專(zhuān)利名稱(chēng)：一種納米結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度雙相鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超高強(qiáng)度鋼技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種納米結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度雙相鋼及其 制造方法。
背景技術(shù)：
通常認(rèn)為，抗拉強(qiáng)度超過(guò)1500N/mm2的合金結(jié)構(gòu)鋼為超高強(qiáng)度鋼。超高強(qiáng)度鋼是 在合金結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，通過(guò)特殊的合金成分和熱處理工藝設(shè)計(jì)，已達(dá)到超高 的強(qiáng)度級(jí)別，主要用于制造飛機(jī)起落架和主梁、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、高速離心機(jī)旋轉(zhuǎn)筒體 和其他承受高應(yīng)力的結(jié)構(gòu)部件。傳統(tǒng)的超高強(qiáng)度鋼通常按化學(xué)成分和強(qiáng)韌化機(jī)制分為(1)低合金超高強(qiáng)度鋼，是在合金調(diào)質(zhì)鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其We = 0.30% 0. 45%,wMe = 5%左右。常加入的合金元素有Ni、Cr、Mo、V、Ti、Nb、Al、Si、Mn等，其作用是 提高鋼的淬透性、固溶強(qiáng)化、細(xì)化晶粒和提高回火馬氏體與鐵素體的穩(wěn)定性。通過(guò)淬火和回 火或者等溫淬火處理，可獲得回火馬氏體或下貝氏體+回火馬氏體的混合組織。這類(lèi)鋼雖 然具有較高的強(qiáng)度和一定的塑性，但由于其中不含殘留奧氏體，其塑性遠(yuǎn)小于TRIP鋼(相 變誘導(dǎo)塑性鋼)和DP鋼(雙相鋼)。(2) 二次硬化型超高強(qiáng)度鋼，系指通過(guò)淬火+高溫回火后，析出特殊合金碳化物而 達(dá)到彌散強(qiáng)化(二次硬化)效果的超高強(qiáng)度鋼。主要包括Cr-Mo-V型中碳中合金馬氏體熱 作模具鋼、高韌性9M-4Co型和10M-14CO型高韌性超高強(qiáng)度鋼。這類(lèi)鋼含有非常高的貴 重金屬Ni、Co等合金元素，合金成本昂貴。(3)馬氏體時(shí)效鋼，即18Ni超低碳馬氏體時(shí)效鋼。它是鐵-鎳基超低碳高合金超 高強(qiáng)度鋼。通過(guò)馬氏體相變和時(shí)效析出金屬間化合物而達(dá)到強(qiáng)化效果的超高強(qiáng)度鋼。這類(lèi) 鋼一般采用真空感應(yīng)爐熔煉加真空自耗爐重熔的雙真空冶煉工藝，該工藝復(fù)雜，而且鋼中 含有非常高的貴重金屬Ni、Mo等合金，合金和生產(chǎn)成本昂貴。(4)超高強(qiáng)度不銹鋼，它是在不銹鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有較高的強(qiáng)度和耐蝕 性。依據(jù)其組織和強(qiáng)化機(jī)制的不同，也可分為馬氏體沉淀硬化不銹鋼、半奧氏體沉淀硬化不 銹鋼和馬氏體時(shí)效不銹鋼等。這類(lèi)鋼含有很高的Ni、Cr等合金，故其價(jià)格也很昂貴。納米結(jié)構(gòu)的貝氏體鋼，由于其顯微組織為納米板條貝氏體，加上存在大量的殘留 奧氏體，具有超高的強(qiáng)度、優(yōu)良的塑性和良好的沖擊韌性，其綜合機(jī)械性能優(yōu)異。經(jīng)對(duì)現(xiàn) 有的文獻(xiàn)和專(zhuān)利檢索發(fā)現(xiàn)，英國(guó)劍橋大學(xué)的F. G. Caballero, H. K. D. B. Bhadeshia等人在 "Very Strong Bainite, Current Opinion in Solid and Materials Science,8(2004) p. 251-257. Carbon supersaturation of ferrite in a nanocrystalline bainitic steel, Acta Materialia, 58 (2010) :p. 2338-2343. ”等文章中闡述了納米貝氏體鋼的制備 工藝，獲得超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)貝氏體鋼。高碳、高硅鋼在低溫O00 300°C)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間等 溫轉(zhuǎn)變可以獲得極細(xì)小的貝氏體組織，具有超高強(qiáng)度和良好韌性，已經(jīng)申請(qǐng)多項(xiàng)專(zhuān)利，比如 "METHOD FOR PRODUCING AN IMPROVEDBAINITIC STEEL”(EP 1200638(Al))、“A steel and a heat treatment for steels”(GB2352726(A))、“HIGH STRENGTH BAINITIC STEEL FOR
