专利名称：一种纳米结构板条马氏体超高强度钢板材的制备方法
技术领域：
本发明涉及ー种钢板材的制备方法。
背景技术：
作为结构材料而大量使用的钢的主要強化方法是淬火，获得马氏体组织。而钢中马氏体通常有两种形态一种为板条状马氏体，其内部亚结构是位错；另一种为针片状马氏体，其内部亚结构是孪晶。板条状马氏体组织具有高強度和高韧性，即具有良好的综合力学性能，而针片状马氏体具有高硬度、高強度，但其韧性很低。因此，对于要求耐冲击和承受较高载荷的构件，控制其得到板条状马氏体的微观组织是很有意义的。通常情况下，钢淬火得到马氏体的同时会伴有少量的残余奥氏体。那么，板条马氏体的厚度及残余奥氏体的形态、数量和分布特征对钢的力学性能起到关键的作用。位错亚结构的板条马氏体与薄膜 残余奥氏体交替排列的组织，具有较大的裂纹扩展抗カ及较好的塑性、韧性和零部件成形性。其中残余奥氏体的稳定性是保持高韧性的一个关键因素。如果残余奥氏体的稳定性较低，其在载荷作用下即发生转变，生成硬脆的马氏体组织，或使用环境温度稍高即转变为碳化物，这都将使钢脆化，恶化其使用性能。为了解决这种残余奥氏体的不稳定性的问题，G.J.库辛斯基等人(发明专利CN 1325685C)发明了一种纳米复合马氏体钢，所含合金元素按重量百分比为C O. 05^0. 33, Cr 0.5 12、Ni 0·25 5、Μη O. 26 6、Si〈l ;其显微组织由马氏体板条与奥氏体薄膜交替分布组成，且每个奥氏体晶粒内部存在单个变体的板条束，组织中奥氏体的稳定性高于传统淬火得到的多变体板条马氏体组织中的奥氏体；其优选的制造方法主要包括如下步骤在奥氏体化温度范围105(T120(TC轧制或锻造，再冷却到奥氏体再结晶温度到高于此温度50°C的温度范围90(T950°C最优选温度为90(T925°C)轧制或锻造，使奥氏体发生动态再结晶，来细化奥氏体晶粒，使奥氏体晶粒的尺寸小于10微米(最好为5、微米)，再冷却淬火，得到在每个奥氏体晶粒内含有単一取向的板条马氏体与薄膜奥氏体交替排布的组织。但该专利权利要求的合金成分不含Mo或W，容易引起回火脆性；Si含量较低(〈I wt. %)，不利于提高铁素体強度和回火稳定性，以及抑制碳化物析出；エ艺步骤要求较为精确地控制终轧温度来保证发生动态再结晶细化奥氏体晶粒，从而获得晶粒尺寸〈10微米的奥氏体；无回火处理，塑性和韧性水平还有提高的空间。
发明内容
本发明的目的在于提供ー种エ艺简单、操作方便、能够提高塑性和韧性的纳米结构板条马氏体超高強度钢板材的制备方法。本发明的技术方案如下
1、本发明纳米结构板条马氏体超高強度钢板材的化学成分按重量百分比为C
O.28 O. 32，Si I. 5 I. 8，Mn I. 5 I. 7，Cr I. (Tl. 3，Ni O. 9 1.1，W O. 6 O. 8，Ρ〈0· 02，SCO. 02，余量为Fe和不可避免的杂质；
2、熔炼铸锭用真空感应炉对中碳合金钢进行熔炼，真空度O. Γ0. 6 Pa、温度152(Tl560°C、熔炼时间O. 5^1. O h，将熔炼的钢水浇铸成钢锭，缓冷至室温；
3、轧制
将上述铸锭加热至1220°C保温Γ5 h出炉，在118(Tl200°C开始粗轧，终轧温度为87(T890°C，六道次轧制，总压下量为85% ;轧后喷水快速冷却到40(Γ600で，立即进行3(Γ50%压下量的单道次轧制，然后迅速喷水冷却到室温，得到板材；
4、回火处理
将上述板材加热到20(T35(TC，保温2、h回火后出炉空冷到室温，制得纳米结构板条 马氏体超高強度钢板材，其微观组织为平均厚度5(T80 nm的板条状回火马氏体。各合金元素的主要作用如下
