一種高淬透性低屈強(qiáng)比合金鋼及制備方法
【專利摘要】一種高淬透性低屈強(qiáng)比超高強(qiáng)度鋼及制備方法，屬于合金鋼技術(shù)領(lǐng)域。該鋼的化學(xué)組成成分重量％為：C 0.33?0.43％，Cr 0.50?3.5％，Ni 2.0?6.0％，Si 0.5?1.50％，Mn 0.5?1.50％，Mo 0.5?2.0％，V0?0.3％，Nb 0?0.2％，其余為Fe及其他不可避免的雜質(zhì)元素。優(yōu)點(diǎn)在于，與現(xiàn)有技術(shù)相比綜合性能優(yōu)良，具有空淬可以得到完全馬氏體能力，σb≥1900Mpa和KIC≥90MPam1/2的高韌性和超高強(qiáng)度的同時(shí)，具有0.80以下的屈強(qiáng)比，具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性、抗絕熱剪切能力、熱處理工藝性和經(jīng)濟(jì)性。
【專利說明】
-種高巧透性低屈強(qiáng)比合金鋼及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于合金鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種高澤透性低屈強(qiáng)比（〇0.2/〇b《0.8)超 高強(qiáng)度鋼及制備方法，具有優(yōu)異強(qiáng)初性(化>1900M化，KiG>90MPami/2)、優(yōu)良的抗絕熱剪切 能力、良好的熱處理工藝性和經(jīng)濟(jì)性。
【背景技術(shù)】
[0002] 在此之前，由于經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢，低合金超高強(qiáng)度鋼一直是超高強(qiáng)度鋼應(yīng)用的主力， 廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、交通等行業(yè)，主要有30化MnSi、30CrMnSiNi2、D406A、D6AC等， 但運(yùn)些低合金超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度普遍在ISOOMPaW下，更高強(qiáng)度級別的如300M鋼的強(qiáng)度可 W達(dá)到2000MPa級，但斷裂初性較低，在70MPami/2W下。
[0003] 隨航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對于高初性高可靠性的設(shè)計(jì)選材需求越發(fā)突出，在具有 高強(qiáng)度的同時(shí)，需要具有高初性，同時(shí)適應(yīng)沖擊載荷或循環(huán)載荷的能力，希望抗拉強(qiáng)度曰 1900Mpa同時(shí)具有Kic>90MPami/2的高初性。在沖擊載荷條件使用下，希望具有較低的屈強(qiáng) tt，屈強(qiáng)比在0.8W下。
[0004] 近年來隨著零部件形狀復(fù)雜性增加，希望材料具有更大的澤透性，利用空澤滿足 復(fù)雜澤透性和組織性能一致性的需求。對合金鋼的澤透性提出了更高的要求。雖然目前的 低合金鋼能夠提供1620MPa，Kic>80MPami/2的性能，但是與目前航天航空領(lǐng)域?qū)τ诹悴?件的需求相比，強(qiáng)度和斷裂初性等的綜合性能尚存在差距，強(qiáng)度和初性均偏低，不能滿足技 術(shù)需求。同時(shí)上述用鋼均采用油澤工藝，希望零件可W采用空澤即可澤透的澤火能力，滿足 復(fù)雜零件要求。希望能夠研制一種價(jià)格經(jīng)濟(jì)、強(qiáng)度穩(wěn)定在1900M化W上，同時(shí)具備優(yōu)良的抗 低應(yīng)力破壞能力，即斷裂初性Kic>90MPami/2的超高強(qiáng)度鋼，具有0.8W下的屈強(qiáng)比，具有優(yōu) 異的強(qiáng)初性、熱處理工藝性和經(jīng)濟(jì)性。
