CN113186373B - 一种超高强度超细晶粒钢板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超高强度超细晶粒钢板的制备方法，属于金属热处理技术领域，在空气介质中对高强度钢板进行双向电脉冲加热，借助脉冲电流使材料温度升高到Ac3附近进行奥氏体化处理；然后在电脉冲加热处理结束的同时立即完成淬火处理；最后对电脉冲处理淬火态的均匀的超细化晶粒的钢板再进行低温回火处理，以获得综合力学性能优异的高强度钢板。本发明解决了现有热处理工艺中高强度钢板晶粒细化和碳化物促溶双重效果兼具的技术难题，不仅实现了高强度钢板的奥氏体晶粒超细化，而且改善了钢材的组织均匀性。该方法生产效率高，能耗较低，可同时显著提高钢板强韧性，特别是在低温韧性方面。

Description

一种超高强度超细晶粒钢板的制备方法
技术领域
本发明属于金属热处理技术领域，具体涉及一种超高强度超细晶粒钢板的制备方法。
背景技术
高强度钢板具有强度高，特别是在回火状态具有较高的综合力学性能。主要用于大型船舶、桥梁、电站设备、高压容器、机车车辆、工程机械等领域。近年来，工程机械设备逐步朝着大型化、轻量化方向发展，且设备服役的环境越来越复杂，使得对工程机械用钢板的强度和韧性提出了更高的要求。关于超高强度的钢板的开发一直是国内外相关学者研究的热点。
目前实现批量生产的高强度钢板的最高屈服强度保持在1500MPa级别，而屈服强度1500MPa及以上的钢板，国内外的研发及报道鲜有听闻。CN107338393B介绍了一种制备屈服强度大于1500MPa超高强度钢板的生产方法，该钢材屈服强度在1500MPa左右，抗拉强度1600MPa以上。但是该生产方法的钢板晶粒尺寸在30μm左右，达不到高韧性的要求，特别是低温韧性方面不能满足工程设备在复杂环境下的使用，这对超高强度钢板的广泛应用造成了一定的困难。
晶粒细化是同时获得高强度和高韧性的重要强化手段，且大量的研究表明电脉冲能够显著细化金属材料的显微组织。CN101709359A公开了电脉冲的作用是提高晶粒尺寸的均匀度和消除偏析及带状组织，虽然低温奥氏体化可以实现奥氏体晶粒超细化，但是对于合金钢而言，降低奥氏体化温度可能导致碳化物溶解量不足的问题。CN109825689B公开了一种利用电脉冲制备高固溶度超细晶粒高速钢的方法，可同时实现奥氏体晶粒超细化及促进碳化物溶解，得到综合力学性能优异的高速钢。但是这种方法存在以下问题，一是热处理装置复杂，需要淬火装置和电脉冲设备两套控制系统；二是工艺流程长，电脉冲处理前工件要经过一次高温盐浴处理并放入油中冷却，以及一次中温加热并在空气中冷却；三是生产成本较高，淬火态的高速钢需要经过三次回火处理，且回火温度较高。因此，现有的超强化热处理工艺的处理效果还是不够满足广泛应用和批量生产的要求。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提出一种超高强度超细晶粒钢板的制备方法，提供一种超高强度、超细晶粒、并具有优异的低温韧性的高能双向电脉冲热处理工艺，以解决现有技术的不足。
技术方案：本发明采用如下技术方案：
一种超高强度超细晶粒钢板的制备方法，包括如下步骤：
1)将钢板两端夹持在电脉冲设备的电极上，进行电脉冲加热处理，使高能脉冲电流通过高强度钢板以产生热效应和非热效应；
2)对步骤1)得到的钢板进行脉冲输入，根据钢板的厚度将电流密度控制在2.5～10A/mm2范围内，以获得组织均匀及晶粒超细的奥氏体晶粒；
3)将步骤2)中脉冲电流处理后的钢板置入水槽中，完成淬火，得到超高强度马氏体组织的钢板，屈服强度可达1600MPa以上；
4)把步骤3)中淬火得到的超高强度的钢板再进行回火处理后保温，随后在空气中冷却，得到综合力学性能优异的超高强度钢板。
进一步地，所述的步骤1)中，电脉冲加热处理的温度为900℃～960℃，放电时间为180s内。
进一步地，所述的步骤1)中，钢板的原始屈服强度为1500～1540MPa。
进一步地，所述的步骤2)中，脉冲输入采用正向脉冲加反向脉冲交替放电的控制方式，脉冲电源的空占比设定为50％，脉冲频率控制在0～500Hz。
进一步地，所述的步骤4)中，回火工艺采用150～250℃低温处理。
进一步地，所述的步骤4)中，保温时间为1～1.5h。
进一步地，所述电脉冲设备由电源、变压器、测温仪、脉冲信号发生器和示波器，控制系统以及连接装置构成。
有益效果：与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1、本发明采用双向电脉冲加热细化奥氏体晶粒，钢板的奥氏体的晶粒实现了超细化，晶粒尺寸≤5μm。
2、本发明通过向材料中输入脉冲电流产生一系列的物理效应，有利于消除钢板的成分偏析以及促进碳化物的溶解，大大提高了钢板韧性，尤其是低温韧性。
3、本发明采用双向脉冲加热配合传统低温回火处理，可生产屈服强度＞1600MPa，抗拉强度＞1650MPa，延伸率≥15％的超高强度钢板，-60℃冲击韧性≥40J。
4、本发明方法还具有生产设备简单，工艺节能高效等优点。通过对比发现，本发明与现有技术相比，本发明可实现奥氏体晶粒的超细化，消除成品钢板的成分偏析，能够同时提高钢板强度和韧性的优点，特别是低温冲击韧性，而且本发明还具有工艺简单，成本低，效率高等优势。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的介绍。
一种超高强度超细晶粒钢板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将高强度钢板两端夹持在电脉冲设备的电极上，在900℃～960℃进行电脉冲加热处理，根据钢板的厚度将放电时间控制在0～180s，使高能脉冲电流通过高强度钢板以产生热效应和非热效应，钢板化学成分见表1；
(2)对步骤(1)中电脉冲设备参数进行如下设定：根据钢板的厚度控制在2.5～10A/mm2范围内，脉冲频率控制在0～500Hz，脉冲输入采用正向脉冲加反向脉冲交替放电的控制方式，脉冲电源的空占比设定为50％，以获得组织均匀及晶粒超细的奥氏体晶粒，相关参数设定见表2；
(3)将步骤(2)中脉冲电流处理后的高强度钢板置入水槽中，完成淬火，得到超高强度马氏体组织的高强度钢板；
(4)把步骤(3)中淬火得到的超高强度的钢板再进行回火处理，回火工艺采用150～250℃低温处理，保温时间为1～1.5h，随后在进行空气中冷却，得到综合力学性能优异的超高强度钢板，其中，屈服强度＞1600MPa，抗拉强度＞1650MPa，延伸率≥15％的超高强度钢板，-60℃冲击韧性≥40J。
电脉冲加热时采用智能双脉冲电源成品装置，主要由电源、变压器、测温仪、脉冲信号发生器和示波器、控制系统以及连接装置构成。
实施例：
实施例钢板的对应性能见表3。可以看出经过高能双向电脉冲处理后高强度钢板实现了高强度和高韧性兼有的效果，为工程设备大型化、轻量化提供了可行性，具有批量生产和广泛应用的优势。
为了与常规热处理工艺作对比，采用化学成分和轧制工艺与电脉冲处理相同的高强度钢板为试验对象，在电阻炉中进行再次奥氏体化，加热温度控制在与电脉冲处理峰值温度相同的温度，然后进行淬火，最后进行相同条件的低温回火处理。
表3列出了传统热处理和电脉冲热处理相应的测试结果，可以看到电脉冲处理的钢板组织和性能均优于传统热处理。
主要表现在：(1)奥氏体晶粒明显细化，达到了超细化的水平(＜5μm)；(2)同时提高了钢板的强度和韧性，特别是低温韧性指标。
表1实施例高强钢板的化学成分(wt％)
Figure BDA0003039080930000041
表2实施例电脉冲工艺参数
脉冲电流密度/(A/mm<sup>2</sup>) 脉冲电流频率/HZ 脉冲输入方式 空占比
4.5 500 双向 50％
表3实施例钢板热处理工艺与组织及性能的对照
Figure BDA0003039080930000042

