CN117626102B - 一种高强韧超高强度钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及合金钢领域，具体公开了一种高强韧超高强度钢及其制备方法，其制备方法包括以下步骤：步骤1，将原料钢、镍、钼和铌进行熔化，在1610℃以上出渣，在1670℃以上出粗钢水，粗钢水时加入调理剂；步骤2，将经过冶炼后的粗钢水加入精炼料，采用氧化钙、氧化铝、石灰造渣，随后加入Cr、Cu、Mn、Si和稀土元素进行合金化，得到钢包；步骤3，将精炼后的钢包进行真空脱气，在1500‑1600℃出钢，浇注电极；步骤4，将电极进行真空自耗重熔，得到钢锭；步骤5，钢锭进行锻造，得到棒材；步骤6，将棒材进行热处理，得到超高强度钢。得到的产品满足高强度和高韧性的要求，同时具有优异的循环耐腐蚀性能和旋压性能。
Description
技术领域
本申请涉及合金钢领域，更具体地说，它涉及一种高强韧超高强度钢及其制备方法。
背景技术
一直以来，固体火箭发动机作为运载火箭的重要动力，发动机壳体既是固体推进剂的储箱，同时也是运载火箭主体结构的主要部分。超高强度钢壳体以其结构刚度大、制造过程相对简单、技术成熟度高、易于制造复杂结构等优点，被国内外大型固体助推器、固体运载火箭等作为首选的壳体结构材料。
随航天发展的需求，1900MPa以上更高强度的固体发动机用超高强度钢的需求十分迫切，常用的超高强度钢主要有D406A、30Cr3SiNiMoVA、D6AC（D6AE）和二代的18Ni%马氏体时效钢系列等，一代的D406A、30Cr3SiNiMoVA 和D6AC（D6AE）属于低合金超高强度钢，虽然原材料价格较低，但材料强度低，循环耐腐蚀性不佳。马氏体时效钢虽然抗拉强度能达到1500 MPa以上，但无法适应旋压工艺，不利于锻件和零部件的成型。由此迫切需要研制一种超高强度钢，在航天工程应用中满足高强度和高韧性的力学性能，同时具有优异的循环耐腐蚀性能和良好的旋压性能。
发明内容
本申请提供一种高强韧超高强度钢及其制备方法，得到的超高强度钢的抗拉强度可以达到1900MPa、屈服强度1500MPa以上，断裂韧性可以达到90MPam1/2以上，同时兼具优异的循环耐腐蚀性能和旋压性能，旋压减薄率可达60%以上。
第一方面，本申请提供的一种高强韧超高强度钢的制备方法采用如下的技术方案：
一种高强韧超高强度钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼：将原料钢、镍、钼和铌升温至1500-1600℃进行熔化，在1610℃以上出渣，在1670℃以上出粗钢水，出粗钢水时加入调理剂，调理剂的加入量为0.1-0.3kg/t；
所述调理剂经由以下步骤制得：将萤石、石英砂和石墨混合加热并在超声条件下进行研磨至粒径100μm以下，得到调理剂；
步骤2，精炼：将经过冶炼后的粗钢水加入精炼料，采用氧化钙、氧化铝、石灰造渣，精炼温度为1500-1650℃，随后加入Cr、Cu、Mn、Si和稀土元素进行合金化，得到钢包；
步骤3，真空脱气：将精炼后的钢包进行真空脱气，真空脱气后在1500-1600℃出钢，浇注电极；
步骤4，真空自耗重熔：将步骤3得到的电极进行真空自耗重熔，得到钢锭；
步骤5，锻造：将钢锭进行锻造，得到棒材；所述锻造的开锻温度为1100-1200℃，终锻温度为800-900℃，综合锻比≥8；
步骤6，热处理：将棒材进行热处理，所述热处理包括依次进行的淬火处理和低温回火处理，得到超高强度钢；
所述淬火处理所用淬火油经由以下步骤制得：将基础油，航空汽油，石油磺酸盐，丙酮，聚苯胺加热共混得到淬火油。
进一步的，步骤2中，在精炼过程中采用氩气吹炼，氩气压力维持在0.2MPa-0.3MPa。
进一步的，步骤3中，将精炼后的钢包在温度1650-1720℃进行真空脱气。
进一步的，步骤4中，所述真空自耗重熔的真空度为0.01-2Pa，熔化速度为4-6公斤/min，电压21-23V，电流11000-13000A。
