CN112063921A - 超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板及其制备工艺 - Google Patents

超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板及其制备工艺，其成分质量百分比为：C≤0.08％，Si:0.1～0.35％，Mn:0.2～0.8％，Cr:10～15％，W:2.0～3.0％，Co:2.0～3.0％，V:0.1～0.3％，Nb:0.025～0.08％，N:0.03～0.06％，Ta:0.05～0.1％，Nd:0.02～0.06％，(B含量控制在0.0005％以下)，其余成分为Fe和不可避免的杂质。制备工艺包括熔炼、热加工处理、二级中间退火处理、中温强变形热处理以及低温时效处理工艺。本发明通过常规设备及生产工艺进行组织调控，可以实现马氏体组织细化至纳米级并且析出大量纳米颗粒弥散分布在基体中，显著提高了低碳马氏体钢板材的综合性能。与现有的技术相比，本发明所制备的材料兼具超高强高韧性、良好的耐蚀、抗氧化、耐热和低温性能。本发明制备工艺简单，易于工业化规模生产，生产成本低，生产效率高，产品范围应用广。

Description

超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板及其制备工艺
技术领域
本发明涉及超高强度钢及其加工技术领域，具体涉及一种超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板及其制备工艺。
背景技术
钢铁产业是推动国家发展的重要产业，超高强度钢因其极高的强度和良好的塑韧性，在重型机械、先进模具制造、高速铁路、航空航天、重大国防装备以及汽车等领域具有广泛的应用。近年来随着工业的快速发展和资源、环境压力的不断增大，国家对超高强度钢的需求量也越来越大。空冷硬化钢作为传统的超高强度钢，其C含量一般在0.3％～0.5％之间，同时含有Cr、Mo和V等合金元素，在回火后会析出大量碳化物，主要依靠马氏体强化和碳化物析出强化，回火后的抗拉强度在1800MPa左右。因此，通过合理成分调控，开发低成本且具有更高性能的空冷硬化钢已成为目前钢铁行业发展的重要趋势之一。
提高强度并保留一定的塑性，一直是空冷硬化钢等结构材料性能优化的方向，另外所选用制备方法的大规模工业化生产成本也是需要考虑的重要因素。空冷硬化低碳马氏体钢是目前大量商业化应用的先进高强钢，其组织结构为典型的板条马氏体，具有优异的韧塑性，同时由于其较低的碳含量，导致其强度相对较低。在现有的技术中，经过各种物理作用特殊处理的材料，通常高塑性和高强度难以兼得。例如，发明专利CN108504834B公布了一种依托高温轧制加工方法制备的一种细晶超低碳马氏体钢板材，其断裂延伸率为15.5～24.3％，屈服强度仅为620～690MPa，抗拉强度为820～900MPa。发明专利CN110628997A公布了一种提高低碳马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法，制备的不锈钢板材延伸率为17％，屈服强度仅为800～900MPa，抗拉强度为1000～1100MPa。发明专利CN108728621B公开了一种高温处理并施加压应力的方法来细化马氏体钢板条，该发明方法对样品尺寸和设备要求严苛，不利于大规模工业化生产。
细晶强化是同时提升材料强度和塑性的有效手段。研究发现，中温形变热处理工艺能够显著细化奥氏体晶粒并通过相变获得细小的马氏体组织，从而提高马氏体钢的强度，为超高强钢的制备与研发开拓了新的途径。近来，Klueh等人对9Cr马氏体钢进行了形变热处理，获得了细小的组织结构以及高密度位错结构，因此大幅度提高了材料在室温以及高温下的屈服强度。Hollner等人对G91马氏体钢进行了形变热处理，获得了细小的马氏体组织，使其屈服强度和塑性得到了很大的提高。(参见文献Journal of NuclearMaterials,2007,367-370:48-53；Journal of Nuclear Materials,2010,405:101-108.)。
