专利名称：一种低成本超高强韧马氏体钢及其制造方法
技术领域：
本发明属于金属材料领域,尤其涉及一种低成本超高强度钢及其制造方法，此钢材适合 用于耐磨、防护领域，特别适用于防护装甲以及耐磨工程机械用材料。
背景技术：
钢铁是国民经济的基础材料，需求量大，同时钢铁冶金又是耗费能源、污染环境比较重 的行业，随着能源危机、原料危机、环境保护的日益紧迫，提高钢的强度，减少钢材的产量， 实现减量化生产，已经可不容缓。同时，高速列车的发展要求更高强度的螺栓、高强度且耐 磨的钢轨和轮毂等以满足列车可高速运行足够长的寿命；硬质防弹衣、运钞车、警用装甲车 的发展要求强度更高且具有一定韧性的钢板作为防弹材料用于防弹衣、钢盔和装甲。所以， 超高强度钢应用前景广阔。目前的2000MPa级马氏体高强度钢如4340钢(含 0.4C-0.7Mn-1.8Ni-0.8Cr-0.25Mo)经200"C以下回火，虽能得到约2000MPa的高强度，但延伸 率较低(<10%),经200。C回火时的强度低于2000Mpa，而且，合金含量高；马氏体时效钢， 含很低量碳和较高合金元素，如18Ni、 8Co，以马氏体内析出金属间化合物加以强化；以及 二次硬化超高强度钢，系析出共格弥散碳化物为强化手段，加入较多量的Co以利碳的扩散， 显著的固溶强化和延迟回火时奥氏体的回复。在保证较高韧性条件下，强度可达2000MPa。 由此开发出近代的新型超高强度钢AF1410 (0.16C-10Ni-2Cr-lMo-14Co) ， AF1410+Cr钢 (0.16C-10Ni-3Cr-1.2Mo-14Co)和AerMet钢(0.24C-11Ni誦3Cr-1.2Mo-13.4Co)经适当温度回 火，抗拉强度高达2000MPa或以上，韧性接近或超过40J。这两类钢都是在马氏体强化的基 础上，引入沉淀强化，其析出物很细小，有助保证较好的韧性，但由于含大量合金元素，冶 炼、加工要求复杂，致成本较高，不宜广泛应用。中国期刊《兵器材料科学与工程》Vol. 29 No. 2 Mar. ， 2006《2200 MPa级超高强度低合金钢的组织和力学性能》 一文公开了一种在 4340钢的基础上，提高碳含量至0.5% (质量)左右，推出含Si为0.37。/。及1.75。/。两种钢，分别 经200及270°C回火得强度分别为2205MPa和2235MPa, Klc分别为61.5MPa'ml/2和 52.3MPa，ml/2。这类钢的强韧性倶佳，但问题是含碳量大于0.5%，易形成渗碳体，呈现淬火 脆性(晶间断裂)以及高温回火后的回火脆性，且合金含量高。中国期刊《热处理》2007 年第22巻第1期《钢热处理的新工艺》 一文公开了一种价格低廉的经淬火一碳分配一低温回 火(Q-P-T)新工艺处理的新型马氏体型超高强度钢。通过Q-P-T新工艺在马氏体钢中引入一定 量的残余奥氏体提高马氏体钢的韧性，获得了Cwt^小于0.5。/。抗拉强度大于2000Mpa，延伸 率大于10%薄板马氏体型超高强度钢，这是国际上的最新成果，很有发展潜力。由于在奥氏 体中富集碳的能力有限，使得该高强度钢进一步提高延伸率比较困难，获得高强度马氏体钢 的工艺过程亦比较复杂。CN101078088(200610046693.3)公开了一种低合金超高强度马氏体钢，其特征在于成分范 围如下，质量百分比:C0.3 0.6、 Mn0.8 2.0、 Si0.1~0.4、 Cr0.8 2.0、 Mo0.1 0.4、 Al 1.0 2.5、 SO.0L、 P<0.01、 Fe余量。采用淬火+低温回火后，进行稳定化时效处理的工艺。本发明 低合金超高强度钢可以通过简单的热处理,使得它具有超高的强度和一定的韧塑性,因而具备 较低的成本。此发明得到了2000MPa级高强韧钢，但是，需要长时间时效处理，而且铝含量 高1.0 2.5°/。，大工业生产难度大。