C :可大幅提高淬透性，是钢中最有效的固溶強化元素，C含量的增高，可显著提高马氏体的強度，但含量过高脆性变大。故选择典型中碳钢的C含量范围O. 28、. 32 Wt. %，以保证获得优异的综合力学性能。Si :加入量超过I. 5%可强化马氏体，阻碍碳化物析出，提高回火稳定性，有利于在板条马氏体之间形成残余奥氏体薄膜，并可将第一类回火脆性温度提高到350°C以上，而Si含量超过2%时会导致锻造性能降低，并增大脆性，故Si的加入量控制在I. 5^1. 8%。Mn :大幅提高淬透性，但过多的Mn导致淬火后残余奥氏体量过多，故Mn的加入量控制在I. 5 I. 8%。Cr :提高淬透性和回火稳定性。Ni :提高淬透性，改善韧性。W :提高淬透性，防止第二类回火脆性。奥氏体化后快速冷却到过冷奥氏体温区40(T60(TC进行轧制，过冷奥氏体发生塑性变形但不发生再结晶，位错密度和强度显著増大，压扁的过冷奥氏体晶粒产生变形织构，快速冷却到220°C后空冷到室温过程中发生马氏体转变。过冷奥氏体的高密度位错造成马氏体形核位置显著增多，过冷奥氏体的高強度致使马氏体转变的切变阻カ増大，故最后得到了纳米结构板条马氏体与残余奥氏体薄膜交替排布的组织。此外，压扁的过冷奥氏体晶粒及其变形织构限制了马氏体转变的变体选择，导致单ー马氏体变体在奥氏体晶粒内形成。马氏体组织重新加热到20(T350°C回火，消除马氏体转变应力，得到回火马氏体，可以在不降低強度的同时改善塑性和韧性。本发明与现有技术相比具有如下优点
I、制备エ艺简单，容易在轧制板材生产线上实现，生产效率高、成本低。2、可以得到压扁的变形奥氏体晶粒，并具有较高密度位错和高強度，有利于淬火形成单ー变体的纳米结构板条马氏体和稳定性较高的残余奥氏体组织。3、能够有效阻止碳化物析出，保证得到马氏体板条和残余奥氏体薄膜交替排布组织，提高韧性，降低氢脆敏感性，将低温回火脆性温度推至更高温区，扩大低温回火エ艺窗ロ，有利于通过回火调整强度与塑性及韧性之间的平衡，满足不同服役条件下对零件的性能要求。4、可減少不稳定的残余奥氏体并使马氏体回火，去除马氏体转变造成的残余应力，在保证具有高強度的同时还具有较高的塑性和韧性。抗拉强度达到185(T2050 MPa，延伸率达到I O" 15% O
具体实施例方式实施例I 用真空感应炉在真空度O. I Pa和温度1520°C下熔炼中碳合金钢，熔炼O. 5 h，浇铸成钢锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为C O. 28, Si I. 5,Mn I. 7, Cr I. 3,Ni 1.1，W O. 8, P 0.012，S O. 010，余量为Fe和不可避免的杂质。将上述铸锭加热到1220°C，保温5 h出炉，在1180°C开始粗轧，终轧温度为890°C，六道次轧制，总压下量85% ;轧后立即喷水冷却到400°C，迅速进行30%压下量的单道次轧制，再迅速喷水冷却到室温，得到板材；将该板材加热到200°C保温2 h回火后出炉空冷到室温，制备出纳米结构板条马氏体超高強度钢板材，微观组织由交替分布的平均厚度为80 nm的板条状回火马氏体和薄膜残余奥氏体组成，其抗拉强度达到1850 MPa，延伸率达到15%。实施例2
用真空感应炉在真空度O. 3 Pa和温度1540°C下熔炼中碳合金钢，熔炼O. 7 h后浇铸成钢锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为C O. 30，Si I. 6，Mn I. 6，Cr I. 2,Ni 1.0，W O. 7, P 0.015，S O. 014，余量为Fe和不可避免的杂质。将上述铸锭加热到1220°C，保温
