一种多元微合金高韧度超高强度钢及其制备方法与流程

本发明涉及超高强合金钢，尤其涉及一种多元微合金高韧度超高强度钢及其制备方法。

背景技术：

1、低合金超高强度钢因其相对低的合金成本，市场应用前景广阔。目前市面上的主要钢种包括4340、d6ac、300m、35crmnsi等牌号，这些产品的开发及使用已超过三十年，受当时合金冶炼条件、元素成本、热变形及热处理条件等诸多客观因素的制约，同时也受对物理冶金等科学原理认知不够完全深入等主观因素的影响，导致该类材料的综合力学性能普遍分布于高强低韧(抗拉强度1900mpa，断裂韧度约70mpa·m1/2)及低强高韧(抗拉强度1700mpa，断裂韧度约100mpa·m1/2)性能区间。与低合金超高强度钢相比，虽然a100、m54等高合金二次硬化钢可以满足高强高韧性能的要求，但其高昂的成本及冶炼费用严重限制了高韧性超高强度钢在我国航天航空等领域的应用。

2、除了材料强韧性外，低合金超高强度钢由于合金含量较低，其淬透性对材料不同部位性能影响较大。材料的淬透性是指材料在进行淬火过程时，马氏体相的生成能够透过材料的整个截面厚度，而不仅仅是表面层。淬透性是衡量材料淬火性能的重要指标之一，特别是在需要在整个材料截面上获得均匀的马氏体相变的情况下。如何合理调整材料淬透性匹配合金组织性能的均匀性，同样具有较大的挑战。

3、因此，在低合金成本和低冶炼成本制约下，开发一种能平衡高强度和高韧性的合金钢具有重要意义。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种多元微合金高韧度超高强度钢及其制备方法，用以解决现有多元微合金超高强度钢的韧性差问题。

2、一方面，本发明提供了一种多元微合金高韧度超高强度钢，其合金成分以重量百分数计为：c：0.36～0.38％、mn：1.10～2.0％、si：0.8～1.40％、cr：1.10～1.50％、ni：0.15～0.40％、mo：0.2～0.5％、w：0.1～0.7％、nb≤0.01％、v≤0.01％、b≤0.001％，余量为fe和不可避免杂质。

3、进一步地，所述多元微合金高韧度超高强度钢的微观组织由马氏体和薄膜奥氏体组成。

4、进一步地，所述薄膜奥氏体的体积分数为3％～7％。

5、另一方面，本发明还提供了一种多元微合金高韧度超高强度钢的制备方法，用于制备上述多元微合金高韧度超高强度钢，包括以下步骤：

6、步骤s1：锻造，将满足合金成分要求的钢坯经均热炉加热后进行锻造，获得第一锻坯；

7、步骤s2：第一次退火，将第一锻坯进行退火，空冷，得到第二锻坯；

8、步骤s3：正火，将第二锻坯进行正火处理，后空冷至室温，得到第三锻坯；

9、步骤s4：第二次退火，将第三锻坯加热进行退火处理，后空冷至室温，得到第四锻坯；

10、步骤s5：淬火，将第四锻坯加热保温，进行淬火处理，后依次经过随炉缓冷和油冷，冷却至室温，得到第五锻坯；

11、步骤s6：回火，将第五锻坯进行第一次回火和第二次回火，第二次回火温度不高于第一次回火温度，得到多元微合金高韧度超高强度钢。

12、进一步地，所述步骤s1中，初锻温度为1050℃～1150℃，终锻温度为920℃～950℃。

13、进一步地，所述步骤s2和s4中，退火温度为600～650℃，退火时间2～10h。

14、进一步地，所述步骤s3中，正火温度为950～980℃，退火时间2～10h。

15、进一步地，所述步骤s5中，保温温度为930℃～960℃，保温时间1～4h；

16、所述随炉缓冷和油冷过程为：随炉冷却至830℃～860℃后油冷至室温。

17、进一步地，所述步骤s6中，第一次回火温度为235℃～255℃，回火时间为3～5h；第二次回火温度为225℃～235℃，回火时间为3～5h。

18、进一步地，所述步骤s6中，第一次回火和第二次两步回火操作之间还包括冷处理操作。

19、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

20、1、本发明通过合理设计多元微合金成分及制备工艺，实现了材料高韧度与超高强度的平衡。对合金成分的精确调控以及晶界的优化处理，使得材料能够在低合金条件下实现优秀的强韧性，满足高强度材料在航空航天及国防领域的应用需求。