3OCTG APPLICATIONS” (W02009065432 (Al))等專(zhuān)利技術(shù)。但其缺點(diǎn)是熱處理時(shí)間長(zhǎng)(幾天 甚至更長(zhǎng))，即使增加增高Y — α自由能的元素Co和(或)Al，也需要數(shù)天時(shí)間，熱處理 工藝周期長(zhǎng)。美國(guó)科羅拉多礦業(yè)大學(xué)的J. G. Speer,D. V. Edmonds等人在“Carbon partitioning into austenite after martensite transformation, Acta Materialia,51(2003) p.2611-2622. "Partitioning of carbon from supersaturated plates of ferrite. with application to steel processing and fundamentals of the bainite transformation, Current Opinion in Sol id and Materials Science,8 (2004) p. 219-237. ”等文章中闡述了淬火-碳分配Ο -Ρ)的新型熱處理工藝，獲得超高強(qiáng)度馬氏 體-殘留奧氏體鋼，淬火到一定溫度，然后再進(jìn)行碳分配處理，利用碳原子從馬氏體到殘留 奧氏體的分配原理，可以使殘留奧氏體富碳，進(jìn)而在室溫下得到穩(wěn)定的殘留奧氏體，具有超 高強(qiáng)度和良好韌性。但其缺點(diǎn)是沒(méi)有加入強(qiáng)碳化物析出元素，沒(méi)有引入碳化物的析出強(qiáng)化。中國(guó)上海交通大學(xué)的鐘寧、徐祖耀等人在“高強(qiáng)度Q&P鋼和Q-P-T鋼的研究，上海 交通大學(xué)博士論文，2009. ”、“鋼熱處理的新工藝，熱處理，22 (2007) :ρ· 1-11. ”等文章中闡 述了淬火-碳分配-回火Ο -Ρ-τ)的熱處理工藝，獲得超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)馬氏體鋼，低碳和 中碳合金鋼經(jīng)過(guò)Q-P-T熱處理，由于碳化物的析出強(qiáng)化作用，比Q-P鋼有更高的強(qiáng)度，具有 超高的強(qiáng)度，同時(shí)保持良好的塑性和韌性，已經(jīng)申請(qǐng)多項(xiàng)專(zhuān)利，比如“采用碳分配提高鋼件 表面硬度的方法” 000610(^9690)、“采用碳分配和回火提高淬火鋼件機(jī)械性能的熱處理方 法”(200710045886)等專(zhuān)利技術(shù)。但其缺點(diǎn)是要進(jìn)行多次鹽浴介質(zhì)熱處理，工藝相對(duì)復(fù)雜； 而且，所得到的殘留奧氏體的體積分?jǐn)?shù)一般都小于10%，對(duì)韌性和塑性的提高有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服上述技術(shù)缺陷，目的是提供一種成本低廉、工藝簡(jiǎn)單、熱處理周期 短、性能優(yōu)良的超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)雙相鋼及其制造方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是先將鋼坯在850 1050°C條件下奧 氏體化0. 2 0. 6小時(shí)；再在0 100°C條件下進(jìn)行水浴淬火，保溫1. 0 10. 0分鐘；然后 在300 600°C條件下進(jìn)行碳分配+回火，時(shí)間為0. 01 1. 0小時(shí)；最后水淬至室溫。碳分配+回火的介質(zhì)為鹽浴、惰性氣氛和微弱還原氣氛中的一種。鋼坯的化學(xué)成分及其含量是:C為0. 71 1. OOwt%, Si為1. 00 2. OOwt%，Mn為 1. 00 2. 00wt%，Cr 為 1. 00 1. 60wt%，Mo 為 0. 05 1. OOwt%,Al 為 0. 05 1. OOwt%, Nb 為 0. 00 0. 2wt %，Ti 為 0. 00 0. 2wt %，V 為 0. 00 0. 2wt %，P < 0. 015wt %， S < 0. OlOwt %，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)；其中，Si+Mn+Cr+Mo+Al彡6. OOwt %， Nb+Ti+V ( 0. 30wt%o由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明是以?xún)r(jià)格低廉的C、Si、Mn、Cr元素為主，只有少量 的Mo、Al、Nb、V、Ti等元素，故成本低廉；用水浴淬火，之后在惰性氣氛、或微弱還原氣氛、或 鹽浴的條件下進(jìn)行碳分配+回火的熱處理工藝，故熱處理工藝簡(jiǎn)單，整個(gè)熱處理過(guò)程只需 0.3 1.7小時(shí)，熱處理周期短。