4h出炉，在1190°C开始粗轧，终轧温度为880°C，六道次轧制，总压下量85% ;轧后立即喷水冷却到500°C，迅速进行40%压下量的单道次轧制，再迅速喷水冷却到室温，得到板材；将该板材加热到300°C保温，3. 5 h回火后出炉空冷到室温，制备出纳米结构板条马氏体超高强度钢板材，微观组织由交替分布的平均厚度为70 nm的板条状回火马氏体和薄膜残余奥氏体组成，其抗拉强度达到1920 MPa，延伸率达到12%。实施例3
用真空感应炉在真空度O. 6 Pa和温度1560°C下熔炼中碳合金钢，熔炼I. O h后浇铸成钢锭，缓冷至室温，铸锭化学成分按重量百分比为C O. 32，Si I. 7,Mn I. 5, Cr 1.0，Ni 0.9，W O. 6, P 0.013，S O. 012，余量为Fe和不可避免的杂质。将上述铸锭加热到1220°C，保温3 h出炉，在1200°C开始粗轧，终轧温度为870°C，六道次轧制，总压下量85% ;轧后立即喷水冷却到600で，迅速进行50%压下量的单道次轧制，再迅速喷水冷却到室温，得到板材；将该板材加热到350°C，保温5 h回火后出炉空冷到室温，制备出纳米结构板条马氏体超高强度钢板材，微观组织由交替分布的平均厚度为50 nm的板条状回火马氏体和薄膜残余奥氏体组成，其抗拉强度达到2050 MPa，延伸率达到10%。
权利要求
1.一种纳米结构板条马氏体超高强度钢板材的制备方法，其特征在于 (1)其化学成分按重量百分比为CO. 28 O. 32、Si 1.5 1·8、Μη 1.5 1.7、Cr I. (Tl. 3、Ni O. 9 I. I、W O. 6 0.8、P〈0. 02、S〈0. 02，余量为Fe和不可避免的杂质； (2)用真空感应炉对中碳合金钢进行熔炼，真空度O.Γ0.6 Pa、温度152(Tl560°C、熔炼时间O. 5^1. O h，将熔炼的钢水浇铸成钢锭，缓冷至室温； (3)将上述铸锭加热至1220°C保温3 5h出炉，在118(Tl20(TC开始粗轧，终轧温度为87(T890°C，六道次轧制，总压下量为85%;轧后喷水快速冷却到40(T600°C，立即进行.3(Γ50%压下量的单道次轧制，然后迅速喷水冷却到室温，得到板材； (4)将上述板材加热到20(T350°C保温2 5h回火后出炉空冷到室温。
全文摘要
一种纳米结构板条马氏体超高强度钢板材的制备方法，它的化学成分按重量百分比为C0.28~0.32，Si1.5~1.8，Mn1.5~1.7，Cr1.0~1.3，Ni0.9~1.1，W0.6~0.8，P<0.02，S<0.02，余量为Fe和不可避免的杂质；用真空感应炉熔炼上述成分的合金钢，浇铸成钢锭后缓冷至室温；加热并保温，出炉后热轧，热轧后喷水冷却到过冷奥氏体温区迅速进行单道次轧制，轧后迅速喷水冷却到室温；然后回火处理，得到纳米结构板条马氏体超高强度钢板材。本发明制备工艺简单，容易在轧制板材生产线上实现，生产效率高、成本低，板材的抗拉强度达到1850~2050MPa，延伸率为10~15%。
文档编号C22C38/58GK102703665SQ20121016439
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月25日 优先权日2012年5月25日
发明者张淼, 张福成, 王天生 申请人:燕山大学