发明专利CN108866453A公开了一种马氏体耐热钢及其制备方法，其含有的各元素质量百分比为：C:0.1～0.2％，Cr:9～14％，Ni:2.5～3.5％，Mo:1.0～2.0％，W:0.5～1.0％，Mn:0.5～1.0％，Si:0.10～0.5％，V:0.10～0.5％，Nb:0.1～0.5％，N:0.02～0.05％，余量为Fe；其中析出的碳氮化合物呈弥散分布状态，所述的碳氮化合物包括M2X型、M7C3型、MX型和M6C型碳化物。该发明将马氏体耐热钢的合金化设计与回火工艺精确控制相结合，通过调整合金元素的含量及种类，采用较低温度回火，制备的马氏体耐热钢具有优异的高温性能，同时其强度和硬度也有了一定程度的提高。但本发明专利含有较多Ni元素，成本较高，并且采用高温锻造等高耗能加工工艺细化组织，制备的马氏体耐热钢抗拉强度仅为1087MPa，性价比不高，强塑性能有待进一步提升。
发明专利CN111455146A公开了一种低合金马氏体钢强韧化处理方法及马氏体钢，该处理方法包含(S1)预处理，(S2)高温锻造，(S3)中温锻造，(S4)低温回火。该方法针对的低合金马氏体钢包含以下质量百分比的成分：C:0.25～0.45％，Cr:1～2.5％，Mn:0.5～1.5％，Si:0.3～0.5％，Mo:0.3～0.5％，Ni:0～0.3％，V:0～0.3％，B:0～0.3％，其余为Fe。本发明专利方法通过高温锻造和中温锻造联合，显著细化了原始奥氏体晶粒，使得马氏体钢抗拉强度提高至1950～2160MPa，延伸率保持在9～14％范围内，但中高温锻造属于高耗能加工工艺，生产成本较高，且不利于环境保护。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板及其制备工艺，通过合理成分调控并提供一种依托强变形温轧及后续低温时效热处理的工艺，获得具有高硬度、高强度同时具备较高韧性的超细组织结构空冷硬化钢，具有成本低廉、工艺简单、性能优良的特点。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板，其成分质量百分比为：C≤0.08％，Si:0.1～0.35％，Mn:0.2～0.8％，Cr:10～15％，W:2.0～3.0％，Co:2.0～3.0％，V:0.1～0.3％，Nb:0.025～0.08％，N:0.03～0.06％，Ta:0.05～0.1％，Nd:0.02～0.06％，B≤0.0005％，其余成分为Fe和不可避免的杂质。
本发明超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板中各元素作用及设计原理如下：
为使本发明制备的空冷硬化钢具有优异的高强和高韧性匹配性能，因此在合金设计方面考虑到超高淬透性和超低碳设计原则。合金钢为超低碳含量，组织以韧性板条马氏体组织为主，因此碳最高含量为0.08wt％。此外，碳是奥氏体化稳定化元素，其对钢的强度提高明显，但是高碳含量会引起钢板焊接时的冷裂纹倾向，极大地降低了材料的可焊性并降低了HAZ韧性。本发明中碳含量控制在0.08wt％以内的较低水平，极大的提升了空冷硬化钢焊接性能。
钢中加入了一定量的Nb和V。Nb的碳或者碳氮化物的析出来利用对晶界的钉扎以及固溶Nb原子的溶质拖曳作用来抑制晶粒长大。相对Nb，V通常可以稳定在铁素体中析出并稳定存在，Nb和V的碳或者碳氮化物复合析出的强化的作用能显著提升材料的综合力学性能。合金元素Nb和V微量复合添加，同时有助于形成稳定的NbC颗粒以及微量元素N(0.03～0.06％)的配合加入可以形成大量弥散分布的VC(N)等细小弥散的颗粒，该粒子熔点高不易发生分解，加强了析出相沉淀强化效果。
N与Nb、V相互配合，在基体中形成的氮化物析出粒子具有极强的高温热稳定性，可以有效提高焊接的线能量，细化热影响区组织。在低碳或者超低碳钢中，合理加入一定量的N，对钢的强度的提高是十分有利的。钢中尽量避免游离N的存在，所以应固氮处理。本发明的合金体系下，发现当加入N超过0.06wt％后，钢的塑性显著下降，而当N含量小于0.02wt％时，在本发明中的成分体系内，二相粒子的数量和会相对减少，钢的屈服强度有所降低，所以本发明的成分体系下，最佳的N的加入量为0.05～0.06wt％。