CN101270453(200810112022)属于合金钢领域,特别涉及一种超高强度热成型马氏体钢, 主要适用于抗拉强度在1.9-2.50 八的热冲压成型的薄厚度零件用钢。该钢的主要化学成分组 成(重量。/o)为:C 0.40-0.60%， Si 0.50-2.30%, Mn^O.25%, Cr 0.50-1.50%， Ni 0.80-3.00%， Mo 0.15-0.40%， P50.015%，S^0.005%, [O]^).003%， [N]0.002-0.015%，余为Fe及不可避免的不 纯物。另外,还添加Nb0.02-0.10%, V0.02-0.15。/。中的任一种或两种。与现有热成型马氏体钢 22MNB5钢相比，本发明钢不但抗拉强度从1.0-1.5GPA提高到了1.9-2.5GPA,而且具有较好的 塑性(延伸率>8%),并且氢致延迟断裂敏感性明显降低,从而为汽车轻量化、高安全性能化提供 了基础。此发明以热冲压成型用薄厚度零件为主要用途，采用热成型模冷工艺制备零件，模 冷约束成型得到了2000MPa级高强韧钢，不足之处是没有提及耐磨防护领域的厚尺寸材料的 应用，产品延伸率比较低(延伸率>8%),另外，此发明采用贵金属(Ni 0.80-3.00%， Mo 0.15-0.40%)与低残余元素控制(P^).015%，SS0.005%)，增加了工业生产控制成本。
CN101225499公开了一种低合金超高强度复相钢及其热处理方法，复相钢成分为wt%: C 0.3-0.7， Si 0.01-3.0, Al 0.0-2.0， Nb 0.0-0.25， V 0.0-0.3, Mo 0.0-2.0, Ni 0.0-4.0， Mn 0.05-3.0, Cr 0.00-3.0， Co 0.00-2.0, W 0.0-2.0， S<0.04, P<0.04,其余为Fe。热处理方法为首先将 工件加热到800-1000'C进行奥氏体化处理,然后将工件迅速淬入50-25(TC的液体淬火介质中， 再将工件在250-450'C的液体淬火介质中配分，再将工件迅速淬至100-250'C保温，最后将工 件淬入水中，使钢件具有马氏体、纳米贝氏体和富碳的残余奥氏体三相组织，从而增加工件 的强度和塑性。此方法得到了性能配合俱佳的钢材，采用复杂的合金设计，热处理工艺亦比 较复杂，淬火介质采用了Sn-B將、油浴、盐浴等，而且，盐浴保温热处理时间比较长(l-500h)， 生产成本较高。
发明内容
本发明者针对以上2000MPa级高强度钢存在的缺点，通过分析计算与实验研究得出了一 种能够工业化生产的2000MPa级高强度钢及其制备工艺。该发明克服了上述公开的文献存在 的合金含量高、延伸率低、生产工艺复杂、生产成本高等缺点，利用析出粒子(添加氮、钛、 铌元素)代替合金元素提高钢的强度，降低合金用量，通过调整成分控制残余奥氏体含量提 高材料的延伸率，通过采用微合金细化晶粒，縮短减少碳从马氏体到奥氏伴的扩散距离，并 利用马氏体相变为替换原子无扩散切变，相变速率快的特点，设计了工艺相对简单的制备方 法。
