CN115637383A - 一种硬度500hbw级低合金高强度高硬度马氏体防护钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于装甲防护钢领域，提出一种硬度500HBW级低合金高强度高硬度马氏体防护钢及其制造方法，其化学成分重量百分比：C：0.22‑0.32％、Si：0.2‑0.6％、Mn：0.28‑1.20％、P：≤0.015％、S≤0.003％、Cr：0.4‑0.7％、Ni：0.6‑1.5％、Mo：0.3‑0.7％、B：0.001‑0.005％、Al：0.02‑0.06％、Ti：0.01‑0.025％、Nb：0.01‑0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质。钢板马氏体体积分数大于90％，具有高强度、高硬度和良好的塑性和韧性，适用于防弹车辆、防弹用具和军用装甲车辆关键部件制造。

Description

一种硬度500HBW级低合金高强度高硬度马氏体防护钢及其制 造方法

技术领域

本发明涉及装甲防护钢领域，具体涉及一种硬度500HBW级低合金高强度高硬度马氏体防护钢及其制造方法。

背景技术

低合金高强度高硬度马氏体防护钢因其合金含量低，防弹和防侵彻性能良好，生产工艺灵活方便等优点，可以广泛应用于运钞车、装甲运兵车、押解车辆、贵宾车辆、防盗门、银行柜台防护板、保险柜等。该类部件一般都需要满足其防弹防爆性能，要求钢板具有高的强度、硬度及优异的防弹性能，以及良好的焊接性能等，以此来保证装备的防护作用和加工成型性能。

公开号为CN102181795A，名称为“一种超高强度防弹钢板及其制造工艺”的中国专利文献公开了一种超高强度防弹钢板及其制造成形工艺。该超高强度防弹钢板中的各化学元素(wt.％)为：C：0.30-0.5，Si：0.40-0.60，Mn：1.50-1.80，P≤0.025，S≤0.01，Cr+Ni+Mo≤2.5，Nb+V+Ti+B≤0.20，其余是Fe。该超高强度防弹钢板采用了低合金成分设计，经1180～1250℃加热，1000～1150℃开轧，850～900℃终轧，900～950℃热处理，并采用了通水冷却的热冲压成型工艺，水流入模子中的压力7～8bar，出口压力5.5～7bar，水流速度1.5～3m/s，获得了满足各项性能要求且板型平整度好、表面无氧化皮、厚度在2.2mm的B级超高强度轻量化防弹钢板和3.7mm的C级超高强度轻量化防弹钢板。该专利文献所公开的防弹钢板厚度在3mm以下，为热连轧钢板，其制造方式为热连轧。

公开号为CN201910295282.5，名称为“一种装甲用防弹钢板及其制造方法”的中文专利公开了一种装甲用防弹钢板及其制造方法，该钢板成分重量百分比为：C 0.25-0.38％、Si 0.20-0.40％、Mn 0.22-0.50％、P≤0.015％、S≤0.005％、Alt 0.010-0.050％、Ni 0.10-0.38％、Cr 0.80-1.50％、Mo 0.16-0.40％、Ti 0.010-0.035％、N≤0.0050％、H≤0.00022％；以及余量的Fe和不可避免的杂质。该专利所述钢板Ni元素含量较低且不含Nb元素，同时该专利中并未对钢板力学性能进行描述。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种硬度500HBW级低合金高强度高硬度马氏体防护钢，其设计思路是采用中高碳和合金化的成分设计，通过碳、硅、锰、铬和钼等合金元素提高钢板淬透性和强度，铌、钛等微合金元素与控制轧制工艺相互配合作用，并结合离线热处理的方法，得到细小均匀的马氏体组织，并结合镍元素共同提高钢板冲击韧性，保证钢板具有良好的强韧性。

本发明的第二目的在于提供所述钢板，钢板中马氏体体积分数大于90％，所述钢板硬度为480～540HBW，屈服强度≥1250MPa，抗拉强度为1600～1850MPa，延伸率≥10.0％，-40℃冲击功≥40J，且具有优异的防弹性能和加工成形性能。

本发明的第三目的在于提供所述的钢板的制造方法，本发明所述的钢板制造工艺需结合其成分设计，采用Nb、Ti微合金化设计并结合控制轧制工艺，细化奥氏体晶粒尺寸，保证钢板最终良好的强韧性，确保低合金防弹钢板优异的防弹性能和良好的加工成形性能。