Mn和Cr可以显著提高钢的淬透性。同时，Cr和W的加入可以促进碳稳定的碳氮化物形成，能够有效提高钢的抗高温氧化以及耐腐蚀性能等。Co可以固溶于马氏体基体中提升组织稳定性和蠕变抗性，Si的加入提高了钢的回火稳定性。本发明的置换型元素的复合添加和比例控制，可以使得该钢具有非常优异的空冷硬化特性。该超低碳马氏体钢的Ms超过350℃，在室温冷却条件下便可得到马氏体组织。稀土元素能够细化晶粒，并提高晶界强度、韧性。这种方式操作简便、成本低、效果明显。我国稀土资源较丰富，高铬含量钢碳化合物铸造过程中使用稀土元素作为变质剂会使碳化物进一步细碎化，甚至球团化，减少对基体的割裂作用。单纯稀土很难彻底改变高铬含量钢碳化物的形貌和分布，而复合变质会使其韧性、硬度有较大地提高。但是过量的稀土元素会使得晶界脆化，微量稀土元素，即可明显地优化铸坯质量，提高钢的塑、韧性，改善钢材性能，尤其是韧塑性的提升。本发明中，同时优选了两种稀土元素Ta、Nd的复合添加的方式。
本发明超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板合金成分进一步优化后的成分的质量百分比为：C≤0.08％，Si:0.3～0.35％，Mn:0.5～0.8％，Cr:12～15％，W:2.5～3.0％，Co:2.5～3.0％，V:0.25～0.3％，Nb:0.05～0.08％，N:0.03～0.06％，Ta:0.08～0.1％，Nd:0.05～0.06％，B:≤0.0005％，其余成分为Fe和其它不可避免的杂质。
生产本发明上述超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板板的制备工艺，其制备方法包括熔炼、热加工处理、二级中间退火处理、中温强变形热处理以及低温时效处理工艺等工艺步骤，具体如下：
(1)合金熔炼：合金的化学成分质量百分比为：C≤0.08％，Si:0.1～0.35％，Mn:0.2～0.8％，Cr:10～15％，W:2.0～3.0％，Co:2.0～3.0％,V:0.1～0.3％，Nb:0.025～0.08％，N:0.03～0.06％，Ta:0.05～0.1％，Nd:0.02～0.04％，(B含量控制在0.0005％以下)，其余成分为Fe和不可避免的杂质；按照上述成分进行配料后装炉，真空感应炉中均匀搅动熔炼，炉前检测并调整成分至符合上述质量百分比要求后，浇铸成铸锭；采用的熔炼方式可以为真空电弧炉熔炼、真空感应加电渣重溶、真空熔炼加真空自耗中的任意一种或两种相结合；
(2)均匀化处理及开坯：步骤(1)得到的铸锭在1250～1300℃进行均匀化处理，保温时间不小于4h，均匀化处理优选温度为1250～1300℃，保温优选6h，冷却方式为空冷或炉冷，获得组织和性能均质的铸坯，随后进行锻造，开锻温度不低于1150℃，连续多次墩拔，终锻温度不低于1150℃，优选为1150℃，最终锻造厚度不高于60mm的板坯，优选终锻板材厚度为40mm；
(3)高温热加工处理：步骤(2)处理后的板坯在真空或者氩气保护气氛热炉中加热至1100～1200℃，保温2～5h，优选在氩气保护氛围加热炉至1100℃保温3h，然后进行热轧，开轧温度不低于1000℃，终轧温度不低于900℃，累计变形量大于50％，优选1000℃以上多道次热轧的累积变形量为60％，终轧温度为900℃，轧制成20～30mm厚的板材，轧后空冷至室温；
(4)二级中间退火处理：对步骤(3)轧制后的板材进行二级退火处理，加热至900～1000℃，优选950℃，保温0.5h后转至700～800℃(优选750℃)加热炉内，保温2～4h(优选3小时)后空冷至室温；
(5)中温强变形热处理：将步骤(4)处理后得到的马氏体钢板材重新加热至900～950℃，优选950℃，保温1～2h(优选2h)，随后在3分钟内空冷却至700～800℃(快速冷却的方式为空冷或循环水冷)，进行3～6多道次(优选5道)大变形连续轧制，轧制过程采用的是异步轧制方式，采用的异速比为1.1～2.5；所述异步轧制包括如下任意一种方式：即两工作轧辊直径相同但转速不同、轧辊直径不同但转速相同或轧辊直径和转速均不相同，累计变形量在90％以上(优选93％)，终轧温度不低于500℃(优选550℃)，空冷至室温；
