本发明属于超高强韧贝氏体钢技术领域。尤其涉及一种超高强韧含镍纳米级贝氏体钢及其制备方法。
背景技术：
超高强韧贝氏体钢主要应用于工程机械、海洋设施、桥梁、钢轨、汽车、造船和装甲板等领域，随着科技和各项技术的发展，对其强度和韧性要求日益提高。如汽车工业的发展要求廉价的高强度高成型性钢以满足用较薄的钢板制造更轻的形状复杂的汽车结构件；高速列车的发展要求高强度且耐磨的钢轨以满足列车可高速运行足够长的寿命。所以，超高强韧贝氏体钢具有广阔的应用前景。
碳作为贝氏体钢中最基本且最重要的合金元素，对贝氏体钢的综合性能起着至关重要的作用。目前，工业生产要通过简单工艺和成本低廉的成分来获得超高强度钢，最有效的方法就是提高钢成分中碳的含量，再结合恰当的生产工艺，制备出满足应用要求的超高强贝氏体钢。现有高碳贝氏体钢的生产工艺主要运用控轧控冷等温处理工艺，或者采用弛豫析出相变技术生产高碳贝氏体钢，这些技术虽可获得高强度的高碳贝氏体钢，但工艺比较复杂，很难应用于实际生产，不够环保和节能，且生产效率低。
“一种超高强韧贝氏体钢及其制造方法”(cn200910016600.6)专利技术，其化学成分(wt％)为：c＝0.4～1.5％，si＝0.8～2.0％，mn＝1.50～2.0％，cr＝0.5～1.2％，ni＝0.1～0.4％，mo＝0.05～2.0％，al＝0.05～2.0％，ti＝0.01～0.2％，nb＝0.01～0.20％，s<0.01％,p<0.01％，余量为fe和伴随的杂质。技术工艺为：钢板经冶炼、铸造后轧制成型，初始成型温度为1100～1200℃，终成型温度为850～1000℃，接着水冷或者空冷到室温。最后于150～350℃回火，保温时间0.5～10h。生产工艺包含冷却后回火，工艺复杂；钢成分中还含有大量的微合金元素，nb、ti，增加了生产成本；此外，制得的贝氏体高强韧钢的屈服强度和抗拉强度也分别只有1400mpa和1800mpa，性能普通。
“一种含有先共析铁素体的纳米贝氏体钢及其制备方法”(cn104962824)专利技术，其成分(wt％)为：c＝0.68～1.08％，si＝1.9～3.0％，mn＝1.8～3.5％，cr＝1.5～3.1％，co＝1.2～2.8％，p≤0.015％，和s≤0.015％，余量为fe和伴随的杂质。技术工艺为：首先将钢迅速加热到奥氏体化温度，使钢充分均匀化；然后将奥氏体化后钢件在600～1050℃内以>50℃/s的冷速快速冷水冷至500～600℃，随后空冷5～30s，再继续快速冷却至贝氏体转变温度；进而低温变形，变形完成后接着进行等温；最后再淬火到室温。生产工艺中未公开奥氏体化温度和时间，其次对加热速度和冷却速度的要求很高，而且热处理工艺中还要在转变温度区进行低温变形15％，生产条件比较苛刻，且生产工艺比较复杂，不利于工业化大规模生产。
“一种低碳纳米贝氏体钢及其制备方法”(cn201510348987.0)专利技术，其成分(wt％)为：c＝0.2～0.49％，si＝1.0～2.1％，mn＝1.5～3.5％，mo＝0.5～1.2％，al＝2.0～4.0％，p≤0.01％，和s≤0.01％，余量为fe和伴随的杂质。虽然钢中合金元素的种类比较少，除了mo以外，多以便宜的c、si、mn、al等代替贵重的合金元素，但是钢的拉伸性能普通，不符合钢铁材料强度和韧性日益提高的工业生产要求；此外，热处理工艺中采用奥氏体热轧和淬火等温变形0.5-2.5h等两步轧制工艺，生产工艺复杂，在工业生产中很难实现，不利于大量生产。
由上述分析可以看出：现有的高强贝氏体钢生产工艺一般比较复杂，不适于工业化大规模生产，而且最终制备贝氏体钢的力学性能也不能满足钢铁材料强度和韧性不断提高的工业化生产要求。
技术实现要素：