为了实现本发明的上述目的，采用以下技术方案：

一种硬度500HBW级低合金高强度高硬度马氏体防护钢，包括按重量百分比计的以下组分：：C：0.22-0.32％、Si：0.2-0.6％、Mn：0.28-1.20％、P：≤0.015％、S≤0.003％、Cr：0.4-0.7％、Ni：0.6-1.5％、Mo：0.3-0.7％、B：0.001-0.005％、Al：0.02-0.06％、Ti：0.01-0.025％、Nb：0.01-0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质。

所述硬度500HBW级低合金高强度高硬度马氏体防护钢的钢板中，马氏体体积分数大于90％，钢板硬度为480～540HBW，屈服强度≥1250MPa，抗拉强度为1600～1850MPa，延伸率≥10.0％，-40℃冲击功≥40J。

碳：碳元素是提高防护钢板抗拉强度和硬度的最关键元素，适量碳元素添加是保证防弹钢板布氏硬度在480～540HBW之间的关键。同时碳元素能够显著提高钢板的淬透性，确保低合金防弹钢板组织体积分数为90％以上马氏体组织。但由于碳元素的增加，会降低钢板的韧塑性和焊接性能。所以如果钢板既要获得高硬度，又要具备一定的韧塑性和焊接性能，综合考虑，本发明的碳元素含量为0.22-0.32％。

硅：硅元素在钢中起固溶强化作用，其在奥氏体中的溶解度较大，提高硅含量有利于提高钢的强度和硬度，且能提高奥氏体的稳定性。但硅元素含量过高会导致钢的韧性下降，且高硅含量的钢板加热时的氧化皮粘度较大，出炉后除鳞困难，导致轧后钢板表面红色氧化皮严重、表面质量较差。此外，高硅还不利于钢板的焊接性能。综合考虑硅元素各方面的影响，本发明硅元素的含量为0.20-0.60％。

锰：锰元素能够扩到奥氏体区，稳定奥氏体组织，其能力仅次于合金元素镍，是廉价的稳定奥氏体和强化合金元素，同时锰元素能够增加钢的淬透性，降低马氏体形成的临界冷速。但锰元素含量过高时，会使钢板有使晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性，且容易导致铸坯中出现偏析和裂纹，降低钢板的性能。本发明结合其碳元素和硫元素的控制，锰元素的含量控制在0.28-1.20％。

硫和磷：硫元素在钢中易与锰元素等结合形成硫化夹杂物，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此硫的含量应尽可能地低。磷也是钢中的有害元素，严重损害钢板的塑性和韧性。对于本发明而言，硫和磷均是不可避免的杂质元素，应该越低越好，考虑到钢厂实际的炼钢水平，本发明要求P：≤0.015％，S≤0.003％。

铬：铬元素可以降低临界冷却速度、提高钢的淬透性。铬在钢中可以形成(Fe，Cr)3C、(Fe，Cr)7C3和(Fe，Cr)23C7等多种碳化物，提高强度和硬度。铬在回火时能阻止或减缓碳化物的析出与聚集，可以提高钢的回火稳定性。在本发明中，铬元素的含量应控制为0.40-0.7％。

钼：钼元素能显著地细化晶粒，提高强度和韧性。钼元素能减少钢的回火脆性，同时回火时还能析出非常细小的碳化物，显著强化钢的基体。由于钼元素是非常昂贵的战略合金元素，所以本发明中可添加不超过0.70％的钼。本发明中，钼元素含量为0.30-0.70％。

镍：镍元素是稳定奥氏体的元素，在调质钢中加镍元素，可以大幅提高钢的韧性尤其是低温韧性。在本发明中，为了保证得到极高的强度和硬度，在合金设计时添加了较高的碳元素，从而会使得钢板的韧塑性非常差。为了保证钢板既具有高的强度和硬度，而且还具有一定的韧塑性，同时还考虑到镍元素属于贵重合金元素，所以本发明中镍的含量为0.6-1.5％。

硼：淬透性元素，对提高钢板淬透性尤其是厚规格钢板的淬透性有着重要作用。钢中添加少量的硼元素即可较大地增加钢板的淬透性，且硼元素资源富有，价格便宜，添加少量的硼可以显著的节省锰、镍、铬、钼等贵重的合金元素添加。但过多的硼元素会增加晶界的偏聚，从而降低钢铁材料的韧塑性。在本发明中，硼元素的含量为：0.001-0.005％。

铝：用作冶炼时脱氧剂，可以细化晶粒，改变钢的时效，同时还可以改变钢的低温韧性，降低韧脆转变温度，并且一定程度上提高钢的抗氧化性能。但过多的铝元素会促进钢的石墨化倾向，降低钢材的高温强度和韧性。在本发明中，铝元素的含量为：0.02-0.06％。