本发明 一方面提供了 一种能够工业化生产的2000MPa级马氏体高强度钢，其特征在于成分范围如下，质量百分比C:0.4 0.9%、 Si:1.4 2.0%、 Mn:1.5~2.0%、 Cr:0.5 1.0%、 Ni:0.2 0.6%、 Al:0.05 0.10/0、 N:0.008~0.05%、 Ti:0.01~0.2%、 Nb:0.01 0.2%、 S:^0.01%、 P50.01%，其余为铁元素与不可避免的杂质。
优选的，2000MPa级马氏体高强度钢，其特征在于成分范围如下，质量百分比C:0.4 0.6o/o、 Si:1.4 1.6%、 Mn: 1.6 1.8%、 Cr: 0.5~0.7o/o、 Ni: 0.2 0.4o/o、 Al: 0.06 0.09o/oo/o、 N:0.01 0.04%、 Ti:0.01 0.03%%、 Nb: 0.02 0.06% %、 S:S0.01%、 P^O.01%,其余为铁元 素与不可避免的杂质。
进一步来说，本发明以价格比较便宜的碳、硅、锰、铝及微合金代替价格比较贵的镍、 钼、钴等稀有金属，来达到提高钢的强度与韧性，以工业生产能够实现的淬火、低温回火工 艺代替复杂的热处理工艺，代替普遍采用的淬火-回火-时效工艺，降低生产成本。
优选的，所述的2000MPa级马氏体高强度钢，其特征在于，抗拉强度Ob为2000 2500MPa，延伸率S (%)在10 18%。
本发明另一方面提供了一种与上述成分相对应的制备方法，所述制备方法包含以下步
骤
1) 冶炼、铸造。
2) 锻造或轧制成型，初始成型温度为1100'C 1200'C,终成型温度850'C 1000'C。
3) 用水淬火，淬火温度800'C 900'C。
4) 回火，温度150'C 250'C，保温时间2 15h。
优选的，步骤l)之后进行电渣连铸重熔，渣系为CaF2:Al2O:r70n/。:30n/。，渣量保持30 80Kg,熔速10~15Kg/min，空冷。对于普通用途的产品本步骤可以省略。 有益效果
本发明制造的是一种具有2000MPa级高强度钢，应用了细晶强化、析出强化、沉淀强化 等方法，结合参与奥氏体控制，提高了高强度钢的塑性，本发明的有益效果是充分考虑了廉 价微量元素的作用，又考虑并降低了稀有合金元素的用量，降低了生产成本，利用工业化能 够容易实现的淬火、回火工艺简化了材料的制造工艺，并制造出了强度2100MPa，延伸率 12.5%材料试样。
具体实施例方式
下面应用实例对本发明作进一步阐述与说明。 以下实施例中，强度、延伸率按照GB/T228—2002金属材料室温拉伸试验方法，加工 成标准拉伸试样进行测定。强度为抗拉强度。 实施例1
化学成分按如下控制，质量百分比C:0.39°/o、 Si:1.4%、 Mn:1.8%、 Cr:0.8%、 Ni:0.6%、 Al:0.08%、 N:0.05%、 Ti: 0.12%、 Nb:0.18%、 S:0.002%、 P: 0.01%.其余为铁元素与不可避免 的杂质。冶炼、铸造，电渣连铸重熔，渣系CaF2:Al2O3=70%:30%，渣量保持30Kg，熔速 15Kg/min,空冷。轧制成型，厚度3.0mm，初始成型温度为1200'C，终成型温度950'C。用水淬火，淬火温度900'C至250'C,保温lh，淬火至室温，回火，温度200'C,保温时间5h。得
到了强度2050MPa，延伸率10.6%的钢材。
实施例2
化学成分按如下控制，质量百分比C:0.9%、 Si:1.4%、 Mn:1.8%、 Cr:0.6%、 Ni:0.5%、 Al:0.08%、 N:0.05%、 Ti: 0.15%、 Nb:0.12%、 S:0.003%、 P: 0.008%。其余为铁元素与不可 避免的杂质。冶炼、铸造，电渣连铸重熔，渣系CaF2:Al2O3=70%:30%，渣量保持30Kg， 熔速10Kg/min,空冷。轧制成型，厚度3.5mm，初始成型温度为1200'C,终成型温度950'C。 用水淬火，淬火温度90(TC至35(TC，保温lh，淬火至室温，回火，温度250'C，保温时间10h。 得到了强度2100MPa，延伸率12%的钢材。 实施例3