21、2、本发明通过合金成分的精确设计和制备过程中工艺参数的精确控制，实现了多元微合金高韧度超高强度钢的制备；制备出的多元微合金高韧度超高强度钢的微观组织为马氏体和薄膜奥氏体，该微观组织具备薄膜奥氏体小尺寸和均匀分布的特点，有效提升了材料的强度和韧性。在受制于合金成本的情况下，本发明使高强钢不仅具备卓越的强度，还展现出出色的韧性性能。

22、3、本发明通过设定较高的淬火温度，提供足够的热能使碳化物等夹杂物充分溶解于基体中，而不在晶界或晶体内析出，降低晶界脆化对材料韧性和强度的负面影响；通过随炉缓冷+油冷两阶段淬火，利用b、mo、w等元素的晶界偏聚效应，有效净化晶界，改善界面的结合力，提高晶界强度，抑制铁素体、贝氏体等在晶界处的形核，提高奥氏体稳定性。同时调整材料整体温度均匀性，有效避免尺寸效应导致的材料冷却过程组织性能的不均匀性，有效改善材料淬透性及强度和韧度的匹配。

23、4、本发明通过整体较低的回火温度策略，避免了碳化物的生成，并防止了cr、mn等元素的晶界偏聚；通过采用两次低温回火工艺，有效减少块状残余奥氏体的残留，避免形变过程中应力过早集中而加速裂纹扩展。相比于传统微合金超高强度钢，本发明制备得到的多元微合金钢的断裂韧性显著提高。

24、5、本发明通过引入冷处理步骤，即在两步回火之间进行的降温处理，对残留的块状残余奥氏体进一步调控。通过合理的冷处理工艺参数，可实现块状奥氏体向马氏体的相变，使残余奥氏体的体积分数得到有效地控制，进一步改善材料的韧性。

25、综上所述，本发明相对于现有技术，通过精心设计的微观结构、材料成分的合理调控以及制备过程中的优化步骤，改善了材料的淬透性，显著地改善了微合金超高强度钢的韧性性能，使其在综合性能上取得了显著提升，为相关领域的应用提供了更为优异和可靠的材料选择。

26、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

技术特征：

1.一种多元微合金高韧度超高强度钢，其特征在于，所述多元微合金高韧度超高强度钢的合金成分以重量百分数计为：c：0.36～0.38％、mn：1.10～2.0％、si：0.8～1.40％、cr：1.10～1.50％、ni：0.15～0.40％、mo：0.2～0.5％、w：0.1～0.7％、nb≤0.01％、v≤0.01％、b≤0.001％，余量为fe和不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的多元微合金高韧度超高强度钢，其特征在于，所述多元微合金高韧度超高强度钢的微观组织由马氏体和薄膜奥氏体组成。

3.根据权利要求2所述的多元微合金高韧度超高强度钢，其特征在于，所述薄膜奥氏体的体积分数为3％～7％。

4.一种多元微合金高韧度超高强度钢的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-3任一项所述的多元微合金高韧度超高强度钢，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，初锻温度为1050℃～1150℃，终锻温度为920℃～950℃。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2和s4中，退火温度为600～650℃，退火时间2～10h。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，正火温度为950～980℃，退火时间2～10h。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中，保温温度为930℃～960℃，保温时间1～4h；

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s6中，第一次回火温度为235℃～255℃，回火时间为3～5h；第二次回火温度为225℃～235℃，回火时间为3～5h。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s6中，第一次回火和第二次两步回火操作之间还包括冷处理操作。

技术总结
本发明涉及一种多元微合金高韧度超高强度钢及其制备方法，属于超高强合金钢技术领域。解决现有多元微合金超高强度钢的韧性差问题。一种多元微合金高韧度超高强度钢，合金成分重量百分数为：C：0.36～0.38％、Mn：1.10～2.0％、Si：0.8～1.40％、Cr：1.10～1.50％、Ni：0.15～0.40％、Mo：0.2～0.5％、W：0.1～0.7％、Nb≤0.01％、V≤0.01％、B≤0.001％，余量为Fe和不可避免杂质；制备工艺包括锻造‑退火‑正火‑退火‑淬火‑回火。制得的多元微合金高韧度超高强度钢成本低，淬透性高，性能优异。

技术研发人员：刘赓,苏杰,宁静,高齐,丁雅莉,王敖,陈嘉砚
受保护的技术使用者：钢铁研究总院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21