本發(fā)明制造的超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)雙相鋼的顯微組織是納米級(jí)( IOOnm厚度)的 馬氏體板條為基體，彌散分布著殘留奧氏體和納米尺寸( IOnm直徑)的碳化物的超細(xì)組織。殘留奧氏體的體積分?jǐn)?shù)占較大的比例(10 40vOl%)。納米結(jié)構(gòu)的板條馬氏體組織， 具有超高的強(qiáng)韌度和破斷抗力；奧氏體為韌度相，分布在馬氏體板條上或板條之間，在受到 外力作用下會(huì)發(fā)生塑性變形，吸收和消耗能量，延緩裂紋的擴(kuò)展，對(duì)提高板材的韌度極其有 利，應(yīng)力作用較大時(shí)會(huì)發(fā)生相變誘發(fā)塑性效應(yīng)(TRIP效應(yīng))，進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)韌度；納米 尺寸的碳化物，進(jìn)一步增加其強(qiáng)度。因碳的固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、馬氏體板條強(qiáng)化、誘發(fā)塑性 強(qiáng)化、碳化物的析出強(qiáng)化等，使該鋼可達(dá)到超高的強(qiáng)度級(jí)別；因殘留奧氏體成細(xì)條狀分布， 且體積含量較大，使該鋼達(dá)到優(yōu)良的塑性級(jí)別，其綜合力學(xué)性能優(yōu)異。本發(fā)明所制造的超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)雙相鋼的抗拉強(qiáng)度為1800 2550MPa、硬度為 550 700HV、延伸率為15 30%、斷口韌性為20 35MPamV2。所制造的超高強(qiáng)度納米結(jié) 構(gòu)雙相鋼相對(duì)于納米結(jié)構(gòu)貝氏體鋼，不僅其熱處理時(shí)間大大縮短，且其強(qiáng)度、硬度、塑性、韌 性高于或相當(dāng)于納米結(jié)構(gòu)貝氏體鋼；相對(duì)于低碳和中碳的納米結(jié)構(gòu)馬氏體鋼，其強(qiáng)度和硬 度顯著提高，塑性和韌性也高于類(lèi)似成分的其他鋼種。因此，本發(fā)明具有成本低廉、工藝簡(jiǎn)單和熱處理周期短的特點(diǎn)，所制備的鋼板性能 優(yōu)良，可廣泛應(yīng)用于制造飛機(jī)起落架和主梁、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、高速離心機(jī)旋轉(zhuǎn)筒體和 其他承受高應(yīng)力的結(jié)構(gòu)部件。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。實(shí)施例1一種納米結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度雙相鋼及其制造方法。先將鋼坯在900 1050°C條件下 奧氏體化0. 2 0. 5小時(shí)；然后在50 100°C水浴的條件下淬火，保溫4. 0 10. 0分鐘； 之后在300 500°C的惰性氣氛條件下進(jìn)行碳分配+回火，時(shí)間為0. 4 1. 0小時(shí)；最后水
淬至室溫。鋼坯的化學(xué)成分及其含量是C為0. 71 0. 90wt%,Si為1. 00 1. 50wt%，Mn為 1. 50 2. 00wt%，Cr 為 1. 00 1. 60wt%，Mo 為 0. 05 0. 60wt%,Al 為 0. 05 0. 60wt%, Nb 為 0. 05 0. 2wt %，Ti 為 0. 05 0. 2wt %，V 為 0. 05 0. 2wt %，P < 0. 015wt %， S < 0. OlOwt %，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)；其中，Si+Mn+Cr+Mo+Al彡6. OOwt %， Nb+Ti+V ( 0. 30wt%o本實(shí)施例所制造的超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)雙相鋼的抗拉強(qiáng)度為1800 2300MPa，硬度 為550 640HV，延伸率為20 30%，斷口韌性為25 35MPam〃2的超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)雙 相鋼。實(shí)施例2一種納米結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度雙相鋼及其制造方法。先將鋼坯在870 1020°C條件下 奧氏體化0. 25 0. 55小時(shí)；然后在20 80°C水浴的條件下淬火，保溫3. 0 9. 0分鐘； 之后在350 600°C的微弱還原氣氛的條件下進(jìn)行碳分配+回火，時(shí)間為0. 2 0. 7小時(shí)；
