專利名稱：高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度鋼的制備方法，特別是涉及一種高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低
合金高碳鋼的制備方法。
背景技術(shù)：
作為結(jié)構(gòu)材料而大量使用的鋼，其強(qiáng)度隨著含碳量的增加而增高，但韌性和塑性 降低。如何實(shí)現(xiàn)鋼的強(qiáng)度和韌性或塑性的同步提高，已成為提高其使用性能和挖掘其使用 潛能的重要課題。 傳統(tǒng)低合金高碳鋼一般用于制造刃具、量具和冷作模具，其強(qiáng)化的熱處理工藝主 要為淬火+低溫回火，熱處理后獲得回火馬氏體組織，具有高強(qiáng)度和高硬度，但其韌性和塑 性較低。如果提高回火溫度，雖可以提高韌性和塑性，但強(qiáng)度和硬度會(huì)大大降低。
Bhadeshia等人(美國專利US6884306)公開了一種貝氏體鋼-Si-Mn-Cr-Ni-Mo-V 合金化的高碳鋼，鑄錠緩冷后進(jìn)行高溫長時(shí)間均勻化退火，然后經(jīng)奧氏體化后在稍高于該 鋼馬氏體轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行長時(shí)間(1 3星期)的過冷奧氏體低溫等溫貝氏體轉(zhuǎn)變，獲得了由 納米級(jí)厚度的板條貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成的無碳化物貝氏體組織，具有超高強(qiáng)度 和較高的斷裂韌性，以及較好的壓縮塑性。但因其是鑄態(tài)組織進(jìn)行的熱處理，拉伸塑性很 低，Charpy缺口試樣沖擊功低，只有5J。由于等溫轉(zhuǎn)變速度極為緩慢，用于工業(yè)生產(chǎn)的周期 長、效率低。后來在此Si-Mn-Cr-Ni-Mo-V合金化的高碳鋼中又通過單獨(dú)添加Co或復(fù)合添 加Co和Al，來加速等溫貝氏體轉(zhuǎn)變(ISIJ International，2003，Vo1. 43，p. 1821)。這兩個(gè) 合金鋼在20(TC等溫轉(zhuǎn)變獲得最高抗拉強(qiáng)度分別為2200MPa和2300MPa，相應(yīng)的總延伸率分 別為4. 7%和7. 6%，屈服強(qiáng)度均為1400MPa，等溫溫度提高到300°C時(shí)，兩合金抗拉強(qiáng)度分 別降低到1800MPa和1700MPa，屈服強(qiáng)度均降低到1300MPa，總延伸率增大到29%和27%， 拉伸曲線無明顯加工硬化和頸縮(ISIJInternational， 2005， Vol. 45，p. 1736)，說明其過載 安全性不好。上述合金鋼中添加了 Co、Ni、Mo、V元素，這無疑會(huì)使生產(chǎn)成本提高，而且鑄錠 未經(jīng)過熱變形，鑄造缺陷就會(huì)保留下來，造成性能降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述技術(shù)和性能的不足之處，提供一種高強(qiáng)度高韌性納 米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼的制備方法。在高碳鋼中添加Mn、Cr、Si、Al、W進(jìn)行合金化，鑄錠熱軋 成板坯消除鑄造缺陷，熱軋板坯直接在鹽浴中等溫貝氏體轉(zhuǎn)變，得到由納米級(jí)厚度的板條 狀貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成的納米結(jié)構(gòu)無碳化物貝氏體組織，從而保證在獲得高強(qiáng) 度的同時(shí)還獲得高塑性和高韌性。 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼的化學(xué)成分按重 量百分比為含C 0. 7 0. 9， Si 1. 4 1. 6， Mn 1. 2 1. 4， Al 1. 4 1. 6， Cr 0. 7 0. 9， W 0. 7 0. 9，P < 0. 02，S < 0. 02，余量為Fe ;按照上述化學(xué)成分熔煉，澆鑄成鋼錠，緩冷至 室溫；鑄錠加熱至1160 118(TC，開坯熱軋成厚度小于25mm的板坯，其終軋溫度為990 IOI(TC ，軋后將板坯迅速放入220 260°C的鹽浴(重量比為1 : 1的亞硝酸鈉和硝酸鉀混 合鹽熔液)中等溫4 24h，然后空冷至室溫，制得高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼，其 抗拉強(qiáng)度為2000 2370MPa，應(yīng)變0. 2%的條件屈服強(qiáng)度為1500 1950MPa，總延伸率為 6. 7 7. 8%，均勻延伸率為3. 8 5. 6%，按ASTM E23-02標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的Charpy-U形缺口試 樣室溫沖擊功為7 22J，微觀組織由厚度為60 90nm的板條貝氏體鐵素體和殘余奧氏體 組成。 