本发明旨在克服上述技术缺陷，目的是提供一种工艺简单和能规模化工业生产的超高强韧含镍纳米级贝氏体钢的制备方法；用该方法制备的超高强韧含镍纳米级贝氏体钢机械性能优良。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：将钢坯加热至1250～1300℃，保温1～2h，在ar3温度以上轧制，终轧温度为880～920℃，轧后空冷至室温，得到热轧板。再以5～8℃/min的升温速率将所述热轧板加热至880～920℃，保温30～60min，然后水冷至200～230℃，保温30～35h，空冷至室温，制得超高强韧含镍纳米级贝氏体钢。
所述钢坯的化学成分及其含量是：c为0.78～0.83wt％，si为1.55～1.65wt％，mn为1.96～2.06wt％，mo为0.295～0.305wt％，cr为0.98～1.02wt％，ni为0.98～1.02wt％，al为0.98～1.02wt％，co为1.482～1.502wt％，p<0.008wt％，s<0.002wt％，n<0.004wt％，其余为fe及不可避免的杂质。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明以工业生产能够实现的空冷或水冷、低温保温工艺代替弛豫变形、磁场环境、低温变形等复杂的热处理工艺条件，简化了工艺，能工业化大规模生产和降低生产成本。
本发明以价格低廉的c、si、mn、al部分代替价格比较昂贵的mo、co等稀有金属，再复合添加适量的cr和ni合金元素，以提高钢的淬透性、增加奥氏体高温转变稳定性和降低马氏体开始转变温度；在工业生产可以实现的慢冷实验工艺条件下就能避免高温铁素体和珠光体的转变，推迟马氏体相变，从而促进更多过冷奥氏体向贝氏体转变，获得组织均匀的纳米级板条贝氏体。贝氏体相变在低温下进行，虽然驱动力更大，但是相变时间非常长，复合添加co和al合金元素，能明显加速贝氏体相变，缩短贝氏体相变周期，使得在较短的相变时间内能获得纳米级板条贝氏体。控制贝氏体转变在低温下进行，短周期内获得几乎全部的纳米级板条贝氏体组织，显著提高超高强韧含镍纳米级贝氏体钢的强度及韧性。
本发明制备的超高强韧含镍纳米级贝氏体钢的显微组织主要为纳米级板条贝氏体+薄膜状残余奥氏体。纳米级板条贝氏体组织既具有超高的强度，又有良好的塑性，对提升板材的性能有利；薄膜状的残余奥氏体通过相变诱导塑性作用提高贝氏体的韧性，对提升板材也有利。而且适量si和al元素的加入抑制脆性碳化物的形成，使延伸性能进一步提高，冲击韧性增强。此外，利用向钢中添加适量cr和ni，在工业生产可以实现的慢冷工艺条件下，能在较低温度等温处理过程中获得更多组织均匀的纳米级板条贝氏体。
本发明制得的超高强韧含镍纳米级贝氏体钢经测定：屈服强度为1680～1880mpa；抗拉强度为2050～2350mpa；延伸率为9.5～15.6％的。
本发明具有工艺简单和能规模化工业生产的特点，所制备的超高强韧含镍纳米级贝氏体钢机械性能优良，广泛应用于工程机械、海洋设施、桥梁、汽车、钢轨、造船和装甲板等领域。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述与说明，并非对本发明保护范围的限制。
以下实施例中，抗拉强度、屈服强度和延伸率均按照gb/t228-2002金属材料室温拉伸实验方法，加工成标准拉伸试样进行测定。
实施例1
一种超高强韧含镍纳米级贝氏体钢及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
将钢坯加热至1250～1280℃，保温1～2h，在ar3温度以上轧制，终轧温度为880～900℃，轧后空冷至室温，得到热轧板。再以5～8℃/min的升温速率将所述热轧板加热至880～900℃，保温30～45min，然后水冷至220～230℃，保温30～32h，空冷至室温，制得超高强韧含镍纳米级贝氏体钢。