钛：钛元素是强碳化物形成元素，钢中加入微量的钛元素有利于固定钢中的氮，形成的TiN，能使钢坯加热时奥氏体晶粒出现异常的长大，细化原始奥氏体晶粒度。本发明钛含量控制在0.01-0.025％。

铌：铌元素在钢中可以阻止再结晶和阻碍再结晶晶粒长大，提高强度。同时，铌元素在钢中可强烈地形成铌的碳化物和氮化物，从而影响钢的性能，且铌元素能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性。在本发明中，铌元素的含量控制为0.01-0.03％。

优选地，所述钢包括按重量百分比计的以下组分：C：0.24-0.30％、Si：0.25-0.35％、Mn：0.60-1.0％、P≤0.010％、S≤0.0015％、Cr：0.50-0.65％、Ni：0.7-1.2％、Mo：0.30-0.55％、B：0.0015-0.003％、Ti：0.01-0.02％、Nb：0.015-0.025％、Al：0.03-0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。

一种硬度500HBW级低合金高强度高硬度马氏体防护钢的制造方法制造方法，包括步骤如下，

步骤一、按照钢种成分取料进行冶炼获得钢水，钢水依次进行脱硫、转炉冶炼、LF精炼及RF精炼处理；

步骤二、经步骤一处理的钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，得到的铸坯或铸锭冷却后进行1150～1250℃加热，根据钢板厚度控制加热时间为8-15min/cm；均匀加热后铸坯或铸锭进行奥氏体再结晶区和未再结晶区的两阶段轧制，轧制后得到的钢板冷却至室温，冷却方式为空冷或控制冷却；

步骤三、对冷却后的热轧态钢板进行离线热处理，离线热处理工艺为淬火+回火。

奥氏体再结晶区轧制要求道次压下率≥20％，终轧温度为1000～1100℃。

未再结晶区轧制要求累积压下率≥60％，开轧温度:850℃-930℃，终轧温度≥830℃。

离线热处理工艺中，淬火温度为：810-870℃，根据钢板厚度，淬火加热时间为1.5-2.5min/mm，淬火冷却速度≥8℃/s；回火温度为150-250℃，根据钢板厚度，回火加热时间为2-4min/mm，回火后钢板空冷至室温。

本发明中的制造过程对本发明产品的影响：转炉冶炼和真空处理的目的是确保钢液的基本成分要求，去除钢中的氧、氢等有害气体，并加入锰、钛等必要的合金元素，进行合金元素的调整。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明采用低碳当量成分设计保证钢板塑性、韧性及成形性能，结合Cr、Mo合金化提高钢板强度并保证钢板塑性，适当的Mn元素及B元素含量保证钢板淬透性，以确保最终钢板整体组织均为回火马氏体，较高的Ni元素含量促进螺位错交滑移，保证钢板低温韧性。

2.本发明获得的钢板具有极高的强度、硬度同时兼具良好的塑性和低温韧性，其屈服强度≥1250MPa，抗拉强度为1600～1850MPa，延伸率≥10.0％，-40℃冲击功≥40J。本发明钢板采用热轧和离线热处理的方式生产，生产工艺简单，成品性能稳定，满足实际生产要求。

3.本发明得到的组织主要为马氏体组织，通过细化板条马氏体组织提高钢板强度、塑性和低温韧性。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

按本发明钢种的化学成分要求，并结合所述的制造工艺，以制造不同规格的高强高硬度马氏体防护钢板。具体的成分如下：

表1本发明各实施例的化学成分(wt％)

所冶炼的钢坯或钢锭按所述的方法，采用控制轧制和离线热处理相结合的方法进行高强高硬度马氏体防护钢板的生产，其中实施例1采用了低碳含量成分设计。

实施例1

按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度120mm，将钢坯加热至1200℃的炉温，保温120min后出炉进行奥氏体再结晶区轧制和未再结晶区轧制，其中再结晶区终轧温度为1050℃，未再结晶区终轧温度为870℃，钢板的最终轧制厚度为6mm，轧后空冷至室温，然后进行淬火和回火处理，淬火温度为870℃，加热时间为12min，回火温度为200℃，加热时间为18min。

实施例2

将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度110mm，将钢坯加热至1200℃的炉温，保温120min后出炉进行奥氏体再结晶区轧制和未再结晶区轧制，其中再结晶区终轧温度为1040℃，未再结晶区终轧温度为850℃，钢板的最终轧制厚度为8mm，轧后空冷至室温，然后进行淬火和回火处理，淬火温度为850℃，加热时间为15min，回火温度为200℃，加热时间为25min。