通过采用上述技术方案，将原料钢、镍、钼和铌进行熔化冶炼，并将经过改性的萤石、石英砂和石墨做为调理剂加入粗钢水中，超声波在传播过程中会产生机械效应、热效应、空化效应和化学效应，萤石、石英砂和石墨在超声的条件下耦合机械研磨能够对其晶体结构、表观性能起到良好的改性作用，表面的化合键更易断裂、活性位点更多，以使得调理剂的加入不仅能够起到降低熔点和粗钢水黏度的作用，还能够有效降低粗钢水中的杂质，起到优异的净化作用，并能有效降低钢的热损，有效提高粗钢水的质量，并与后续的精炼等步骤协同，改善钢材的力学性能和耐循环腐蚀性能。
在粗钢水中加入精炼料，并采用氧化钙、氧化铝、石灰造渣，能够进一步达到除杂、脱氧等作用，起到良好的净化作用，提高钢水质量和冶炼效率，配合真空脱气、真空自耗重熔、锻造和热处理后，得到力学性能佳、旋压性能优异以及耐腐蚀性优异的钢材。在热处理过程中，采用特定的淬火油并配合相应的淬火温度对其进行淬火处理，提高钢材的强度、韧性以及抗拉强度等力学性能，并赋予钢材优异的耐腐蚀性能。
本申请各步骤之间互相协同配合调控中碳回火马氏体、对ε碳化物进行强化，调控残余奥氏体含量并进行韧化，实现超高强度和超高韧性的匹配，以使得产品具有优异的综合力学性能，在室温条件下的抗拉强度≥1900MPa，屈服强度≥1500MPa，断裂韧性≥90MPam1/2，同时兼具优异的循环耐腐蚀性能和旋压性能，旋压减薄率可达60%以上。
优选的，所述超声条件为：超声波功率为60-100W，超声波频率为100-200kHz。
通过采用上述技术方案，通过研究实验发现，将超声频率设定在100-200kHz之间，超声波功率为60-100W，能够具备良好的渗透深度和能量，耦合机械研磨能够对萤石、石英砂和石墨的晶体结构、表观性能起到良好的改性作用。
优选的，所述萤石、石英砂和石墨的质量比为3:(1-2):(0.55-1.1)。
通过采用上述技术方案，优化调理剂中各组分的用量关系，进一步改善粗钢水的质量，提高钢材综合性能。
优选的，所述精炼料包括石灰、硅铁粉、硅钙粉、碳粉中的至少一种。
进一步的，精炼料可以为石灰和硅铁粉的混合物，可以为硅铁粉和硅钙粉的混合物，也可以为石灰、硅钙粉和碳粉的混合物，还可以为石灰、硅铁粉、硅钙粉、碳粉的混合物等。
通过采用上述技术方案，石灰可以对有害杂质如硫、磷等物质进行去除，同时采用石灰作为炉渣也可以减缓炼钢炉的侵蚀，对炼钢炉有一定的保护作用，同时增加钢材的质量。采用硅铁粉、硅钙粉、碳粉进行精炼，能够调节钢水的成分，其具有良好的还原作用，脱氧效果佳，可有效提高钢材的强度、硬度和弹性，保证钢的质量和性能稳定性。
优选的，所述淬火油中所用组分用量如下，以重量份计，基础油20-30份，航空汽油10-18份，石油磺酸盐4-9份，丙酮11-17份，聚苯胺1-4份。
进一步的，基础油为矿物油、氢化油中的一种。
通过采用上述技术方案，以基础油、航空汽油为底料，丙酮作为混溶剂，配合石油磺酸盐和聚苯胺，共混得到的淬火油配合相应的淬火温度，对棒材进行热处理后，能够有效提高钢材的强度、韧性等力学性能，改善钢材的旋压性能，并赋予钢材优异的耐腐蚀性能。
优选的，所述淬火处理的温度为800-910℃，所述淬火处理的保温时间为1-2h。
优选的，所述回火处理的温度为200-300℃，所述回火处理的保温时间为2-6h。
通过采用上述技术方案，优化淬火温度和回火处理温度，提高热处理效果，协同改善钢材的综合性能。
优选的，所述稀土元素包括镧、铈、钕、镥中的一种或几种。
通过采用上述技术方案，选用合适的稀土元素，改善钢材力学性能的同时，提高钢材的耐腐蚀性能。
第二方面，本申请提供一种高强韧超高强度钢，采用如下的技术方案：
一种高强韧超高强度钢，采用上述的高强韧超高强度钢的制备方法制得。