最后水淬至室溫。鋼坯的化學(xué)成分及其含量是C為0. 75 0. 95wt%,Si為1. 50 2. OOwt%，Mn為 1. 00 1. 50wt%，Cr 為 1. 00 1. 60wt%，Mo 為 0. 40 1. OOwt%,Al 為 0. 40 1. OOwt%, Nb 為 0. 05 0. 2wt%, Ti 為 0. 05 0. 2wt%, P < 0. 015wt%, S < 0. 010wt%，其余為！^及不可避免的雜質(zhì)；其中，Si+Mn+Cr+Mo+Al 彡 6. 00wt%, Nb+Ti 彡 0. 30wt%。本實(shí)施例所制造的超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)雙相鋼的抗拉強(qiáng)度為2100 2500MPa，硬度 為600 680HV，延伸率為17 27%，斷口韌性為23 33MPam〃2的超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)雙 相鋼。實(shí)施例3一種納米結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度雙相鋼及其制造方法。先將鋼坯在850 1000°C條件下 奧氏體化0. 3 0. 6小時(shí)；然后在0 60°C水浴的條件下淬火，保溫1. 0 7. 0分鐘；之后 在330 530°C的鹽浴的條件下進(jìn)行碳分配+回火，時(shí)間為0. 01 0. 65小時(shí)；最后水淬至室溫。鋼坯的化學(xué)成分及其含量是C為0. 80 1. OOwt%, Si為1. 20 1. 70wt%，Mn為 1. 30 1. 80wt%，Cr 為 1. 00 1. 60wt%，Mo 為 0. 10 0. 60wt%,Al 為 0. 10 0. 60wt%, Ti 為 0. 05 0. 2wt%，V 為 0. 05 0. 2wt%,P < 0. 015wt%,S < 0. 010wt%，其余為 Fe 及 不可避免的雜質(zhì)；其中，Si+Mn+Cr+Mo+Al ( 5. OOwt%, Ti+V ( 0. 30wt%o本實(shí)施例所制造的超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)雙相鋼的抗拉強(qiáng)度為2150 2550MPa，硬度 為630 700HV，延伸率為15 25%，斷口韌性為20 30MPam〃2的超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)雙 相鋼。實(shí)施例4一種納米結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度雙相鋼及其制造方法。先將鋼坯在850 1000°C條件下 奧氏體化0. 3 0. 6小時(shí)；然后在10 70°C水浴的條件下淬火，保溫1. 0 8. 0分鐘；之 后在300 500°C的鹽浴的條件下進(jìn)行碳分配+回火，時(shí)間為0. 1 0. 75小時(shí)；最后水淬
至室溫。鋼坯的化學(xué)成分及其含量是C為0. 78 1. OOwt%, Si為1. 20 1. 80wt%，Mn為 1. 20 1. 80wt%，Cr 為 1. 00 1. 60wt%，Mo 為 0. 20 0. 80wt%,Al 為 0. 20 0. 80wt%, Ti為0. 05 0. 2wt%，P < 0. 015wt%, S < 0. OlOwt%，其余為！^及不可避免的雜質(zhì)；其 中，Si+Mn+Cr+Mo+Al ( 6. OOwt % 本實(shí)施例所制造的超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)雙相鋼的抗拉強(qiáng)度為2100 M50MPa，硬度 為610 680HV，延伸率為18 25%，斷口韌性為22 30MPam〃2的超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)雙 相鋼。由于采用上述技術(shù)方案，本具體實(shí)施方式
制造的超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)雙相鋼的顯微 組織是納米級(jí)( IOOnm厚度)的馬氏體板條為基體，彌散分布著殘留奧氏體和納米尺 寸( IOnm直徑)的碳化物的超細(xì)組織。殘留奧氏體的體積分?jǐn)?shù)占較大的比例(10 40vol%)o納米結(jié)構(gòu)的板條馬氏體組織，具有超高的強(qiáng)韌度和破斷抗力；奧氏體為韌度相， 分布在馬氏體板條上或板條之間，在受到外力作用下會(huì)發(fā)生塑性變形，吸收和消耗能量， 延緩裂紋的擴(kuò)展，對(duì)提高板材的韌度極其有利，應(yīng)力作用較大時(shí)會(huì)發(fā)生相變誘發(fā)塑性效應(yīng) (TRIP效應(yīng))，進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)韌度；納米尺寸的碳化物，進(jìn)一步增加其強(qiáng)度。因碳的固溶 強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、馬氏體板條強(qiáng)化、誘發(fā)塑性強(qiáng)化、碳化物的析出強(qiáng)化等，使該鋼可達(dá)到超高 的強(qiáng)度級(jí)別；因殘留奧氏體成細(xì)條狀分布，且體積含量較大，使該鋼達(dá)到優(yōu)良的塑性級(jí)別， 其綜合力學(xué)性能優(yōu)異。本具體實(shí)施方式