实施例3

将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度120mm，将钢坯加热至1180℃的炉温，保温120min后出炉进行奥氏体再结晶区轧制和未再结晶区轧制，其中再结晶区终轧温度为1030℃，未再结晶区终轧温度为870℃，钢板的最终轧制厚度为12mm，轧后空冷至室温，然后进行淬火和回火处理，淬火温度为830℃，加热时间为25min，回火温度为180℃，加热时间为30min。

实施例4

将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度120mm，将钢坯加热至1200℃的炉温，保温120min后出炉进行奥氏体再结晶区轧制和未再结晶区轧制，其中再结晶区终轧温度为1030℃，未再结晶区终轧温度为860℃，钢板的最终轧制厚度为12mm，轧后空冷至室温，然后进行淬火和回火处理，淬火温度为830℃，加热时间25min，回火温度为180℃，加热时间为30min。

对实施例中的钢板的力学性能进行测试，其中屈服强度、抗拉强度及断后延伸率按照GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法进行，低温冲击韧性按GB/T229-2007金属夏比V型缺口冲击试验方法测定，硬度按照GB/T231.1-2009方法测定，得到的结果见表2所示。

表2本发明钢板的力学性能

由表2可以看出，实施例1和实施例2采用的是半冲击，故满足-40℃冲击功大于40J要求，但实施例1、实施例2硬度低于480HBW，且屈服强度低于1250MPa，抗拉强度低于1600MPa，不满足本发明要求。实施例3在满足硬度、屈服强度、抗拉强度及延伸率要求下，-40℃冲击功低于40J，不满足本发明要求。实施例4成分及工艺参数在本发明规定范围内，且力学性能满足本发明要求，因此结果表明，本发明所述的低合金高强度高硬度马氏体防护钢的布氏硬度在480～540HBW之间，屈服强度大于1250MPa，抗拉强度为1600～1850MPa，延伸率大于10％，可见本发明涉及的硬度500HBW级低合金高强度高硬度马氏体防护钢具有超高的硬度和强度同时兼具良好的塑性和韧性。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (7)

1.一种硬度500HBW级低合金高强度高硬度马氏体防护钢，其特征在于，所述钢包括按重量百分比计的以下组分：C：0.22-0.32％、Si：0.2-0.6％、Mn：0.28-1.20％、P：≤0.015％、S≤0.003％、Cr：0.4-0.7％、Ni：0.6-1.5％、Mo：0.3-0.7％、B：0.001-0.005％、Al：0.02-0.06％、Ti：0.01-0.025％、Nb：0.01-0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质；硬度500HBW级低合金高强度高硬度马氏体防护钢中马氏体体积分数大于90％。

2.根据权利要求1所述的高强度高硬度马氏体防护钢，其特征在于，所述钢包括按重量百分比计的以下组分：C：0.24-0.30％、Si：0.25-0.35％、Mn：0.60-1.0％、P≤0.010％、S≤0.0015％、Cr：0.50-0.65％、Ni：0.7-1.2％、Mo：0.30-0.55％、B：0.0015-0.003％、Al：0.03-0.05％、Ti：0.01-0.02％、Nb：0.015-0.025％，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.一种硬度500HBW级低合金高强度高硬度马氏体防护钢的制造方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一：按照钢种成分取料进行冶炼获得钢水，钢水依次进行脱硫、转炉冶炼、LF精炼及RF精炼；

步骤二：经步骤一处理的钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，得到的铸坯或铸锭冷却后进行加热；均匀加热后铸坯或铸锭进行奥氏体再结晶区和未再结晶区的两阶段轧制，轧制后得到的钢板冷却至室温，冷却方式为空冷或控制冷却；

步骤三：对冷却后的热轧态钢板进行离线热处理，热处理工艺为淬火+回火。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述步骤二中的加热温度为1150～1250℃；加热时间根据钢板厚度设置为8-15min/cm。

5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述奥氏体再结晶区轧制要求道次压下率≥20％，终轧温度为1000～1100℃。

6.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述未再结晶区轧制要求累积压下率≥60％，开轧温度:850℃-930℃，终轧温度≥830℃。

7.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述热处理工艺中，淬火温度为：810-870℃，根据钢板厚度淬火加热时间为1.5-2.5min/mm，淬火冷却速度≥8℃/s；回火温度为150-250℃，根据钢板厚度回火加热时间为2-4min/mm，回火后钢板空冷至室温。