低合金超高强度钢及其制备方法
阅读说明：本技术 低合金超高强度钢及其制备方法 (Low-alloy ultrahigh-strength steel and preparation method thereof ) 是由 孙海涛 栾吉哲 刘军凯 叶强 冯文静 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种低合金超高强度钢及其制备方法,以质量百分比计,该低合金超高强度钢由以下组分构成：C0.34％～0.38％,Mn0.60％～0.90％,Si1.50％～1.80％,S≤0.010％,P≤0.010％,Ni1.45％～1.85％,Al0.03％～0.08％,Cr0.90％～1.30％,V0.08％～0.15％,H≤0.0001％,O≤0.0015％,N≤0.010％,余量为Fe和其它不可避免的杂质。本发明提供的低合金超高强度钢,通过各元素之间相互配合,可显著提高低合金超高强度钢的抗拉强度、屈服强度、伸长率和面缩率等综合性能。(The invention provides low-alloy ultrahigh-strength steel and a preparation method thereof, wherein the low-alloy ultrahigh-strength steel comprises the following components in percentage by mass: 0.34 to 0.38 percent of C, 0.60 to 0.90 percent of Mn0.50 to 1.80 percent of Si, less than or equal to 0.010 percent of S, less than or equal to 0.010 percent of P, 1.45 to 1.85 percent of Ni1, 0.03 to 0.08 percent of Al0, 0.90 to 1.30 percent of Cr0.08 to 0.15 percent of V, less than or equal to 0.0001 percent of H, less than or equal to 0.0015 percent of O, less than or equal to 0.010 percent of N, and the balance of Fe and other inevitable impurities. The low-alloy ultrahigh-strength steel provided by the invention can obviously improve the comprehensive properties of the low-alloy ultrahigh-strength steel, such as tensile strength, yield strength, elongation, surface shrinkage and the like, through mutual matching of all elements.)
技术领域
本发明涉及合金材料领域，尤其涉及一种低合金超高强度钢及其制备方法。
背景技术
超高强度钢是用于制造承受较高应力结构件的一类合金钢，一般室温拉伸抗拉强度超过1400MPa，屈服强度大于1300MPa，这类钢一般具有足够的韧性、较高的比强度和屈强比、良好的焊接性和成形性。按照合金化程度和显微组织的不同，超高强度钢可分为低合金、中合金和高合金三类。
低合金超高强度钢是在调质结构钢的基础上发展起来的，通过在钢中加入少量的多种合金元素，使钢固溶强化并提高钢的淬透性与马氏体回火稳定性。合金元素主要是Mn、Cr、Si、Ni、Mo、V等，低合金超高强度钢中合金元素的总含量一般不超过5％，由于合金元素含量低、成本低、生产工艺简单，广泛用于制造飞机大梁、发动机轴、固体火箭发动机壳体、桥梁、船舶等。