本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明所述方法制備的高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳 鋼具有由納米級(jí)厚度的板條貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成的納米結(jié)構(gòu)無碳化物貝氏體 組織，且其鑄錠經(jīng)熱軋消除了鑄造缺陷，故使材料在獲得高強(qiáng)度的同時(shí)，還具有較高的拉伸 塑性和沖擊韌性。由于本發(fā)明所述方法制備的高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼不含價(jià) 格昂貴的合金元素Co、Ni、Mo、V，熱軋后直接進(jìn)行鹽浴等溫處理，熱處理周期短，制備方法簡 單，因此能較大幅度地降低成本，并易于在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。本發(fā)明所述方法制備的高強(qiáng)度 高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于該鋼淬火+低溫回火處理。該鋼IOO(TC淬 火+200°C回火處理得到的抗拉強(qiáng)度為1400MPa，延伸率幾乎為0，按ASTM E23-02標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定 的Charpy-U形缺口試樣室溫沖擊功為2. 1J，這些力學(xué)性能指標(biāo)遠(yuǎn)低于本發(fā)明所述方法制 備的高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼相應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1 一種高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼微觀組織的透射 電子顯微鏡照片； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例2 —種高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼微觀組織的透射 電子顯微鏡照片； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例3 —種高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼微觀組織的透射 電子顯微鏡照片； 圖4是本發(fā)明一種高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線， 其中曲線a、 b和c分別對(duì)應(yīng)實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 用25kg真空感應(yīng)爐熔煉低合金高碳鋼，澆鑄成直徑100mm的圓柱形鋼錠，緩冷 至室溫，鑄錠化學(xué)成分按重量百分比為C 0. 825， Si 1. 56， Mn 1. 37， Cr 0. 81， W 0. 87， Al 1. 44， P 0. 012， S 0. 0053，其余Fe。將鑄錠加熱到1170°C ，進(jìn)行開坯軋制，3道次軋制成20mm 厚的板坯，終軋溫度IOO(TC，熱軋板坯迅速放入22(TC鹽浴中等溫24h，然后空冷至室溫， 制得高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼，用透射電子顯微鏡測(cè)得微觀組織由平均厚度為 60nm的板條狀貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成，組織照片見圖l，用電子拉伸機(jī)測(cè)得拉伸 應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4中的曲線a，其抗拉強(qiáng)度為2370MPa，屈服強(qiáng)度為1950MPa，總延伸率 為6. 7 % ，均勻延伸率為4. 5 % ，按ASTM E23-02標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的Charpy-U形缺口試樣室溫沖擊 功為7. 5J。
實(shí)施例2
用25kg真空感應(yīng)爐熔煉低合金高碳鋼，澆鑄成直徑100mm的圓柱形鋼錠，緩冷 至室溫，鑄錠化學(xué)成分按重量百分比為C 0. 825， Si 1. 56， Mn 1. 37， Cr 0. 81， W 0. 87， Al 1. 44， P 0. 012， S 0. 0053，其余Fe。將鑄錠加熱到1170°C ，進(jìn)行開坯軋制，3道次軋制成20mm 厚的板坯，終軋溫度IOO(TC，熱軋板坯迅速放入24(TC鹽浴中等溫12h，然后空冷至室溫， 制得高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼，用透射電子顯微鏡測(cè)得微觀組織由平均厚度為 80nm的板條狀貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成，組織照片見圖2，用電子拉伸機(jī)測(cè)得拉伸 應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4中的曲線b，其抗拉強(qiáng)度為2130MPa，屈服強(qiáng)度為1820MPa，總延伸率 為6. 8% ，均勻延伸率為3. 8% ，按ASTM E23-02標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的Charpy-U形缺口試樣室溫沖擊 功為22J。
