结构钢；所述第一塑变处理为弯轧处理；
将所述初级碳素结构钢进行保温处理后，依次进行第二塑变处理和第三塑变处理，得到所述介观尺度结构碳素钢；所述第二塑变处理为瞬时冲击处理；所述第三塑变处理为碾压处理。
本发明将铸态碳素钢依次进行第一塑变处理和去应力-微扩散处理，得到初级碳素结构钢；所述第一塑变处理为弯轧处理。
在本发明中，所述铸态碳素钢的碳含量优选为0.1～0.15wt.％，更优选为0.1～0.14wt.％。在本发明中，所述铸态碳素钢的形态优选为板材。在本发明中，所述板材的厚度优选为25～31mm，更优选为26～30mm。本发明对所述铸态碳素钢的来源没有特殊限定，采用市售或本领域技术人员熟知的其他来源即可。
在本发明中，所述第一塑变处理为弯轧处理。在本发明中，所述第一塑变处理的轧制速率优选为60～75mm/min，更优选为63～72mm/min，再优选为65～70mm/min。在本发明中，所述第一塑变处理的设备优选为双极弯轧一体系统。在本发明中，所述双极弯轧一体系统包括卷曲和纵向轧薄装置。在本发明中，所述纵向轧薄装置中轧薄辊的直径比优选为(2～3)：1，更优选为(2.2～2.8)：1，再优选为(2.4～2.6)：1；两级轴距优选为0.7～1.4m，更优选为0.8～1.3m，再优选为0.9～1.2m。在本发明中，所述第一塑变处理的变形量优选为5.4％～7.3％。在本发明中，所述第一塑变处理采用微塑变方式对碳素钢毛坯组织进行初调，避免碳素钢的早期加工硬化，为后续深度塑变提供组织基础。
在所述第一塑变处理前，本发明优选还包括对所述铸态碳素钢进行表面磨光处理。本发明对所述表面磨光处理的具体工艺没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的表面磨光处理即可；在本发明中，所述表面磨光处理后铸态碳素钢的表面粗糙度优选≤0.9μm。
在本发明中，所述去应力-微扩散处理的设备优选为弱还原智控回复装置。在本发明中，所述去应力-微扩散处理优选在保护气的条件下进行。在本发明中，所述保护气优选为一氧化碳-氮气混合气；所述一氧化碳-氮气混合气中一氧化碳和氮气的体积比优选为(0.3～0.7)：1，更优选为(0.4～0.6)：1，再优选为(0.45～0.55)：1。在本发明中，所述去应力-微扩散处理的温度优选为430～560℃，更优选为450～550℃，再优选为570～530℃；时间优选为1.4～2.9h，更优选为1.6～2.7h，再优选为1.8～2.5h。在本发明中，所述去应力-微扩散处理用于对第一塑变处理带来的微变形的回复及多层结构界面的扩散，有利于防止后续塑变产生裂纹。
得到初级碳素结构钢后，本发明将所述初级碳素结构钢进行保温处理后，依次进行第二塑变处理和第三塑变处理，得到所述介观尺度结构碳素钢；所述第二塑变处理为瞬时冲击处理；所述第三塑变处理为碾压处理。
在本发明中，所述保温处理的温度优选为680～820℃，更优选为700～800℃，再优选为720～780℃；时间优选为7～11min，更优选为7～10min。在本发明中，所述保温处理有利于去除因第一塑变处理产生的表面应力及组织缺陷。
在本发明中，所述第二塑变处理的设备优选为超高压冲击装置。在本发明中，所述第二塑变处理中瞬时冲击力优选为870～1200MPa，更优选为900～1100MPa，再优选为950～1050MPa；同位置冲击次数优选为5～8次，更优选为6～7次。在本发明中，所述第二塑变处理的变形量优选为21％～28％。
在本发明中，所述第三塑变处理的设备优选为三级碾压装置。在本发明中，所述三级辊压装置中辊冲直径比优选为(4～6)：(2～3)：1，更优选为(4.4～5.6)：(2.2～2.8)：1，再优选为(4.6～5.4)：(2.4～2.6)：1。在本发明中，所述第三塑变处理的温度优选为150～180℃，更优选为155～175℃，再优选为160～170℃。在本发明中，所述第三塑变处理的出坯速度优选为40～54cm/min，更优选为42～52cm/min，再优选为44～50cm/min。在本发明中，所述第二塑变处理和第三塑变处理协同用于组织的深度调控，有利于所述介观尺度结构碳素钢的强度和韧性共同提高。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法得到的介观尺度结构碳素钢。
在本发明中，所述介观尺度结构碳素钢的硬度优选≥43HRC，拉伸强度优选≥750MPa，伸长率优选≥45％，断裂韧性优选≥51.3MPa·m1/2。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的介观尺度结构碳素钢及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将碳含量为0.1wt.％、厚度为25mm的铸态碳素钢板材经表面磨光后，装入双极弯轧一体系统进行第一塑变处理，其中两级纵向轧薄辊的直径比为2：1，两级轴距0.7m，轧制速率为63mm/min，变形量为5.5％；然后置于弱还原智控回复装置中于430℃进行1.4h的去应力及微扩散处理，其中所用一氧化碳-氮气混合气中一氧化碳和氮气的体积比为0.3：1，得到初级碳素结构钢；