目前应用最广泛的低合金超高强度钢为30CrMnSiNi2，按质量百分比计，其成分含量如下：C 0.27％～0.34％，Si 0.90％～1.20％，Mn 1.00％～1.30％，S≤0.025％，P≤0.030％，Cr 0.90％～1.20％，Ni 1.40％～1.80％，余量为Fe和其它不可避免的杂质。
虽然该低合金超高强度钢具有优异的抗拉强度，一定的塑性和韧性。但是，随着海上国防建设的发展，对低合金钢的性能提出了更高的要求，要求低合金钢具有更优异的强度、韧性和塑性，而现有的低合金超高强度钢远不能满足海上国防对低合金钢的要求。
因此，研发一种抗拉强度和韧性等综合性能更优异的低合金超高强度钢是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有的低合金超高强度钢的性能不能满足船舶业对其性能需求的问题，本发明提供一种低合金超高强度钢及其制备方法，该低合金超高强度钢具有优异的抗拉强度、屈服强度、伸长率和面缩率等，能够满足海上国防等领域对低合金超高强度钢的要求。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种低合金超高强度钢，以质量百分比计，由以下组分构成：C0.34％～0.38％，Mn0.60％～0.90％，Si1.50％～1.80％，S≤0.010％，P≤0.010％，Ni1.45％～1.85％，Al0.03％～0.08％，Cr0.90％～1.30％，V0.08％～0.15％，H≤0.0001％，O≤0.0015％，N≤0.010％，余量为Fe和其它不可避免的杂质。
本发明提供的低合金超高强度钢，通过严格控制各元素的含量，尤其是合金元素的含量，各元素之间相互配合，可有效改善各元素及碳化物偏析和组织均匀性，进而显著提高低合金超高强度钢的强度、韧性和塑性等力学性能，尤其是抗拉强度、屈服强度、伸长率和面缩率等，能够满足海上国防等领域对低合金超高强度钢的高性能要求。与现有的低合金超高强度钢30CrMnSiNi2相比，本发明提供的低合金超高强度钢的抗拉强度、伸长率和面缩率等分别提高了30％、50％、25％以上。
具体地，0.34％～0.38％碳在奥氏体化时能够固溶于马氏体基体中达到固溶强化的作用，进而保证钢具有超高强度。1.50％～1.80％硅能够增大碳原子在奥氏体中的活度、抑制碳在奥氏体中的扩散，通过抑制Fe3C的形成降低碳在铁素体中的扩散速度，保持较强的固溶强化作用。1.45％～1.85％镍可以扩大奥氏体相区的元素，强烈抑制奥氏体向珠光体和贝氏体的转变，提高马氏体的淬透性；镍还可以降低过冷奥氏体向马氏体转变的温度，增加残余奥氏体含量的同时提高钢基体的层错能，使螺型位错易于产生交滑移，从而提高钢的韧性。0.60％～0.90％锰与特定含量的镍相互作用，可扩大奥氏体相区元素，提高钢的硬度、强度及淬透性。0.03％～0.08％铝与体系中微量的N相互作用，通过形成细小弥散分布的难熔化合物氮化铝来阻抑晶粒长大，细化晶粒，提高钢在低温下的韧性，过量的铝会促使奥氏体晶粒易长大粗化，进而影响钢的韧性。0.90％～1.30％铬可提高钢的淬透性，由于铬易与碳形成多种碳化物使固溶体中碳含量减少，导致强度降低，因此特定0.90％～1.30％含量的Cr可保证钢的淬透性和强度。0.08％～0.15％钒能够细化组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性，并提高钢的强度和韧性，同时钒与碳形成的稳定的特殊碳化物V4C3可显著提高钢的硬度、耐磨性和使用寿命。
本发明还提供了上述的低合金超高强度钢的制备方法，包括如下步骤：
原料经真空感应熔炼后浇注形成电极，然后对所述电极进行车光、真空自耗、锻造及热处理，得所述低合金超高强度钢。
现有的低合金超高强度钢都是通过真空感应熔炼浇注成直径为260mm的电极棒、然后电渣重熔成直径为350mm锭，最后经锻造制得。但是经电渣重熔得到的不锈钢纯净度不够且不能准确控制产品中各元素的含量，导致产品的抗拉强度、韧性和塑性很差。本发明提供的低合金超高强度钢的制备方法，通过采用真空感应熔炼可大大降低全熔后钢液中的O、N等杂质含量，经对电极进行车光处理，可防止其它处理方式或者不对电极表面处理导致电极表面产生氧化物及夹杂物影响钢的纯净度，或者是电极表面的褶皱等导致后续真空自耗工艺的不能正常进行。通过真空感应熔炼、对电极进行车光处理、锻造及热处理等各步骤之间相互配合，可显著提高低合金超高强度钢的抗拉强度、屈服强度、伸长率和面缩率等综合性能。