优选的，所述高强韧超高强度钢包括以下重量百分比的成分：C:0.36-0.43%，Cr:2.6-3.6%，Ni:0.6-1.2%，Mn:0.5-1.8%，Ca:0.002-0.005%，稀土元素:0.01-0.025%，Mo:0.4-0.9%，Al:0.02-0.08%，Nb:0.05-0.2%，Si:0.4-1%，Cu:0.1-0.5%，V≤0.30%，余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步的，所述不可避免的杂质包括：S≤0.003%，P≤0.005%，O≤0.001%，N≤0.004%。
C是主要的强化元素之一，回火马氏体的强度直接与固溶的碳含量相关，碳含量过低时钢材达不到需要的1900MPa，过多的C含量会恶化钢的塑韧性和焊接性，以及钢的工艺性能，在本申请中，将C含量控制为0.36-0.43%更佳。
Cr能够有效地提高钢的淬透性和回火抗力，还能够产生固溶强化，以获得所需的高强度，同时显著提高抗脱碳能力。当Cr含量较低时无法满足所需淬透性和韧性要求，过多的Cr含量则会提高钢的淬火温度、粗化组织、降低Ms点。
Ni作为强化、韧化元素，能显著提高钢的淬透性、产生固溶强化，提高马氏体基体的抗解理断裂能力保证有足够的韧性。其含量过低将严重影响钢材的韧性，但含量过高又会造成马氏体相变点过低，残余奥氏体的过多降低强度性能。
本申请中Si可抑制残余奥氏体向Fe3C的分解转变稳定奥氏体，并使回火马氏体脆性区向高温方向移动，降低第一类回火脆性，同时Si提高强度特别是屈服强度改善屈强比，当Si含量过低无法满足稳定奥氏体和提高屈服强度的作用，但是过高的Si含量又会显著降低抗脱碳性能。
Mn可以提高钢的淬透性和强度，同时Mn是形成残余奥氏体的主要元素，是重要的韧化元素。但Mn含量太少将造成强度和韧性不足，但过多的Mn含量或者过多Ni、Mn含量，也会造成残余奥氏体的过多降低强度性能。
Mo可以提高钢的淬透性、产生固溶强化，提高钢的回火抗力以及抑制回火脆性的作用。含量Mo≤0.4%难以起到上述作用，但含量过高Mo≥0.9%将提高淬火温度，显著提高成本降低经济性，因而控制Mo含量在0.4-0.9%。
在本申请中Nb通过与C形成NbC，细化晶粒，提高钢的韧性，但过高的Nb含量会增加脆性倾向。Cu在一定含量内可以与其他元素协同提高强度特别是中温强度的作用，辅助改善钢材的耐腐蚀性能。
在本申请中纯Fe等原料中常有少量V的残余存在，但V含量过高会显著提高固溶温度降低塑性，同时在高Cr、Mo时V的加入会增加固溶处理的复杂性，因此本发明V的残余控制在≤0.3%以内。进一步将杂质元素的含量控制在上述范围，避免杂质元素对钢材塑韧性的影响，提高钢的强韧性和旋压性能。
在本申请中，Fe能与Cr、Ni、Si、Mn、Mo、C等元素共同形成马氏体基体，是主要的基体元素，通过相变强化提高钢材的强度等力学性能，并配合其他元素改善钢材的耐腐蚀性能。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1.严格把控各元素含量，有利于各元素在特定的工艺条件下互相协同，以得到抗拉强度可以达到1900MPa、屈服强度1500MPa以上的超高强钢材，其断裂韧性可以达到90MPam1/2以上，同时兼具优异的循环耐腐蚀性能和旋压性能，旋压减薄率可达60%以上。
2.通过调理剂的加入起到降低熔点和粗钢水黏度的作用，有效降低粗钢水中的杂质，起到优异的净化作用，并能有效降低钢的热损，有效提高粗钢水的质量，再通过在粗钢水中加入精炼料，并采用氧化钙、氧化铝、石灰造渣，能够进一步达到除杂、脱氧等作用，起到良好的净化作用，提高钢水质量和冶炼效率。配合真空脱气、真空自耗重熔、锻造和热处理后，得到力学性能佳、旋压性能优异以及耐腐蚀性优异的钢材。
3.在热处理过程中，采用特定的淬火油并配合相应的淬火温度对其进行淬火处理，提高钢材的强度、韧性以及抗拉强度等力学性能，并赋予钢材优异的耐腐蚀性能。各工艺步骤之间互相协同，相辅相成，得到综合性能优异的超强度钢材。
附图说明
图1为本申请高强韧超高强度钢的制备方法的工艺流程图。