Claims (7)

1.一种超高强度超细晶粒钢板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将钢板两端夹持在电脉冲设备的电极上，进行电脉冲加热处理；所述电脉冲加热处理的温度为900℃~960℃；
2）对步骤1）得到的钢板进行脉冲输入，根据钢板的厚度将电流密度控制在2.5~10A/mm2范围内，以获得奥氏体晶粒；
3）将步骤2）中脉冲电流处理后的钢板置入水槽中，完成淬火；
4）把步骤3）中淬火得到的钢板再进行回火处理后保温，随后在空气中冷却，得到超高强度超细晶粒钢板；
所述钢板的化学成分按质量百分比计包括C：0.22%，Si：0.50%，Mn：1.35%，Nb：0.030%，V：0.04%，Ti：0.02%，Al：0.05%，Ni：0.8，Cr：0.65%，Mo：0.55%，B：0.0015%，Ca：0.0025%，P:0.009%，S:0.002%，O:0.0015%，N：0.0035%，H：0.0001%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种超高强度超细晶粒钢板的制备方法，其特征在于，所述的步骤1）中，放电时间为180s内。
3.根据权利要求1所述的一种超高强度超细晶粒钢板的制备方法，其特征在于，所述的步骤1）中，钢板的原始屈服强度为1500~1540MPa。
4.根据权利要求1所述的一种超高强度超细晶粒钢板的制备方法，其特征在于，所述的步骤2）中，脉冲输入采用正向脉冲加反向脉冲交替放电的控制方式，脉冲电源的空占比设定为50%，脉冲频率控制在0~500Hz。
5.根据权利要求1所述的一种超高强度超细晶粒钢板的制备方法，其特征在于，所述的步骤4）中，回火工艺采用150~250℃低温处理。
6.根据权利要求1所述的一种超高强度超细晶粒钢板的制备方法，其特征在于，所述的步骤4）中，保温时间为1~1.5h。
7.根据权利要求1所述的一种超高强度超细晶粒钢板的制备方法，其特征在于，所述电脉冲设备由电源、变压器、测温仪、脉冲信号发生器和示波器，控制系统以及连接装置构成。
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