将所得初级碳素结构钢在680℃温度条件下保温7min，在超高压冲击装置中进行第二塑变处理，瞬时冲击力为870MPa，同位置冲击次数5次，变形量为22％；最后在三级碾压装置中于150℃进行第三塑变处理，其中三级辊压装置的辊冲直径比为4：2：1，出坯速度为40cm/min，得到所述介观尺度结构碳素钢。
实施例2
将碳含量为0.1wt.％、厚度为27mm的铸态碳素钢板材经表面磨光后，装入双极弯轧一体系统进行第一塑变处理，其中两级纵向轧薄辊的直径比为3：1，两级轴距1.4m，轧制速率为61mm/min，变形量为5.7％；然后置于弱还原智控回复装置中于560℃进行1.5h的去应力及微扩散处理，其中所用一氧化碳-氮气混合气中一氧化碳和氮气的体积比为0.7：1，得到初级碳素结构钢；
将所得初级碳素结构钢在820℃温度条件下保温9min，在超高压冲击装置中进行第二塑变处理，瞬时冲击力为1200MPa，同位置冲击次数8次，变形量为23％；最后在三级碾压装置中于155℃进行第三塑变处理，其中三级辊压装置的辊冲直径比为6：3：1，出坯速度为54cm/min，得到所述介观尺度结构碳素钢。
实施例3
将碳含量为0.1wt.％、厚度为28mm的铸态碳素钢板材经表面磨光后，装入双极弯轧一体系统进行第一塑变处理，其中两级纵向轧薄辊的直径比为3：1，两级轴距0.9m，轧制速率为67mm/min，变形量为5.9％；然后置于弱还原智控回复装置中于460℃进行1.7h的去应力及微扩散处理，其中所用一氧化碳-氮气混合气中一氧化碳和氮气的体积比为0.5：1，得到初级碳素结构钢；
将所得初级碳素结构钢在720℃温度条件下保温8min，在超高压冲击装置中进行第二塑变处理，瞬时冲击力为890MPa，同位置冲击次数6次，变形量为25％；最后在三级碾压装置中于165℃进行第三塑变处理，其中三级辊压装置的辊冲直径比为5：3：1，出坯速度为44cm/min，得到所述介观尺度结构碳素钢。
实施例4
将碳含量为0.1wt.％、厚度为28mm的铸态碳素钢板材经表面磨光后，装入双极弯轧一体系统进行第一塑变处理，其中两级纵向轧薄辊的直径比为2：1，两级轴距1.1m，轧制速率为72mm/min，变形量为6.4％；然后置于弱还原智控回复装置中于470℃进行2h的去应力及微扩散处理，其中所用一氧化碳-氮气混合气中一氧化碳和氮气的体积比为0.6：1，得到初级碳素结构钢；
将所得初级碳素结构钢在690℃温度条件下保温8min，在超高压冲击装置中进行第二塑变处理，瞬时冲击力为1200MPa，同位置冲击次数7次，变形量为22％；最后在三级碾压装置中于165℃进行第三塑变处理，其中三级辊压装置的辊冲直径比为6：3：1，出坯速度为50cm/min，得到所述介观尺度结构碳素钢。
对实施例1～4所得介观尺度结构碳素钢进行性能测试，测试标准及测试结果见表1。
表1实施例1～4所得介观尺度结构碳素钢的性能测试结果
Figure BDA0002467282740000061
Figure BDA0002467282740000071
由表1可见，由本发明提供的制备方法得到的介观尺度结构碳素钢洛氏硬度达43.5～45.2HRC，拉伸强度达760～781MPa，延伸率达45.8～48％，断裂韧性达51.4～52.1MPa·m1/2，具有良好的硬度、强度和塑性。
实施例5
将碳含量为0.1wt.％、厚度为28mm的铸态碳素钢板材经表面磨光后，装入双极弯轧一体系统进行第一塑变处理，其中两级纵向轧薄辊的直径比为2：1，两级轴距0.7m，轧制速率为70mm/min，变形量为6.9％；然后置于弱还原智控回复装置中于490℃进行2.1h的去应力及微扩散处理，其中所用一氧化碳-氮气混合气中一氧化碳和氮气的体积比为0.4：1，得到初级碳素结构钢；
将所得初级碳素结构钢在690℃温度条件下保温7min，在超高压冲击装置中进行第二塑变处理，瞬时冲击力为890MPa，同位置冲击次数6次，变形量为25％；最后在三级碾压装置中于165℃进行第三塑变处理，其中三级辊压装置的辊冲直径比为4：3：1，出坯速度为40cm/min，得到所述介观尺度结构碳素钢。
实施例6
将碳含量为0.1wt.％、厚度为30mm的铸态碳素钢板材经表面磨光后，装入双极弯轧一体系统进行第一塑变处理，其中两级纵向轧薄辊的直径比为2：1，两级轴距0.8m，轧制速率为75mm/min，变形量为7.1％；然后置于弱还原智控回复装置中于560℃进行2.3h的去应力及微扩散处理，其中所用一氧化碳-氮气混合气中一氧化碳和氮气的体积比为0.7：1，得到初级碳素结构钢；
将所得初级碳素结构钢在680℃温度条件下保温11min，在超高压冲击装置中进行第二塑变处理，瞬时冲击力为1100MPa，同位置冲击次数8次，变形量为27％；最后在三级碾压装置中于170℃进行第三塑变处理，其中三级辊压装置的辊冲直径比为6：3：1，出坯速度为47cm/min，得到所述介观尺度结构碳素钢。