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，实施例中未注明的具体条件，按照常规条件或者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。
实施例1
一种高强韧超高强度钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼：将原料钢、镍、钼和铌置于EF电弧炉内，并升温至1500℃进行熔化，在1610℃以上出渣，在1670℃以上出粗钢水，出粗钢水时加入调理剂，调理剂的加入量为0.1kg/t；
所述调理剂经由以下步骤制得：将萤石、石英砂和石墨按照3:1:0.55的质量比混合，加热至80℃并在超声条件下进行机械研磨至粒径100μm以下，得到调理剂；超声条件为：超声波功率为60W，超声波频率为200kHz；
步骤2，精炼：将经过冶炼后的粗钢水加入精炼料在LF炉精炼，精炼料为硅钙粉和碳粉；精炼温度为1650℃，采用氧化钙、氧化铝、石灰造渣，随后加入Cr、Cu、Mn、Si和稀土元素La进行合金化，在精炼过程中采用氩气吹炼，氩气压力维持在0.2MPa-0.3MPa，得到钢包；
步骤3，真空脱气：将精炼后的钢包在温度1650℃进行真空脱气，真空脱气后在1500℃出钢，浇注电极；
步骤4，真空自耗重熔：将步骤3得到的电极进行真空自耗重熔，真空自耗重熔的真空度为2Pa，熔化速度为6公斤/min，电压21V，电流11000A，得到钢锭；
步骤5，锻造：钢锭进行锻造，得到棒材；所述锻造的开锻温度为1100℃，终锻温度为800℃，综合锻比≥8；
步骤6，热处理：将棒材进行热处理，所述热处理包括依次进行的淬火处理和低温回火处理，淬火处理的温度为890℃，淬火处理的保温时间为1h；回火处理的温度为220℃，所述回火处理的保温时间为4h；得到超高强度钢；
淬火处理所用淬火油经由以下步骤制得：将矿物油20份，航空汽油10份，石油磺酸盐9份，丙酮11份，聚苯胺1份加热共混得到淬火油；
一种高强韧超高强度钢，包括以下重量百分比的成分：C:0.36%，Cr:3.3%，Ni:1.2%，Mn:1%，Ca:0.002%，La:0.01%，Mo:0.4%，Al:0.02%，Nb:0.2%，Si:1%，Cu:0.1%，V:0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质；不可避免的杂质包括：S≤0.003%，P≤0.005%，O≤0.001%，N≤0.004%。
实施例2
一种高强韧超高强度钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼：将原料钢、镍、钼和铌置于EF电弧炉内，并升温至1580℃进行熔化，在1610℃以上出渣，在1670℃以上出粗钢水，出粗钢水时加入调理剂，调理剂的加入量为0.3kg/t；
所述调理剂经由以下步骤制得：将萤石、石英砂和石墨按照3:2:1.1的质量比混合，加热至80℃并在超声条件下进行机械研磨至粒径100μm以下，得到调理剂；超声条件为：超声波功率为100W，超声波频率为100kHz；
步骤2，精炼：将经过冶炼后的粗钢水加入精炼料在LF炉精炼，精炼料为硅钙粉和石灰和硅铁粉；精炼温度为1600℃，采用氧化钙、氧化铝、石灰造渣，随后加入Cr、Cu、Mn、Si和稀土元素Ce进行合金化，在精炼过程中采用氩气吹炼，氩气压力维持在0.2MPa-0.3MPa，得到钢包；
步骤3，真空脱气：将精炼后的钢包在温度1720℃进行真空脱气，真空脱气后在1500℃出钢，浇注电极；
步骤4，真空自耗重熔：将步骤3得到的电极进行真空自耗重熔，真空自耗重熔的真空度为0.2Pa，熔化速度为5公斤/min，电压21-23V，电流11000-13000A，得到钢锭；
步骤5，锻造：钢锭进行锻造，得到棒材；所述锻造的开锻温度为1160℃，终锻温度为850℃，综合锻比≥8；
步骤6，热处理：将棒材进行热处理，所述热处理包括依次进行的淬火处理和低温回火处理，淬火处理的温度为910℃，所述淬火处理的保温时间为1h；回火处理的温度为260℃，所述回火处理的保温时间为3.5h；得到超高强度钢；