可选地，所述原料包括碳粉、合金料和纯金属料，所述碳粉在所述熔化期分批加入。发明人经研究发现，通过分批加入碳粉，可显著减低钢中O、N、S等杂质气体含量。
可选地，所述合金料为钒铁合金、硅铁合金。优选地，所述钒铁合金为50钒铁，所述硅铁合金中含硅75wt％，含铁25wt％。
可选地，所述真空感应熔炼包括熔化期、精炼期和合金化，在所述精炼期结束前进行取样分析，当N含量≤0.0015％时加入Al粉。通过限定Al粉的加入时机，可显著减少AlN等夹杂物的形成，提升钢的综合性能的同时提高Al的收得率。
可选地，在熔化期先将纯铁、50钒铁、金属Ni、金属Cr以及C粉理论加入质量的1/3放入真空感应熔炉内熔化，上述原料均熔化后，加入硅铁及剩余C粉，然后进入精炼期；精炼期结束前进行取样分析，待N含量≤0.0015％时加入Al粉和金属Mn。
可选地，所述精炼期的温度为1560～1580℃，所述熔化期的温度为1540～1560℃。
可选地，所述精炼期的时间不少于60min，真空度＜1Pa。
可选地，所述浇注的温度为1550～1570℃。
可选地，所述真空自耗的熔炼阶段的熔速为2.5～3.5kg/min。通过限定真空自耗的熔炼阶段的熔速，可以有效去除气体杂质元素，防止各元素及碳化物的偏析。
可选地，所述锻造的开锻温度为1180～1200℃，终锻温度为850～900℃。
可选地，所述锻造之前还包括高温均匀化处理，所述高温均匀化处理的温度为1240～1260℃，保温时间为20～30h。
通过限定开锻及终锻的温度，结合锻造之前的高温均匀化处理，可以保证钢材成形在最佳热塑性区，避免锻造开裂。如果不经过高温均匀化扩散的钢锭锻造至棒材，在棒材头尾部取样，经500倍光学显微镜观察可看到ε-碳化物呈大颗粒状或链状分布；经高温均匀化扩散的钢锭同样锻造至棒材，在棒材头尾部取样，经500倍光学显微镜观察无ε-碳化物。
可选地，所述热处理包括正火、一次回火、淬火、二次回火和三次回火。
可选地，所述正火温度为910～930℃，保温时间为t＝(加热系数η×R)+60min；
所述一次回火温度为670～690℃，保温时间t＝(加热系数η×R)+(120～240)min；
所述淬火温度为890-910℃，保温时间t＝(加热系数η×R)+60min；
所述二次回火温度为270～290℃，保温时间t＝(加热系数η×R)+120min；
所述三次回火的温度为270～290℃，保温时间t＝(加热系数η×R)+120min，
上述R为所述锻造得到的钢材的横截面半径，横截面半径的单位为mm，加热系数η＝2.2～2.8，加热系数的单位为min/mm。
经正火处理后，钢中碳化物析出、固溶碳含量有所降低，通过限定正火的温度及保温时间，可保持高的固溶强度效应。钢的抗拉强度与钢中碳原子质量分数间保持线性关系:σb(MPa)＝2940×[C]+820，因此，在高的固溶强度效应下，钢的韧性和塑性会降低，因此，必须进行一次回火处理使过饱和马氏体中析出一部分碳原子，在适当降低固溶强化效果的同时，显著提高钢的韧性和塑性。但是一次回火时形成的细小的碳化物依然会产生沉淀硬化作用，可通过限定淬火的温度及保温时间来进一步提高钢的韧性和塑性，结合二次回火来抑制马氏体基体软化的作用，保证钢的硬度不降低，三次回火可将钢的脆性推向高温方向，使钢得以在较高温度下回火，从而改善钢的塑性、韧性和缺口敏感性，同时使二次回火析出的碳化物不易聚集，提高回火抗力，保持较强的碳原子间隙固溶强化作用。
通过限定特定的正火、一次回火、淬火、二次回火和三次回火热处理方式，结合真空感应熔炼、车光、真空自耗及锻造等步骤，可显著提高钢的综合性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下各实施例中在进行配料时，均按照如下范围：