所述钢坯的化学成分及其含量是：c为0.78～0.80wt％，si为1.55～1.60wt％，mn为1.96～2.00wt％，mo为0.295～0.300wt％，cr为0.98～1.00wt％，ni为0.98～1.00wt％，al为0.98～1.00wt％，co为1.482～1.500wt％，p<0.008wt％，s<0.002wt％，n<0.004wt％，其余为fe及不可避免的杂质。
本实施例所制备的超高强韧含镍纳米级贝氏体钢的经测定：屈服强度为1680～1820mpa；抗拉强度为2050～2250mpa；延伸率为11.6～15.6％。
实施例2
一种超高强韧含镍纳米级贝氏体钢及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
将钢坯加热至1270～1300℃，保温1～2h，在ar3温度以上轧制，终轧温度为900～920℃，轧后空冷至室温，得到热轧板。再以5～8℃/min的升温速率将所述热轧板加热至900～920℃，保温45～60min，然后水冷至200～220℃，保温32～35h，空冷至室温，制得超高强韧含镍纳米级贝氏体钢。
所述钢坯的化学成分及其含量是：c为0.80～0.83wt％，si为1.60～1.65wt％，mn为2.00～2.06wt％，mo为0.300～0.305wt％，cr为1.00～1.02wt％，ni为1.00～1.02wt％，al为1.00～1.02wt％，co为1.500～1.502wt％，p<0.008wt％，s<0.002wt％，n<0.004wt％，其余为fe及不可避免的杂质。
本实施例所制备的超高强韧含镍纳米级贝氏体钢经测定：屈服强度为1740～1880mpa；抗拉强度为2150～2350mpa；延伸率为9.5～13.6％。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式以工业生产能够实现的空冷或水冷、低温保温工艺代替弛豫变形、磁场环境、低温变形等复杂的热处理工艺条件，简化工艺，工业化大规模生产，降低生产成本。
本具体实施方式以价格低廉的c、si、mn、al部分代替价格比较昂贵的mo、co等稀有金属，再复合添加适量的cr和ni合金元素，以提高钢的淬透性、增加奥氏体高温转变稳定性和降低马氏体开始转变温度；在工业生产可以实现的慢冷实验工艺条件下就能避免高温铁素体和珠光体的转变，推迟马氏体相变，从而促进更多过冷奥氏体向贝氏体转变，获得组织均匀的纳米级板条贝氏体。贝氏体相变在低温下进行，虽然驱动力更大，但是相变时间非常长，复合添加co和al合金元素，能明显加速贝氏体相变，缩短贝氏体相变周期，使得在较短的相变时间内能获得纳米级板条贝氏体。控制贝氏体转变在低温下进行，短周期内获得几乎全部的纳米级板条贝氏体组织，显著提高超高强韧含镍纳米级贝氏体钢的强度及韧性。
本具体实施方式制备的超高强韧含镍纳米级贝氏体钢的显微组织主要为纳米级板条贝氏体+薄膜状残余奥氏体。纳米级板条贝氏体组织既具有超高的强度，又有良好的塑性，对提升板材的性能有利；薄膜状的残余奥氏体通过相变诱导塑性作用提高贝氏体的韧性，对提升板材也有利。而且适量si和al元素的加入抑制脆性碳化物的形成，使延伸性能进一步提高，冲击韧性增强。此外，利用向钢中添加适量cr和ni，在工业生产可以实现的慢冷工艺条件下，能在较低温度等温处理过程中获得更多组织均匀的纳米级板条贝氏体。
本具体实施方式制得的超高强韧含镍纳米级贝氏体钢经测定：屈服强度为1680～1880mpa；抗拉强度为2050～2350mpa；延伸率为9.5～15.6％的。
本具体实施方式具有工艺简单和能规模化工业生产的特点，所制备的超高强韧含镍纳米级贝氏体钢机械性能优良，广泛应用于工程机械、海洋设施、桥梁、汽车、钢轨、造船和装甲板等领域。