[0005] 在高應(yīng)變率條件下，絕熱剪切變形斷裂是材料普遍的失效模式。材料在高速加載 過程中，應(yīng)變速率可達(dá)1 〇3~l〇6s^i，整個(gè)變形過程的時(shí)間極短，由塑性變形產(chǎn)生的熱量來不 及失散出去，可認(rèn)為是"絕熱"過程。不同材料發(fā)生絕熱剪切變形的難易程度存在很大的差 另IJ，材料的絕熱剪切特性直接影響材料的高應(yīng)變率使用性能。將材料制成? 4 X 4mm試樣，利 用分離式霍普金森壓桿進(jìn)行強(qiáng)迫剪切試驗(yàn)，考驗(yàn)材料所能承受的極限變形速率，可有效反 映材料的抗絕熱剪切能力(極限變形速率越高，抗絕熱剪切能力越強(qiáng)，即絕熱剪切敏感性越 低)。
[0006] 因此，新一代具有高澤透性、低屈強(qiáng)比、低絕熱剪切敏感性的低合金超高強(qiáng)度鋼日 益被提到科研日程上來。
[0007] 目前典型應(yīng)用的低合金超高強(qiáng)度鋼成分和力學(xué)性能見表1和表2:
[000引表1對比鋼化學(xué)成分(wt%)
[0009]
[i
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的在于提供一種高澤透性低屈強(qiáng)比抗絕熱剪切能力良好的超高強(qiáng)度 鋼及制備方法，是一種高澤透性低屈強(qiáng)比經(jīng)濟(jì)型超高強(qiáng)度鋼，綜合性能優(yōu)良，具有空澤可W 得到完全馬氏體能力，〇b>1900MPa和Kic>90MPami/2的高初性和超高強(qiáng)度的同時(shí)，具有0.8 W下的屈強(qiáng)比，具有優(yōu)異的強(qiáng)初性、抗絕熱剪切能力、熱處理工藝性和經(jīng)濟(jì)性。
[0013] 基于上述目的，本發(fā)明的主要技術(shù)方案是在中碳低溫回火馬氏體鋼基礎(chǔ)上，較高 的化、化含量使C曲線右移提高澤透性，嚴(yán)格控制Si、Mn的添加可獲得較低的屈強(qiáng)比，Cr、Ni 含量的配合控制Ms點(diǎn)，添加1〇、師、￥，形成中合金低溫回火馬氏體鋼。其具體的化學(xué)組成成 分（重量％)為：C0.33-0.43%，Cr0.50-3.5%，Ni2.0-6.0%，Si0.5-1.50%，Mn0.5-1.50%， MoO. 5-2.0%，V0-0.3%，NbO-0.2%，其余為化及其他不可避免的雜質(zhì)元素。
[0014] 上述化學(xué)成分的設(shè)計(jì)依據(jù)如下：
[0015] C:澤火、回火后為了獲得所需的高強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度與C含量呈直線關(guān)系：
[0016] 〇b(MPa) = (294XC%+82)X9.8
[0017] 式中，C%表示鋼中碳含量，適用范圍為0.30~0.50%C。為達(dá)到1900MPaW上的強(qiáng) 度，C含量須在0.33% W上，但過多的C含量會(huì)嚴(yán)重惡化鋼的塑初性W及鋼的工藝性能，同時(shí) 嚴(yán)重?fù)p害抗絕熱剪切能力，因而C含量控制為0.33-0.43 %。
[0018]化:能夠有效地提高鋼的澤透性和回火抗力，w獲得所需的高強(qiáng)度，同時(shí)顯著提高 抗脫碳能力，但含量過高則會(huì)顯著提高鋼的澤火溫度、降低鋼的初性和加工性，而且與Ni同 時(shí)添加會(huì)顯著降低Ms點(diǎn)。本發(fā)明中化含量應(yīng)最高在3.0%左右，因此控制在0.5-3.5%。 [0019] Ni:有效地提高鋼的澤透性并提高鋼的低溫初性。同時(shí)降低Ms點(diǎn)，能夠獲得殘余奧 氏體，提高鋼的初性，達(dá)到3.0%左右明顯推遲C曲線，顯著提高澤透性，是本發(fā)明鋼的主要 技術(shù)措施之一，但過高的Ni含量超過6%時(shí)由于Ms點(diǎn)過低，得不到完全馬氏體組織，殘余奧 氏體過多降低強(qiáng)度，必需采用深冷處理使熱處理工藝復(fù)雜，因此控制在2.0-6.0%。