所制造的超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)雙相鋼的抗拉強(qiáng)度為1800
62550MPa、硬度為550 700HV、延伸率為15 30%、斷口韌性為20 35MPam1/2。所制造的 超高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)雙相鋼相對(duì)于納米結(jié)構(gòu)貝氏體鋼，不僅其熱處理時(shí)間大大縮短，且其強(qiáng) 度、硬度、塑性、韌性高于或相當(dāng)于納米結(jié)構(gòu)貝氏體鋼；相對(duì)于低碳和中碳的納米結(jié)構(gòu)馬氏 體鋼，其強(qiáng)度和硬度顯著提高，塑性和韌性也高于類(lèi)似成分的其他鋼種。
因此，本具體實(shí)施方式
具有成本低廉、工藝簡(jiǎn)單和熱處理周期短的特點(diǎn)，所制備的 鋼板性能優(yōu)良，可廣泛應(yīng)用于制造飛機(jī)起落架和主梁、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、高速離心機(jī)旋 轉(zhuǎn)筒體和其他承受高應(yīng)力的結(jié)構(gòu)部件。
權(quán)利要求
1. 一種納米結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度雙相鋼的制造方法，其特征在于先將鋼坯在850 1050°C 條件下奧氏體化0. 2 0. 6小時(shí)；再在0 100°C條件下進(jìn)行水浴淬火，保溫1. 0 10. 0分 鐘；然后在300 600°C條件下進(jìn)行碳分配+回火，時(shí)間為0. 01 1. 0小時(shí)；最后水淬至室鋼坯的化學(xué)成分及其含量是C為0. 71 1.00wt%，Si為1.00 2. OOwt %, Mn為 1. 00 2. OOwt%,Cr ^ 1. 00 1. 60wt%,Mo 為 0. 05 1. 00wt%，Al 為 0. 05 1. OOwt%, Nb 為 0. 00 0. 2wt %，Ti 為 0. 00 0. 2wt %，V 為 0. 00 0. 2wt %，P < 0. 015wt %， S < 0. OlOwt %，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)；其中，Si+Mn+Cr+Mo+Al彡6. OOwt %， Nb+Ti+V ( 0. 30wt%o
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度雙相鋼的制造方法，其特征在于所述的 碳分配+回火的介質(zhì)為鹽浴、惰性氣氛和微弱還原氣氛中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1 2項(xiàng)中任一項(xiàng)所述的納米結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度雙相鋼的制造方法所制 造的納米結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度雙相鋼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度雙相鋼及其制造方法。其方案是先將鋼坯在850～1050℃條件下奧氏體化0.2～0.6小時(shí)；再在0～100℃條件下進(jìn)行水浴淬火，保溫1.0～10.0分鐘；然后在300～600℃條件下進(jìn)行碳分配+回火，時(shí)間為0.01～1.0小時(shí)；最后水淬至室溫。碳分配+回火的介質(zhì)為鹽浴、惰性氣氛和微弱還原氣氛中的一種。鋼坯的化學(xué)成分及其含量是C為0.71～1.00wt％，Si為1.00～2.00wt％，Mn為1.00～2.00wt％，Cr為1.00～1.60wt％，Mo為0.05～1.00wt％，Al為0.05～1.00wt％，Nb為0.00～0.2wt％，Ti為0.00～0.2wt％，V為0.00～0.2wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)；其中，Si+Mn+Cr+Mo+Al≤6.00wt％，Nb+Ti+V≤0.30wt％。本發(fā)明具有成本低廉、工藝簡(jiǎn)單和熱處理周期短的特點(diǎn)，所制備的鋼板性能優(yōu)良、用途廣泛。
文檔編號(hào)C21D1/18GK102127711SQ20111004203
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者萬(wàn)進(jìn), 吳開(kāi)明, 胡鋒, 邱金鰲, 鄭花 申請(qǐng)人:武漢科技大學(xué)