(6)低温时效处理：经步骤(5)中温形变热处理后的板材再次进行低温时效处理，温度为300～500℃，保温时间为0.5～2.0h，优选为400℃保温1h，制备的钢板的组织为超细片层马氏体结构钢+纳米析出相；纳米析出相为Fe、Co、V或W的碳或碳氮化物，且析出粒子尺寸不大于10nm。
经上述处理工艺制备的钢材即使在空冷状态下也可以获得高韧性板条马氏体。经上述各步骤处理后的钢中，由于V、Nb、Cr、N以及稀土元素Ta和Nd的添加，在低温时效过程中会形成弥散分布的富含V或Nb的碳氮化物MX(主要为小尺寸V(Cr，Nb)N或V(Cr，Nb)C)和M2X颗粒，进一步提高了马氏体钢的强度的同时，马氏体基体具有优异的塑韧性，使材料具有优异综合力学性能。上述步骤(2)的均匀化处理及开坯能够消除柱状晶组织，使合金元素充分扩散钢材组织均匀化，长时间保温能够消除高温脆性相delta铁素体。上述步骤(3)高温热加工处理能够使钢材发生动态回复及动态再结晶，初步细化钢材晶粒。上述步骤(4)二级中间退火中高温短时+低温长时退火，能够充分消除步骤(3)热加工过程中残留材料内部的应力，使钢材发生静态回复及再结晶，不仅使钢材组织均匀化，也进一步细化了晶粒尺寸。上述步骤(5)所述的大变形连续轧制初始温度为700℃，终轧温度为550℃，确保在过冷奥氏体区间完成中温轧制，充分细化原奥晶粒，轧制结束后空冷确保板材的组织结构为全马氏体组织。所得超细马氏体片层结构的马氏体耐热钢板材组织结构为片层状马氏体板条，马氏体片层的片层宽度小于300nm，在片层状马氏体内部没有析出相产生。
本发明制得的空冷硬化钢的厚度不大于3mm，屈服强度不小于1800MPa，抗拉强度不小于2000MPa，硬度不小于500HV，延伸率不低于9％。
本发明以普通低碳马氏体钢为原料，采用热加工处理、二级中间退火处理、中温强变形热处理以及低温时效处理等方法，利用轧制过程中产生的剪切作用使组织细化，将粗大的等轴晶组织制备成纳米级片层结构组织，利用细晶强化作用提高材料的强度。再利用低温时效使材料内部组织发生回复及纳米级颗粒的大量析出并且弥散分布在片层状马氏体基体中，增加其韧性及塑性。由于力学的各向异性，具有片层状组织结构会有效促进微观应力应变分配，从而延迟材料的颈缩，提高材料的塑性。该种板材除具备一般大变形轧制后带来的细晶强化及位错强化优势外，另有大量弥散分布的纳米析出相颗粒带来了沉淀强化作用，故综合力学性能优异。
目前采用强变形热处理工艺制备超细晶和纳米晶马氏体钢主要集中在合金元素较高的中碳高合金钢、马氏体时效钢以及Fe-Ni合金，而本发明通过合理成分调控，增加Cr、W等合金元素含量来提高低碳马氏钢的淬透性，保证在空冷条件下获得马氏体组织结构，降低C含量至0.1wt.％以下保证钢材的韧塑性，同时采用强变形异步连续轧制的方法保证超低碳马氏体钢超高强度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明方法制备的马氏体钢板材晶粒尺寸细小，结构为超细片层状马氏体基体，并且在基体中弥散分布大量纳米级析出相，具有优异的综合力学性能，制备的耐热钢板材的屈服强度不小于1800MPa，抗拉强度不小于2000MPa，硬度不小于500HV，断后延伸率不小于9％，大部分能达到12％。
2.本发明制备方法中采用中温强变形热处理，一方面，相对于高温变形轧制，中温轧制可以显著降低能耗，节约成本；另外一方面，中温强变形轧制是最为有效的细化奥氏体晶粒和相变后马氏体组织的工艺，主要有三个方面原因：首先，在过冷奥氏体区进行轧制变形时，奥氏体晶粒很难发生动态回复和动态再结晶，因此避免了因回复和再结晶引起的晶粒长大的现象；其次，由于奥氏体变形是在较低的温度下进行的，因此温度的降低能够有效地减缓奥氏体晶粒的长大；最后，由于奥氏体的动态回复过程被抑制，大量的位错、变形带以及位错胞在奥氏体晶粒中形成，为马氏体相变提供了大量的形核位置，从而细化了相变后的马氏体组织。实现马氏体钢组织结构的超细化，提高材料的强度和塑韧性。此外，相对于低温轧制，材料易于变形，确保轧制效果。