實(shí)施例3 用25kg真空感應(yīng)爐熔煉低合金高碳鋼，澆鑄成直徑100mm的圓柱形鑄錠，緩冷 至室溫，鑄錠化學(xué)成分按重量百分比為C 0. 825， Si 1. 56， Mn 1. 37， Cr 0. 81， W 0. 87， Al 1.44，P 0.012， S 0.0053，其余Fe。將鑄錠加熱到1170°C ，進(jìn)行開坯軋制，3道次軋制成 20mm厚的板坯，終軋溫度IOO(TC，熱軋板坯迅速放入26(TC鹽浴中等溫4h，然后空冷至室 溫，制得高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼，用透射電子顯微鏡測(cè)得微觀組織由平均厚 度為90nm的板條狀貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成，組織照片見圖3，用電子拉伸機(jī)測(cè)得 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4中的曲線c，其抗拉強(qiáng)度為2080MPa，屈服強(qiáng)度為1530MPa，總延 伸率為7. 8%，均勻延伸率為5. 6X，按ASTME23-02標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的Charpy-U形缺口試樣室溫 沖擊功為20J。
權(quán)利要求
一種高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼的制備方法，其特征是所述方法的步驟如下(1)按化學(xué)成分重量百分比為C 0.7～0.9，Si 1.4～1.6，Mn 1.2～1.4，Al 1.4～1.6，Cr 0.7～0.9，W 0.7～0.9，P＜0.02，S＜0.02，余量為Fe，進(jìn)行熔煉，澆注成鑄錠后緩冷至室溫；(2)鑄錠加熱至1160～1180℃，開坯熱軋成厚度小于25mm的板坯，其終軋溫度為990～1010℃，軋后將板坯迅速放入220～260℃的鹽浴中等溫4～24h，然后空冷至室溫。
2. 按權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼的制備方法，其特征是所述方法制備的高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼，其抗拉強(qiáng)度為2000 2370MPa，應(yīng)變?yōu)?. 2%的條件屈服強(qiáng)度為1500 1950MPa，總延伸率為6. 7 7. 8%，均勻延伸率為3. 8 5. 6%，按ASTM E23-02標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的Charpy-U形缺口試樣室溫沖擊功為7 22J，微觀組織由60 90nm厚的板條貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成。
全文摘要
本發(fā)明公開一種高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼的制備方法，其特征在于所述鋼的化學(xué)成分按重量百分比為C 0.7～0.9，Si 1.4～1.6，Mn 1.2～1.4，Al 1.4～1.6，Cr 0.7～0.9，W 0.7～0.9，P＜0.02，S＜0.02，余量為Fe。按照上述化學(xué)成分熔煉，澆鑄成鋼錠，緩冷至室溫；鑄錠加熱至1160～1180℃，開坯熱軋成厚度小于25mm的板坯，其終軋溫度為990～1010℃，軋后將板坯迅速放入220～260℃的鹽浴中等溫4～24h，然后空冷至室溫，制得高強(qiáng)度高韌性納米結(jié)構(gòu)低合金高碳鋼，微觀組織由60～90nm厚度的板條貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成，其抗拉強(qiáng)度為2000～2300MPa，應(yīng)變0.2％的條件屈服強(qiáng)度為1500～1900MPa，總延伸率為6.7～7.8％，均勻延伸率為3.8～5.6％，按ASTM E23-02標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的Charpy-U形缺口試樣室溫沖擊功為7～22J。本發(fā)明制備方法工序簡單，熱軋后直接進(jìn)行鹽浴等溫處理，熱處理周期短，成本低，易于在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。
文檔編號(hào)C22C38/34GK101693981SQ200910075788
公開日2010年4月14日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者張冰, 張福成, 楊靜, 王天生 申請(qǐng)人:燕山大學(xué);