按重量百分比计，C0.34％～0.38％，Mn0.60％～0.90％，Si1.50％～1.80％，Ni1.45％～1.85％，Al0.03％～0.08％，Cr0.90％～1.30％，V0.08％～0.15％，余量为Fe。
其中，配料过程中采用的原料包括非金属料、合金料和纯金属料，其中非金属料为碳粉；合金料包括50钒铁和硅铁，硅铁中含硅约75wt％、含铁约25wt％；剩余的原料均为纯金属料。
实施例1
本实施例提供一种低合金超高强度钢，其制备方法如下：
(1)真空感应熔炼：按照上述低合金超高强度钢中化学成分要求进行配料(计算每种原材料的加入量)；先将纯铁、50钒铁、硅铁合金、金属Mn、金属Ni、金属Cr以及C粉理论加入质量的1/3放入真空感应熔炉内在1540～1550℃下熔化，原料均熔化后，加入硅铁及剩余C粉，在＜1Pa，1560～1570℃下精炼60min；然后进行取样分析，待N含量≤0.0015％时加入Al粉和金属Mn，同时按照低合金超高强度钢中成分的要求，根据分析结果进行补加其它原料，调整成分，使每个元素的含量达到低合金超高强度钢中成分的要求的范围内。
(2)浇注：将步骤(1)中制得到的钢水在1555～1565℃下浇注成电极坯(直径为φ250mm)，浇注过程中全程氩气保护，充氩：6000Pa；
(3)车光及真空自耗：对电极坯进行车光处理至电极坯表面没有褶皱及夹杂物等，然后对经车光处理后的电极坯进行真空自耗，真空自耗过程中起始阶段，冶炼电流控制在2～6KA，冶炼电压控制在22～24V，熔滴速率1～7滴/s；熔炼阶段熔速控制在3.5kg/min，电流控制在4KA，电压控制在23V，熔滴速率控制在5滴/s；热封顶阶段冶炼电流控制在2～6KA，电压控制在22～24V，熔滴速率控制在2-6滴/s，得到自耗锭(直径为305mm)；
(4)锻造：将步骤(3)制得的自耗锭先在1245℃下保温24h进行扩散退火均质化处理，开锻温度：1180℃，终锻温度：850℃，锻造两镦两拔，镦粗比为1/2，得到的圆棒的半径为120mm；
(5)热处理：将步骤(4)制备的圆棒依次进行正火、一次回火、淬火、二次回火、三次回火，正火温度为920℃，保温324min后空冷至室温，一次回火温度为690℃，保温450min后空冷至室温，淬火温度为910℃，保温395min后油冷至室温，二次回火温度为270℃，保温420min后空冷至室温，三次回火的温度为290℃，保温450min后空冷至室温，即得。
实施例2
本实施例提供一种低合金超高强度钢，其制备方法如下：
(1)真空感应熔炼：按照上述低合金超高强度钢中化学成分要求进行配料(计算每种原材料的加入量)；先将纯铁、50钒铁、硅铁合金、金属Mn、金属Ni、金属Cr以及C粉理论加入质量的1/3放入真空感应熔炉内在1550～1560℃下熔化，原料均熔化后，加入硅铁及剩余C粉，在＜1Pa，1570～1580℃下精炼80min；然后进行取样分析，待N含量≤0.0015％时加入Al粉和金属Mn，同时按照低合金超高强度钢中成分的要求，根据分析结果进行补加其它原料，调整成分，使每个元素的含量达到低合金超高强度钢中成分的要求的范围内。
(2)浇注：将步骤(1)中制得到的钢水在1560～1570℃下浇注成电极坯(直径为250mm)，浇注过程中全程氩气保护，充氩：6000Pa；
(3)车光及真空自耗：对电极坯进行车光处理至电极坯表面没有褶皱及夹杂物等，然后对经车光处理后的电极坯进行真空自耗，真空自耗过程中起始阶段，冶炼电流控制在2～7KA，冶炼电压控制在22～24V，熔滴速率1～8滴/s；熔炼阶段熔速控制在2.5kg/min，电流控制在5KA，电压控制在24V，熔滴速率控制在8滴/s；热封顶阶段冶炼电流控制在1～7KA，电压控制在20～24V，熔滴速率控制在2-8滴/s，得到自耗锭(直径为305mm)；
(4)锻造：将步骤(3)制得的自耗锭先在1260℃下保温20h进行扩散退火均质化处理，开锻温度：1200℃，终锻温度：900℃，锻造两镦两拔，镦粗比为1/2，得到的圆棒的半径为120mm；
(5)热处理：将步骤(4)制备的圆棒依次进行正火、一次回火、淬火、二次回火、三次回火，正火温度为930℃，保温396min后空冷至室温，一次回火温度为670℃，保温384min后空冷至室温，淬火温度为900℃，保温345min后油冷至室温，二次回火温度为290℃，保温455min后空冷至室温，三次回火的温度为280℃，保温386min后空冷至室温，即得。