淬火处理所用淬火油经由以下步骤制得：将氢化油30份，航空汽油18份，石油磺酸盐4份，丙酮17份，聚苯胺4份加热共混得到淬火油。
一种高强韧超高强度钢，包括以下重量百分比的成分：C:0.43%，Cr:3.6%，Si:0.6%，Ni:1.2%，Mn:1.8%，Ca:0.005%，Ce:0.025%，Mo:0.4%，Al:0.08%，Nb:0.03%，Cu:0.3%，V:0.2%，余量为Fe及不可避免的杂质；不可避免的杂质包括：S≤0.003%，P≤0.005%，O≤0.001%，N≤0.004%。
实施例3
与实施例2的区别在于，一种高强韧超高强度钢，包括以下重量百分比的成分：C:0.41%，Cr:2.8%，Si:1%，Ni:1.2%，Mn:0.6%，Ca:0.003%，Ce:0.02%，Mo:0.4%，Al:0.07%，Nb:0.11%，Cu:0.2%，V:0.1%，余量为Fe及不可避免的杂质；不可避免的杂质包括：S≤0.003%，P≤0.005%，O≤0.001%，N≤0.004%。
高强韧超高强度钢的制备方法中，步骤1具体为：冶炼：将原料钢、镍、钼和铌EF置于EF电弧炉内，并升温至1500℃进行熔化，在1610℃以上出渣，在1670℃以上出粗钢水，出粗钢水时加入调理剂，调理剂的加入量为0.2kg/t；调理剂经由以下步骤制得：将萤石、石英砂和石墨按照3:2:1.1的质量比混合，加热至80℃并在超声条件下进行机械研磨至粒径100μm以下，得到调理剂；超声条件为：超声波功率为80W，超声波频率为165kHz；
其余均与实施例2相同。
实施例4
与实施例3的区别在于，一种高强韧超高强度钢，包括以下重量百分比的成分：C:0.41%，Cr:2.6%，Si:1%，Ni:1.2%，Mn:0.6%，Ca:0.003%，Ce:0.02%，Mo:0.7%，Al:0.02%，Nb:0.05%，Cu:0.2%，V:0.1%，余量为Fe及不可避免的杂质；不可避免的杂质包括：S≤0.003%，P≤0.005%，O≤0.001%，N≤0.004%。
高强韧超高强度钢的制备方法中，步骤2具体为：精炼：将经过冶炼后的粗钢水加入精炼料，精炼料为石灰、硅铁粉、硅钙粉、碳粉，采用氧化钙、氧化铝、石灰造渣，精炼温度为1580℃，随后加入Cr、Cu、Mn、Si和稀土元素Ce进行合金化，得到钢包；
其余均与实施例3相同。
实施例5
与实施例4的区别在于，
高强韧超高强度钢的制备方法中，步骤3，真空脱气：将精炼后的钢包在温度1680℃进行真空脱气，真空脱气后在1580℃出钢，浇注电极；
步骤4，真空自耗重熔：将步骤3得到的电极进行真空自耗重熔，真空自耗重熔的真空度为1Pa，熔化速度为5公斤/min，电压23V，电流12000A，得到钢锭；
步骤5，锻造：钢锭进行锻造，得到棒材；所述锻造的开锻温度为1180℃，终锻温度为830℃，综合锻比≥8；
其余均与实施例4相同。
实施例6
与实施例5的区别在于，
高强韧超高强度钢的制备方法中，步骤6，热处理：将棒材进行热处理，热处理包括依次进行的淬火处理和低温回火处理，淬火处理的温度为900℃，淬火处理的保温时间为1.5h；回火处理的温度为300℃，所述回火处理的保温时间为3h；得到超高强度钢；
淬火处理所用淬火油经由以下步骤制得：将氢化油26份，航空汽油15份，石油磺酸盐7份，丙酮15份，聚苯胺3份加热共混得到淬火油；
其余均与实施例5相同。
对比例1
与实施例1的区别在于，步骤1中，调理剂为未经改性的萤石、石英砂和石墨，调理剂的加入量为0.5kg/t；其余均与实施例1相同。
对比例2
与实施例1的区别在于，步骤1中，调理剂为碳粉，其余均与实施例1相同。
对比例3
与实施例1的区别在于，步骤6中，将淬火油替换为矿物油，其余均与实施例1相同。
对比例4
合金钢为30CrMnSiNi2A，具体组分含量如下：C:0.27%，Cr:1%，Si:1.2%，Mn:1%，Ni:1.8%，余量为Fe及不可避免的杂质。