化学成分按如下控制，质量百分比C:0.59%、 Si:2.0%、 Mn:1.5°/o、 Cr:1.0%、 Ni:0.3%、 Al:0.07%、 N:0.01%、 Ti: 0.02%、 Nb: 0.04%、 S:0.005%、 P: 0.01%.其余为铁元素与不可避免 的杂质。冶炼、铸造，电渣连铸重熔，渣系CaF2:Al2O3=70%:30%，渣量保持70Kg，熔速 15Kg/min，空冷。轧制成型，厚度3.0mm,初始成型温度为lIOO'C,终成型温度850'C。用水 淬火，淬火温度850'C至25(TC，保温lh,淬火至室温，回火，温度150'C,保温时间15h。得 到了强度2120MPa，延伸率12.5%的钢材。
权利要求
1.一种2000MPa级马氏体高强度钢，其特征在于成分范围如下，质量百分比C0.4～0.9％、Si1.4～2.0％、Mn1.5～2.0％、Cr0.5～1.0％、Ni0.2～0.6％、Al0.05～0.1％、N0.008～0.05％、Ti0.01～0.2％、Nb0.01～0.2％、S≤0.01％、P≤0.01％，其余为铁元素与不可避免的杂质。
2. 如权利要求l所述的2000MPa级马氏体高强度钢，其特征在于成分范围如下，质量 百分比C: 0.4 0.6%、Si: 1.4 1.6%、Mn: 1.6 1.8%、Cr: 0.5 0.7%、Ni: 0.2 0.4%、A1: 0.06 0.09%%、 N: 0.01 0.04%、 Ti: 0.01 0.03%%、 Nb: 0.02 0.06% %、 S:^0.01%、 P^O.01%, 其余为铁元素与不可避免的杂质。
3. 如权利要求l所述的2000MPa级马氏体高强度钢，其特征在于，抗拉强度Ob为2000 2500MPa，延伸率S (%)在10~18%。
4. 如权利要求l所述的2000MPa级马氏体高强度钢的制备方法，包含以下步骤1) 冶炼、铸造；2) 锻造或轧制成型，初始成型温度为110(TC 1200'C,终成型温度85(TC 1000'C;3) 用水淬火，淬火温度800'C 90(TC;4) 回火，温度150'C 25(TC，保温时间2 15h。
5.如权利要求l所述的2000MPa级马氏体高强度钢的制备方法，其特征在于，步骤l) 之后进行电渣连铸重熔，渣系为CaF2:Al2O3=70%:30%，渣量保持30 80Kg，熔速10 15Kg/min，空冷。
全文摘要
发明属于金属材料领域，尤其涉及一种低成本超高强度钢及其制造方法，成分范围如下，质量百分比C0.4～0.9％、Si1.4～2.0％、Mn1.5～2.0％、Cr0.5～1.0％、Ni0.2～0.6％、Al0.05～0.1％、N0.008～0.05％、Ti0.01～0.2％、Nb0.01～0.2％、S≤0.01％、P≤0.01％，其余为铁元素与不可避免的杂质。此钢材适合用于耐磨、防护领域，特别适用于防护装甲以及耐磨工程机械用材料。
文档编号B22D23/10GK101586217SQ20091001660
公开日2009年11月25日 申请日期2009年6月25日 优先权日2009年6月25日
发明者刘洪银, 周来军, 蒋鲤平, 许荣昌, 陈豪卫 申请人:莱芜钢铁集团有限公司