实施例7
将碳含量为0.1wt.％、厚度为31mm的铸态碳素钢板材经表面磨光后，装入双极弯轧一体系统进行第一塑变处理，其中两级纵向轧薄辊的直径比为2：1，两级轴距0.7m，轧制速率为73mm/min，变形量为6.4％；然后置于弱还原智控回复装置中于510℃进行2.4h的去应力及微扩散处理，其中所用一氧化碳-氮气混合气中一氧化碳和氮气的体积比为0.4：1，得到初级碳素结构钢；
将所得初级碳素结构钢在750℃温度条件下保温7min，在超高压冲击装置中进行第二塑变处理，瞬时冲击力为970MPa，同位置冲击次数8次，变形量为28％；最后在三级碾压装置中于170℃进行第三塑变处理，其中三级辊压装置的辊冲直径比为5：2：1，出坯速度为52cm/min，得到所述介观尺度结构碳素钢。
实施例8
将碳含量为0.1wt.％、厚度为29mm的铸态碳素钢板材经表面磨光后，装入双极弯轧一体系统进行第一塑变处理，其中两级纵向轧薄辊的直径比为2：1，两级轴距1.3m，轧制速率为74mm/min，变形量为7.2％；然后置于弱还原智控回复装置中于560℃进行2.4h的去应力及微扩散处理，其中所用一氧化碳-氮气混合气中一氧化碳和氮气的体积比为0.7：1，得到初级碳素结构钢；
将所得初级碳素结构钢在680℃温度条件下保温11min，在超高压冲击装置中进行第二塑变处理，瞬时冲击力为1200MPa，同位置冲击次数5次，变形量为26％；最后在三级碾压装置中于170℃进行第三塑变处理，其中三级辊压装置的辊冲直径比为4.5：2.5：1，出坯速度为54cm/min，得到所述介观尺度结构碳素钢。
对实施例5～8所得介观尺度结构碳素钢进行性能测试，测试标准及测试结果见表2。
表2实施例5～8所得介观尺度结构碳素钢的性能测试结果
Figure BDA0002467282740000091
由表2可见，由本发明提供的制备方法得到的介观尺度结构碳素钢洛氏硬度达43.6～45.7HRC，拉伸强度达768～787MPa，延伸率达45.7～48.1％，断裂韧性达51.3～52.2MPa·m1/2，具有良好的硬度、强度和塑性。
由以上实施例可见，由本发明提供的制备方法得到的介观尺度结构碳素钢洛氏硬度达43.5～45.7HRC，拉伸强度达760～787MPa，延伸率达45.7～48.1％，断裂韧性达51.3～52.2MPa·m1/2，具有良好的硬度、强度和塑性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种介观尺度结构碳素钢的制备方法，包括以下步骤：
将铸态碳素钢依次进行第一塑变处理和去应力-微扩散处理，得到初级碳素结构钢；所述第一塑变处理为弯轧处理；
将所述初级碳素结构钢进行保温处理后，依次进行第二塑变处理和第三塑变处理，得到所述介观尺度结构碳素钢；所述第二塑变处理为瞬时冲击处理；所述第三塑变处理为碾压处理；
所述去应力-微扩散处理的条件包括：保护气为一氧化碳-氮气混合气；所述去应力-微扩散处理的温度为430～560℃，时间为1.4～2.9h；所述一氧化碳-氮气混合气中一氧化碳和氮气的体积比为(0.3～0.7)：1。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铸态碳素钢的碳含量为0.1～0.15wt.％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一塑变处理的轧制速率为60～75mm/min。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述第一塑变处理的设备为双极弯轧一体系统；所述双极弯轧一体系统包括卷曲装置和纵向轧薄装置；所述纵向轧薄装置中轧薄辊的直径比为(2～3)：1，两级轴距为0.7～1.4m。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述保温处理的温度为680～820℃，时间为7～11min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二塑变处理的设备为超高压冲击装置；所述第二塑变处理中瞬时冲击力为870～1200MPa，同位置冲击次数为5～8次。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第三塑变处理的设备为三级碾压装置；所述三级辊压装置中辊冲直径比为(4～6)：(2～3)：1；所述第三塑变处理的温度为150～180℃，出坯速度为40～54cm/min。
8.权利要求1～7任一项所述制备方法得到的介观尺度结构碳素钢。
9.根据权利要求8所述的介观尺度结构碳素钢，其特征在于，所述介观尺度结构碳素钢的硬度≥43HRC，拉伸强度≥750MPa，伸长率≥45％，断裂韧性≥51.3MPa·m1/2。
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