对比例5
合金钢为D6AC，具体组分含量如下：C:0.46%，Cr:1.05%，Si:0.22%，Mn:0.9%，Ni:0.4%，Mo:1.1%，V:0.1%，余量为Fe及不可避免的杂质。
将实施例1-6和对比例1-5制得的产品根据GB/T228.1-2021《金属材料拉伸试验标准》和GB/T229-2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，得到产品的抗拉强度K1、屈服强度Q1、断裂韧性D1、一次旋压减薄率，其结果见表1所示。
表1
| 抗拉强度/ MPa | 屈服强度/ MPa | 断裂韧性/ MPam1/2 | 一次旋压减薄率/% | |
| 实施例1 | 1920 | 1520 | 93 | 65 |
| 实施例2 | 1970 | 1560 | 90 | 60.9 |
| 实施例3 | 1960 | 1540 | 95 | 63.3 |
| 实施例4 | 2010 | 1580 | 100 | 62.1 |
| 实施例5 | 2030 | 1610 | 102 | 62.9 |
| 实施例6 | 2080 | 1590 | 105 | 64 |
| 对比例1 | 1740 | 1420 | 85 | 55.8 |
| 对比例2 | 1690 | 1380 | 83 | 53.1 |
| 对比例3 | 1810 | 1450 | 88 | 57.6 |
| 对比例4 | 1600 | 1320 | 82 | 43.1 |
| 对比例5 | 1520 | 1400 | 80 | 45.2 |
将实施例1-6和对比例1-5制得的产品进行循环耐腐蚀试验，一个循环总试验时间为8h，其中酸性盐雾试验时间2h，干燥条件下4h，润湿条件下2h。
其中酸性盐雾试验条件为：盐水浓度50±5g/L，pH值为6.8，试验温度为35±2℃，喷雾压力0.1MPa，烟雾沉降量10-20ml/h。
干燥条件为：温度为60℃，相对湿度＜30%RH。
湿润条件为：温度为50℃，相对湿度＞95%RH。
经100个循环后，测试各产品的抗拉强度K2、屈服强度Q2、断裂韧性D2，并计算前后的性能变化率，抗拉强度变化率=(K1-K2)/K1；屈服强度变化率=(Q1-Q2)/ Q1；断裂韧性变化率=(D1-D2)/D1，结果见表2。
表2
| 抗拉强度变化率/% | 屈服强度变化率/% | 断裂韧性变化率/% | |
| 实施例1 | 5.25 | 6.31 | 7.66 |
| 实施例2 | 5.31 | 6.52 | 7.14 |
| 实施例3 | 5.42 | 6.14 | 7.35 |
| 实施例4 | 4.91 | 6.22 | 6.9 |
| 实施例5 | 4.73 | 5.83 | 6.75 |
| 实施例6 | 4.45 | 5.62 | 6.25 |
| 对比例1 | 8.7 | 10.17 | 11.21 |
| 对比例2 | 9.11 | 10.89 | 11.85 |
| 对比例3 | 8.42 | 9.14 | 10.2 |
| 对比例4 | 10.26 | 11.25 | 13.25 |
| 对比例5 | 10.35 | 12.31 | 12.86 |
通过实施例1-6并结合表1和表2可以看到，采用本申请特定的元素配合，并在特定的工艺条件下，能够得到抗拉强度可以达到1900MPa、屈服强度1500MPa以上的超高强钢材，其断裂韧性可以达到90MPam1/2以上，同时兼具优异的循环耐腐蚀性能和旋压性能，旋压减薄率可达60%以上。