[0020] Si:在鋼中加入Si,可抑制殘余奧氏體向FesC的分解轉(zhuǎn)變，并使回火馬氏體脆性區(qū) 向高溫方向移動(dòng)，降低第一類回火脆性，因此可W采用高溫度回火工藝獲得良好的強(qiáng)初性 配比，但高Si會(huì)降低抗脫碳性能，同時(shí)在回火過程中顯著提高屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，為達(dá)到 0.80W下的屈強(qiáng)比，本發(fā)明鋼中Si控制在1.5% W下。
[0021] Mn:可W提高鋼的澤透性和強(qiáng)度，但Mn含量過高時(shí)，有使鋼晶粒粗化的傾向，并增 加鋼的回火脆敏感性，同時(shí)增加真空自耗重烙冶金過程中成分偏析，而Mn與Si都提高屈服 強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，因而控制Mn含量0.5-1.50%。
[0022] Mo:有效地提高鋼的澤透性和回火抗力的同時(shí)，還能夠強(qiáng)化晶界。含量小于0.20% 難W起到上述作用，但含量超過2.0%則固溶溫度顯著提高超過950°C，粗化組織降低塑初 性，因此Mo含量控制在0.5-2.0 %。
[0023] V:在低合金超高強(qiáng)度鋼中通過形成細(xì)小彌散的MC型析出相進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化，提高鋼 的強(qiáng)度和初性。V含量小于0.05%難W起到上述作用，過高的V會(huì)降低塑性，控制在0-0.3%。
[0024] Nb:細(xì)化晶粒，提高鋼的初性，含量小于0.01%起不到上述作用，超過0.3%會(huì)增加 脆性傾向，本發(fā)明控制在小于0.2 %。
[0025] 本發(fā)明高沖擊初性超高強(qiáng)度鋼易于采用真空感應(yīng)+真空自耗重烙或電渣重烙工 藝，也可采用爐外精煉+真空自耗重烙或電渣重烙工藝，工藝中控制的技術(shù)參數(shù)如下：
[00%] 鋼錠進(jìn)行1190-1230°C均勻化處理，8小時(shí)《擴(kuò)散時(shí)間《60小時(shí)，裝爐溫度《650 。。
[0027] 加熱溫度：1160-1180°C，1100°C《開鍛溫度《1160°C，800°C《終鍛溫度《900°C;
[0028] 成品退火制度：正火：910-950°C，1小時(shí)《保溫時(shí)間《3小時(shí)空冷；退火：640-700 °C，6小時(shí)《保溫時(shí)間《30小時(shí)。
[00巧]最終熱處理：澤火處理：加熱到880-950°C，熱透后保溫1-3小時(shí)，空冷、風(fēng)冷或油 澤；
[0030] 回火處理:加熱到230-280°C，熱透后保溫2-4小時(shí)，空冷;或進(jìn)行二次回火處理。
[0031] 根據(jù)上述化學(xué)成分及生產(chǎn)方法所制備的本發(fā)明鋼，具有空澤可W得到完全馬氏體 能力，〇b>1900Mpa和KiG>90MPami/2的高初性和超高強(qiáng)度的同時(shí)，具有0.8W下的屈強(qiáng)比， 3600-4300s^的極限應(yīng)變速率。具有優(yōu)異的強(qiáng)初性、抗絕熱剪切能力、熱處理工藝性和經(jīng)濟(jì) 性。
[0032] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明綜合性能優(yōu)良，具有更高的強(qiáng)度和斷裂初性，有良好的抗 絕熱剪切能力，同時(shí)具有良好的澤透性和熱處理工藝性。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 根據(jù)本發(fā)明經(jīng)濟(jì)型高初性易旋壓易焊接超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分范圍，采用25公斤 真空感應(yīng)爐制備20公斤的合金錠10爐，其具體化學(xué)成分見表3。
[0034] 試驗(yàn)鋼冶煉誘鑄成鋼錠后，鍛前首先進(jìn)行高溫均質(zhì)化處理制度為：1200°C保溫10 小時(shí)后，降溫鍛造，鍛造加熱溫度為1150°C。鍛造試棒尺寸為：(1) 15X2000mm、15X15X 2000mm 及 25 X 45 X Lmm。