3.相对于传统的强烈塑性变形SPD技术所制备的超细晶或者纳米晶高强韧材料，本发明采用的大变形连续轧制方法，克服了SPD技术受模具和产品尺寸的限制，不需要专门设计模具和设备改进，采用常规工业化生产设备，如轧机和热处理炉即可实现大规模化工业生产，该技术工艺简单、易于操作，生产成本低，可以实现制备大尺寸块体马氏体钢板材的制备。
附图说明
图1为本发明制备超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备工艺示意图；
图2为本发明制备钢板材中温强变形前的典型扫描电镜组织的照片；
图3为本发明制备的典型超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的透射电镜组织照片；
图4为本发明制备的超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板中的纳米析出相透射电镜组织照片；
图5为本发明制备的超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的拉伸力学性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。需要指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备方法，如图1所述，其步骤如下：
(1)合金熔炼：合金的化学成分质量百分比为：C：0.08％，Si:0.1％，Mn:0.2％，Cr:10％，W:2.0％，Co:2.0％,V:0.1％，Nb:0.025％，N:0.03％，Ta:0.05％，Nd:0.02％，B含量控制在0.0005％以下，其余成分为Fe和不可避免的杂质；按照上述成分进行配料后装炉，真空感应炉中均匀搅动熔炼，炉前检测并调整成分至要求后，浇铸成铸锭。熔炼方式可采用真空电弧炉熔炼、真空感应加电渣重溶、真空熔炼加真空自耗中的任意一种或两种相结合，本实施例中采用真空电弧炉熔炼；
(2)均匀化处理及开坯：铸锭在1250℃，保温时间4h，冷却方式为空冷，获组织和性能均质的铸坯，随后进行锻造，开锻温度1200℃，连续4次墩拔，终锻温度1150℃，最终锻造厚度40mm的板坯；
(3)高温热加工处理：步骤(2)处理后坯料氩气保护气氛热炉中加热至1150℃，保温4h后进行热轧，开轧温度1000℃，终轧温度900℃，累计变形量60％，轧制成30mm厚的板材，轧后空冷至室温；
(4)二级中间退火处理：将步骤(3)中的板材进行二级退火处理，加热至950℃，保温0.5h后转至750℃加热炉内，保温3小时后空冷至室温。然后将马氏体钢板材重新加热至950℃，保温2小时，获得均匀的奥氏体单相组织，所得组织为等轴状晶粒，成分偏析消除，组织充分均匀化，没有碳化物等第二相粒子的产生。其典型的扫描组织见附图2；
(5)中温强变形热处理：经步骤(4)热处理后得到的板材空冷至700℃立即进行大变形连续轧制处理，利用轧制过程中产生的剪切作用使材料发生强烈的塑性变形而导致奥氏体晶粒充分细化，连续中温轧制分为5道次，开轧温度为700℃，终轧温度为550℃，保证在过冷奥氏体区间完成中温轧制过程。其中每道次轧制后的变形率分别为60％、70％、80％、87％和93％，每道次轧制所用时间分别为12s、20s、25s、30s和35s。
(6)低温时效热处理：经步骤(5)中温强形变热处理后的板材进行低温时效处理，温度为400℃，保温时间为1h；时效后空冷至室温，利用低温热处理使材料内部组织发生部分回复降低位错密度，并在低温热处理过程中大量纳米析出相产生并均匀弥散分布在片层状马氏体基体中，充分增加了其可变形能力，获得高强韧超细马氏体钢板材。板材样品经透射电镜分析所得的典型组织照片见附图3，内部呈片层状马氏体板条组织，马氏体板条的宽度在300纳米左右。马氏体板条内部弥散分布的细小析出相颗粒透射组织照片见图4。板材经拉伸测试所得的典型工程应力应变曲线如图5所示，板材的抗拉强度超过2000MPa，屈服强度超过1800MPa，断裂延伸率接近10％。
实施例2
一种超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备方法，其步骤如下：