通过实施例1和对比例1-2并结合表1和表2可以看到，对比例1中加入的萤石、石灰和石墨未经改性，且整体的添加量过多，对比例2则采用碳粉替代本申请的调理剂，对比例1和对比例2制得的产品的力学性能和旋压性能均有一定程度的下降，而经过循环耐腐蚀试验后，产品前后的力学性能变化率明显，产品的耐循环腐蚀性能不佳。这是因为超声波在传播过程中会产生机械效应、热效应、空化效应和化学效应，萤石、石英砂和石墨在超声的条件下耦合机械研磨能够对其晶体结构、表观性能起到良好的改性作用，表面的化合键更易断裂、活性位点更多，以使得经过改性的萤石、石英砂和石墨做为调理剂加入粗钢水中，不仅能够起到降低熔点和粗钢水黏度的作用，还能够有效降低粗钢水中的杂质，起到优异的净化作用，并能有效降低钢的热损，有效提高粗钢水的质量，并与后续的精炼等步骤协同，改善钢材的力学性能和耐循环腐蚀性能。
通过实施例1和对比例3并结合表1和表2可以看到，对比例3将淬火油替换为普通的矿物油，对其力学性能和旋压性能有一定程度的影响，但经过循环耐腐蚀试验后，对比例3的抗拉强度变化率、屈服强度变化率和断裂韧性变化率高，对比例3的产品在经过腐蚀试验后，产品的力学性能显著下降，其耐循环腐蚀性能差。通过实施例1和对比例4-5并结合表1和表2可以看到，市售的普通合金钢产品在元素搭配和效用协同上较差，其对应的合金钢的力学性能耐腐蚀性能均不佳，无法满足高强度和高韧性的要求、也无法兼顾循环耐腐蚀性能和旋压性能的提升。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (4)
1.一种高强韧超高强度钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，冶炼：将原料钢、镍、钼和铌升温至1500-1600℃进行熔化，在1610℃以上出渣，在1670℃以上出粗钢水，出粗钢水时加入调理剂，调理剂的加入量为0.1-0.3kg/t；
所述调理剂经由以下步骤制得：将萤石、石英砂和石墨混合加热并在超声条件下进行研磨至粒径100μm以下，得到调理剂；所述萤石、石英砂和石墨的质量比为3:(1-2):(0.55-1.1)；
步骤2，精炼：将经过冶炼后的粗钢水加入精炼料，采用氧化钙、氧化铝、石灰造渣，精炼温度为1500-1650℃，随后加入Cr、Cu、Mn、Si和稀土元素进行合金化，得到钢包；所述精炼料包括石灰、硅铁粉、硅钙粉、碳粉中的至少一种；
步骤3，真空脱气：将精炼后的钢包进行真空脱气，真空脱气后在1500-1600℃出钢，浇注电极；
步骤4，真空自耗重熔：将步骤3得到的电极进行真空自耗重熔，得到钢锭；
步骤5，锻造：将钢锭进行锻造，得到棒材；所述锻造的开锻温度为1100-1200℃，终锻温度为800-900℃，综合锻比≥8；
步骤6，热处理：将棒材进行热处理，所述热处理包括依次进行的淬火处理和低温回火处理，得到超高强度钢；所述淬火处理的温度为800-910℃，所述淬火处理的保温时间为1-2h；所述回火处理的温度为200-300℃，所述回火处理的保温时间为2-6h；
所述淬火处理所用淬火油经由以下步骤制得：以重量份计，将基础油20-30份，航空汽油10-18份，石油磺酸盐4-9份，丙酮11-17份，聚苯胺1-4份加热共混得到淬火油；
所述超高强度钢包括以下重量百分比的成分：C:0.36-0.43%，Cr:2.6-3.6%，Ni:0.6-1.2%，Mn:0.5-1.8%，Ca:0.002-0.005%，稀土元素:0.01-0.025%，Mo:0.4-0.9%，Al:0.02-0.08%， Nb:0.05-0.2%，Si:0.4-1%，Cu:0.1-0.5%，V≤0.30%，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强韧超高强度钢的制备方法，其特征在于：所述超声条件为：超声波功率为60-100W，超声波频率为100-200kHz。
3.根据权利要求1所述的高强韧超高强度钢的制备方法，其特征在于：所述稀土元素包括镧、铈、钕、镥中的一种或几种。
4.一种高强韧超高强度钢，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的高强韧超高强度钢的制备方法制得。
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