[0035] 鍛后試棒首先進(jìn)行正火、退火熱處理:正火處理950°CX化，空冷、退火處理680°C X化，空冷。然后送試樣段加工拉伸、沖擊及斷裂初性試樣毛巧。最后進(jìn)行澤火、回火熱處 理:澤火處理930°C X化，空冷；回火處理260°C X化，AC。試樣毛巧磨削加工后即可測試力學(xué) 性能見表2。
[0036] 為了對比，在表1和表2列入了對比例低合金超高強(qiáng)度30CrMnSiNi2A、406、D406A鋼 的化學(xué)成分和力學(xué)性能。
[0037] 從表3看出，與對比例低合金30CrMnSiNi2A、406、D406A鋼相比，本發(fā)明的主要技術(shù) 方案是顯著提高C和Ni的含量，降低Si含量，同時(shí)添加更高的齡、抓、￥，形成中低合金低溫回 火馬氏體鋼。更高的C含量來提高強(qiáng)度;更高的Ni含量提高鋼的澤透性及獲得足夠的殘余奧 氏體提高沖擊初性，同時(shí)降低屈強(qiáng)比；嚴(yán)格控制的Si、Mn含量滿足低屈強(qiáng)比需要。
[0038] 由表4看出，本發(fā)明鋼種與對比例相比，抗拉強(qiáng)度和斷裂初性高于后者，具有穩(wěn)定 的曰1900M化抗拉強(qiáng)度和Kic>90MPami/2的斷裂初性，同時(shí)具有良好的澤透性和低屈強(qiáng)比， 空澤即可W澤透。
[0039] 由表5看出，本發(fā)明鋼種同對比例相比，在高應(yīng)變速率下，抗絕熱剪切能力高于后 者，具有3800-4200s^的極限應(yīng)變速率，同時(shí)，均勻塑性應(yīng)變，沖擊吸收能均高于300M鋼。
[0040] 表3本發(fā)明實(shí)施例與對比例化學(xué)成分(wt%)對比表
[0041]
[0042] 表4本發(fā)明實(shí)施例與對比例力學(xué)性能對比表
[〇fM3l
[(
[(
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高淬透性低屈強(qiáng)比超高強(qiáng)度鋼，其特征在于，化學(xué)組成成分重量％為<0.33- 0.43%,Cr 0.50-3.5%,Ni 2.0-6.0%,Si 0.5-1.50%,Μη 0.5-1.50%,Mo 0.5-2.0%,V 0-0.3%，Nb 0-0.2%，其余為Fe及其他不可避免的雜質(zhì)元素。2. -種權(quán)利要求1所述的一種高淬透性低屈強(qiáng)比超高強(qiáng)度鋼的制備方法，采用真空感 應(yīng)+真空自耗重熔或電渣重熔，或采用爐外精煉+真空自耗重熔或電渣重熔冶煉工藝;其特 征在于，工藝中控制的技術(shù)參數(shù)如下： 鋼錠進(jìn)行1180-1230°C均勻化處理，8小時(shí)<擴(kuò)散時(shí)間<60小時(shí)，裝爐溫度<650°C ; 加熱溫度：1150-1180°C，1100°C彡開鍛溫度彡1160°C，800°C彡終鍛溫度彡900°C ; 成品退火制度:正火:910-930°C，1小時(shí)<保溫時(shí)間<3小時(shí)空冷；回火:640-700°C，6小 時(shí) <保溫時(shí)間< 30小時(shí)； 最終熱處理:淬火處理:加熱到860-930°C，熱透后保溫1-3小時(shí)，空冷、風(fēng)冷或油淬； 回火處理:加熱到230-280°C，熱透后保溫2-6小時(shí)，空冷;或進(jìn)行二次回火處理。
【文檔編號(hào)】C22C38/04GK106048435SQ201610065359
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年2月1日 公開號(hào)201610065359.6, CN 106048435 A, CN 106048435A, CN 201610065359, CN-A-106048435, CN106048435 A, CN106048435A, CN201610065359, CN201610065359.6
【發(fā)明人】劉少尊, 王春旭, 厲勇, 黃順喆, 韓順, 劉憲民
【申請人】劉少尊