(1)合金熔炼：合金的化学成分质量百分比为：C:0.08％，Si:0.35％，Mn:0.8％，Cr:15％，W:3.0％，Co:3.0％,V:0.3％，Nb:0.08％，N:0.06％，Ta:0.1％，Nd:0.04％，B含量控制在0.0005％以下，其余成分为Fe和不可避免的杂质；按照上述成分进行配料后装炉，真空感应炉中均匀搅动熔炼，炉前检测并调整成分至要求后，浇铸成铸锭。熔炼方式可采用真空电弧炉熔炼、真空感应加电渣重溶、真空熔炼加真空自耗中的任意一种或两种相结合；
(2)均匀化处理及开坯同实例1步骤(2)；
(3)高温热加工处理同实例1步骤(3)；
(4)二级中间退火处理同实例1步骤(4)；
(5)中温强变形热处理同实例1步骤(5)；
(6)低温时效热处理同实例1步骤(6)；
所制备的高强韧超细片层结构低碳马氏体钢板材的抗拉强度为2000MPa，屈服强度为1800MPa，断裂延伸率为10％。
实施例3
一种超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备方法，其步骤如下：
(1)合金熔炼：合金的化学成分质量百分比为：C：0.08％，Si:0.25％，Mn:0.4％，Cr:12％，W:2.5％，Co:2.5％,V:0.2％，Nb:0.05％，N:0.04％，Ta:0.08％，Nd:0.03％，B含量控制在0.0005％以下，其余成分为Fe和不可避免的杂质；按照上述成分进行配料后装炉，真空感应炉中均匀搅动熔炼，炉前检测并调整成分至要求后，浇铸成铸锭。熔炼方式可采用真空电弧炉熔炼、真空感应加电渣重溶、真空熔炼加真空自耗中的任意一种或两种相结合；
(2)均匀化处理及开坯同实例1步骤(2)；
(3)高温热加工处理同实例1步骤(3)；
(4)二级中间退火处理同实例1步骤(4)；
(5)中温强变形热处理同实例1步骤(5)；
(6)低温时效热处理同实例1步骤(6)；
所制备的高强韧超细片层结构低碳马氏体钢板材的抗拉强度为2100MPa，屈服强度1900MPa，断裂延伸率11％。
实施例4
一种超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备方法，其步骤如下：
(1)合金熔炼同实例1步骤(1)；
(2)均匀化处理及开坯同实例1步骤(2)；
(3)高温热加工处理同实例1步骤(3)；
(4)二级中间退火处理同实例1步骤(4)；
(5)中温强变形热处理同实例1步骤(5)；
(6)低温时效热处理：与实例1不同之处在于将步骤(5)中温强变形热处理后的板材置于300℃的热处理炉中保温1h后空冷至室温，所制备板材的抗拉强度超过2000MPa，屈服强度超过1800MPa，断裂延伸率接近11％。
实施例5
一种超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板板材的制备方法，其步骤如下：
(1)合金熔炼同实例1步骤(1)；
(2)均匀化处理及开坯同实例1步骤(2)；
(3)高温热加工处理同实例1步骤(3)；
(4)二级中间退火处理同实例1步骤(4)；
(5)中温强变形热处理同实例1步骤(5)；
(6)低温时效热处理：与实例1不同之处在于将步骤(5)中温强变形热处理后的板材置于500℃的热处理炉中保温1h后空冷至室温，所制备板材的抗拉强度2050MPa，屈服强度1870MPa，断裂延伸率9.5％。
实施例6
一种超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备方法，其步骤如下：
(1)合金熔炼同实例1步骤(1)；
(2)均匀化处理及开坯同实例1步骤(2)；
(3)高温热加工处理同实例1步骤(3)；
(4)二级中间退火处理同实例1步骤(4)；
(5)中温强变形热处理与实例1步骤(5)不同之处在于经步骤(4)热处理后得到的板材空冷至750℃立即进行大变形连续轧制处理，利用轧制过程中产生的剪切作用使材料发生强烈的塑性变形而导致奥氏体晶粒充分细化，连续中温轧制分为6道次，开轧温度为750℃，终轧温度为550℃，保证在过冷奥氏体区间完成中温轧制过程。其中每道次轧制后的变形率分别为60％、70％、80％、87％、90％和93％，每道次轧制所用时间分别为12s、20s、25s、30s、35s和40s；