实施例3
本实施例提供一种低合金超高强度钢，其制备方法如下：
(1)真空感应熔炼：按照上述低合金超高强度钢中化学成分要求进行配料(计算每种原材料的加入量)；先将纯铁、50钒铁、金属Ni、金属Cr以及C粉理论加入质量的1/3放入真空感应熔炉内在1550～1560℃下熔化，上述原料均熔化后，加入硅铁及剩余C粉，在＜1Pa，1570～1580℃下精炼70min；然后进行取样分析，待N含量≤0.0015％时加入Al粉、金属Mn，同时按照低合金超高强度钢中成分的要求，根据分析结果进行补加其它原料，调整成分，使每个元素的含量达到低合金超高强度钢中成分的要求的范围内。
(2)浇注：将步骤(1)中制得到的钢水在1550～1560℃下浇注成电极坯(直径为250mm)，浇注过程中全程氩气保护，充氩流量：6000Pa；
(3)车光及真空自耗：对电极坯进行车光处理至电极坯表面没有褶皱及夹杂物等，然后对经车光处理后的电极坯进行真空自耗，真空自耗过程中起始阶段，冶炼电流控制在2～7KA，冶炼电压控制在22～24V，熔滴速率1～8滴/s；熔炼阶段熔速控制在3.1kg/min，电流控制在5KA，电压控制在24V，熔滴速率控制在8滴/s；热封顶阶段冶炼电流控制在2～8KA，电压控制在20～24V，熔滴速率控制在2-8滴/s，得到自耗锭(直径为305mm)；
(4)锻造：将步骤(3)制得的自耗锭先在1240℃下保温30h进行扩散退火均质化处理，开锻温度：1190℃，终锻温度：870℃，锻造两镦两拔，镦粗比为1/2，得到的圆棒的半径为120mm；
(5)热处理：将步骤(4)制备的圆棒依次进行正火、一次回火、淬火、二次回火、三次回火，正火温度为910℃，保温352min后空冷至室温，一次回火温度为680℃，保温576min后空冷至室温，淬火温度为890℃，保温325min后油冷至室温，二次回火温度为280℃，保温385min后空冷至室温，三次回火的温度为270℃，保温400min后空冷至室温，即得。
实施例4
本实施例提供一种低合金超高强度钢，其制备方法与实施例1相似，区别仅在于碳粉加入方式不同，本实施例中碳粉与纯铁、50钒铁、硅铁合金、金属Mn、金属Ni、金属Cr一起放入真空感应熔炉内熔化。
实施例5
本实施例提供一种低合金超高强度钢，其制备方法与实施例1相似，区别仅在于Al粉加入时机不同，本实施例中将碳粉与纯铁、50钒铁、硅铁合金、金属Mn、金属Ni、金属Cr、Al粉一起放入真空感应熔炉内熔化。
实施例6
本实施例提供一种低合金超高强度钢，其制备方法与实施例1相似，区别仅在于热处理步骤不同，本实施例中热处理包括正火、一次回火和二次回火，具体步骤如下：
正火温度为920℃，保温400min后空冷至室温，一次回火温度为590℃，保温500min后空冷至室温，二次回火的温度为590℃，保温500min后空冷至室温。
对比例1
本对比例提供一种低合金超高强度钢，其制备方法与实施例1相同，区别仅在于配料时元素Si限定的含量范围不同，本对比例中Si限定的含量范围为2.0％-2.5％。
实验例
将各实施例及对比例制得的低合金超高强度钢分别进行成分检测(光谱仪和碳硫分析仪)及力学性能测试，具体结果如下表所示，力学性能测试的具体方法如下：
GB/T 228金属材料室温拉伸试验方法
GB/T 229金属材料夏比摆锤冲击试验方法。
表1成分检测结果
表2力学性能检测结果
由上表中的数据可知，本发明提供的低合金超高强度钢，通过严格控制各元素的含量，尤其是合金元素的含量，各元素之间相互配合，可有效改善各元素及碳化物偏析和组织均匀性，进而显著提高低合金超高强度钢的强度、韧性和塑性等力学性能，尤其是抗拉强度、屈服强度、伸长率和面缩率等，能够满足海上国防等领域对低合金超高强度钢的高性能要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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