(6)低温时效热处理同实施例1步骤(6)。所制备板材的抗拉强度2100MPa，屈服强度1900MPa，断裂延伸率10％。
实施例7
一种超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备方法，包括以下步骤：
(1)合金熔炼同实例1步骤(1)；
(2)均匀化处理及开坯同实例1步骤(2)；
(3)高温热加工处理同实例1步骤(3)；
(4)二级中间退火处理同实例1步骤(4)；
(5)中温强变形同步连续轧制：经步骤(4)热加工处理后得到的板材空冷至700℃立即进行大变形连续轧制处理，轧辊初始温度为室温，对称轧制分为6道次，终轧温度为550℃，保证在过冷奥氏体区间内完成中温轧制过程。其中每道次轧制后材料的变形率分别为60％、70％、80％、85％、90％和93％，每道次轧制所用时间分别为12s、20s、25s、30s、35s和40s，得到第二半成品板材，该组织结构为片层状马氏体板条，板条宽度在250～300纳米之间。
(6)低温时效热处理同实例1步骤(6)，制备的高强韧超细低碳马氏体钢板材。板材的抗拉强度2050MPa，屈服强度1850MPa，断裂延伸率接近11％。
实施例8
一种超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备方法，包括以下步骤：
(1)合金熔炼同实例1步骤(1)；
(2)均匀化处理及开坯同实例1步骤(2)；
(3)高温热加工处理同实例1步骤(3)；
(4)二级中间退火处理同实例1步骤(4)；
(5)中温强变形异步连续轧制：经步骤(4)热加工处理后得到的板材空冷至800℃立即进行大变形连续轧制处理，板材上下表面的轧辊线速度比为2.5:1,大变形异步轧制采用2道次大压下量，其中第一道次下压量为40％，第二道次下压量为20％，轧总压下量不低于60％，终轧温度不低于600℃。
(6)中温强变形同步连续轧制：经步骤(5)中温强变形异步轧制得到的板材直接放入热处理炉中进行保温处理，热处理温度为700℃，保温时间为1h，然后进行对称轧制处理。轧辊初始温度为室温，轧辊的直径和转速相同，对称轧制所用板材的初始温度为700℃，对称轧制的轧下量不低于50％，终轧温度不低于550℃。
(7)低温时效热处理同实例1步骤(6)，所制备板材的抗拉强度2100MPa，屈服强度超过1900MPa，断裂延伸率10％。
本发明针对生产超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备工艺进行了详细地描述，目的在于方便该研究领域的技术人员能够快速理解和掌握发明内容。同时熟悉本领域技术的研究人员还可以在本发明实例的基础上做出一定的修改方便自身的使用。因此，本发明的实例不局限于上文提到的内容，本领域技术人员依托本发明的基本思想、内容框架所做出的修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板，其特征在于，成分质量百分比为：C≤0.08％，Si:0.1～0.35％，Mn:0.2～0.8％，Cr:10～15％，W:2.0～3.0％，Co:2.0～3.0％，V:0.1～0.3％，Nb:0.025～0.08％，N:0.03～0.06％，Ta:0.05～0.1％，Nd:0.02～0.06％，B含量控制在0.0005％以下，其余成分为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板，其特征在于，成分质量百分比为：C≤0.08％，Si:0.3～0.35％，Mn:0.5～0.8％，Cr:12～15％，W:2.5～3.0％，Co:2.5～3.0％，V:0.25～0.3％，Nb:0.05～0.08％，N:0.05～0.06％，Ta:0.08～0.1％，Nd:0.05～0.06％，B含量控制在0.0005％以下，其余成分为Fe和其它不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板，其特征在于，所述的空冷硬化钢板的显微组织为片层状马氏体，片层状马氏体的片层宽度小于300nm；钢板的厚度不大于3mm，屈服强度不小于1800MPa，抗拉强度不小于2000MPa，硬度不小于500HV，延伸率不低于9％。
4.一种如权利要求1所述的超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)合金熔炼：合金的化学成分质量百分比为：C≤0.08％，Si:0.1～0.35％，Mn:0.2～0.8％，Cr:10～15％，W:2.0～3.0％，Co:2.0～3.0％，V:0.1～0.3％，Nb:0.025～0.08％，N:0.05～0.06％，Ta:0.05～0.1％，Nd:0.02～0.06％，(B含量控制在0.0005％以下)，其余成分为Fe和不可避免的杂质；按照上述成分进行配料后装炉，真空感应炉中均匀搅动熔炼，浇铸成铸锭；
(2)均匀化处理及开坯：步骤(1)得到的铸锭在1250～1350℃进行均匀化处理，保温时间不小于4h，冷却方式为空冷或炉冷，获得组织和性能均质的铸坯，随后进行锻造，开锻温度不低于1200℃，连续多次墩拔，终锻温度不低于1150℃，最终锻造厚度不高于60mm的板坯；
(3)高温热加工处理：经步骤(2)处理后的板坯在真空或者氩气保护气氛热炉中加热至1100～1200℃，保温2～5h后进行热轧，开轧温度不低于1000℃，终轧温度不低于900℃，累计变形量大于50％，轧制成20～30mm厚的板材，轧后空冷至室温；
(4)二级中间退火处理：对步骤(3)轧制后的板材进行二级退火处理，加热至900～1000℃，保温0.5h后转至700～800℃加热炉内，保温2～4h后空冷至室温；
(5)中温强变形热处理：将步骤(4)处理后得到的马氏体钢板材重新加热至900～950℃，保温1～2h，随后空冷至700～800℃，进行3～6多道次大变形连续轧制，累计变形量在90％以上，终轧温度不低于500℃，空冷至室温；
(6)低温时效处理：经步骤(5)中温强变形热处理后的板材再次进行低温时效处理，温度为300～500℃，保温时间为0.5～2.0h。
5.根据权利要求4所述的超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备工艺，其特征在于，步骤(1)中所采用的熔炼方式为真空电弧炉熔炼、真空感应加电渣重溶、真空熔炼加真空自耗中的任意一种或两种相结合。
6.根据权利要求4所述的超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备工艺，其特征在于，步骤(2)中所述的均匀化处理温度为1250～1300℃，保温6h，终锻温度为1150℃，终锻板材厚度为40mm。
7.根据权利要求4所述的超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中所述的高温热加工处理为氩气保护气氛，加热至1100℃保温3h，1000℃以上多道次热轧的累积变形量为60％，终轧温度为900℃。
8.根据权利要求4所述的超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备工艺，其特征在于，步骤(4)中所述的二级中间退火处理工艺为加热至950℃，保温0.5h后转至750℃加热炉内，保温3h后空冷至室温。
9.根据权利要求4所述的超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备工艺，其特征在于，步骤(5)中所述的中温强形变热处理中加热温度为950℃，保温2h后循环水冷至750℃进行5道次大变形轧制，终轧温度为550℃，累计变形量为93％；
步骤(5)中所述的大变形连续轧制过程采用的是异步轧制方式，采用的异速比为1.1～2.5；所述的异步轧制包括如下任意一种方式：即两工作轧辊直径相同但转速不同、轧辊直径不同但转速相同或轧辊直径和转速均不相同。
10.根据权利要求4所述的超高强度高韧性超细组织结构的空冷硬化钢板的制备工艺，其特征在于，步骤(6)所述的低温时效处理工艺为在400℃保温1h；经步骤(6)低温时效处理后制备的钢板的组织为超细片层马氏体结构钢+纳米析出相；所述的纳米析出相为Fe、Co、V或W的碳或碳氮化物，且析出粒子尺寸不大于10nm。
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