一種高強(qiáng)度高韌性層狀組織低碳馬氏體鋼及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高強(qiáng)度鋼制造技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種高強(qiáng)度高初性層狀組織低碳馬 氏體鋼及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高強(qiáng)度鋼已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、橋梁、建筑等行業(yè)，為了進(jìn)一步減輕構(gòu)件 的重量W降低其在制造和使用過(guò)程中的能耗，開(kāi)發(fā)更高強(qiáng)度級(jí)別的超高強(qiáng)度鋼W替代現(xiàn)有 材料一直是人們追求的目標(biāo)。但隨著材料強(qiáng)度級(jí)別的提高，材料的初性會(huì)隨著降低;為了保 證構(gòu)件在承受沖擊載荷時(shí)的安全性，提高超高強(qiáng)度鋼的沖擊初性顯得尤為重要。此外，隨著 構(gòu)件使用溫度的降低，材料初性會(huì)隨之下降，對(duì)于那些要求在低溫下服役的材料，提高其低 溫初性變得更加重要。在現(xiàn)有的技術(shù)中，馬氏體時(shí)效鋼強(qiáng)度可W達(dá)到1500MPaW上且可W獲 得高的初性，在航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵部件上有重要應(yīng)用，但其合金元素含量高，冶煉加工工藝 要求復(fù)雜，成本較高。如AF1410和高純度馬氏體時(shí)效鋼18Ni(C200)，難W獲得廣泛的應(yīng)用。 公開(kāi)的專(zhuān)利"高抗拉強(qiáng)度高初性低屈強(qiáng)比貝氏體鋼及其生產(chǎn)方法(CN1786246A)"、"高強(qiáng)高 初性貝氏體鋼（ 103623 1ΑΓ、"一種高強(qiáng)度微合金低碳貝氏體鋼及其生產(chǎn)方法 (CN100580125C)"等通過(guò)細(xì)化低碳貝氏體組織獲得高初性，但其強(qiáng)度一般不超過(guò)1500M化。 公開(kāi)的專(zhuān)利"初性和焊接性良好的雙相鋼板(CN1060814Cr、"具有低屈服比、高初性和優(yōu)異 可焊性的高強(qiáng)度雙相鋼(CN101331019Ar等通過(guò)在鋼中形成鐵素體/馬氏體、鐵素體/貝氏 體等的復(fù)相組織獲得較高初性，但運(yùn)類(lèi)鋼的強(qiáng)度不足。通過(guò)分層增初是提高材料初性的另 一重要方法。日本學(xué)者化uji Kimura等通過(guò)將中碳回火馬氏體鋼在500°C至600°C之間進(jìn)行 大變形社制，獲得納米尺寸碳化物彌散分布在伸長(zhǎng)的超細(xì)晶鐵素體基體上的組織，獲得了 1770MPa的超高強(qiáng)度，且材料在20°C至-100°C范圍內(nèi)沖擊試樣呈分層斷裂模式，獲得了高的 室溫和低溫初性，但該材料經(jīng)溫社后力學(xué)性能已經(jīng)確定，二次熱處理會(huì)破壞其力學(xué)性能，使 其后續(xù)成型和加工性能受到限制，限制了該材料的廣范應(yīng)用。美國(guó)斯坦福大學(xué)的 0. D.化erby等采用超高碳鋼和中碳鋼復(fù)合社制成層狀材料來(lái)提高材料的初性，沖擊試樣也 呈分層斷裂模式，材料的初脆轉(zhuǎn)變溫度降至-14(TC，其沖擊功高達(dá)325J，但該材料的成型工 藝復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用也受到限制。
[0003] 低碳馬氏體鋼由于具有高強(qiáng)度和良好的塑性且價(jià)格便宜成為現(xiàn)代工業(yè)的一種重 要結(jié)構(gòu)材料，特別是對(duì)高強(qiáng)度的該類(lèi)材料在未來(lái)將會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景。但當(dāng)該類(lèi)材料屈 服強(qiáng)度超過(guò)1300M化時(shí)其沖擊功一般不超過(guò)50J，其低溫沖擊功會(huì)更低，工業(yè)上一般采用向 該類(lèi)材料中添加儀來(lái)提高初性，但運(yùn)將會(huì)增加材料的成本，使其應(yīng)用和推廣受到影響。目前 還未見(jiàn)在低碳馬氏體中通過(guò)分層增初來(lái)提高材料初性的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服W上技術(shù)缺陷，本發(fā)明的目的在于提供了一種高強(qiáng)度高初性層狀組織低 碳馬氏體鋼及制備方法，通過(guò)合理的合金成分設(shè)計(jì)和工藝控制獲得具有層狀結(jié)構(gòu)的低碳馬 氏體型組織，通過(guò)分層增初來(lái)提高低碳馬氏體鋼的初性，解決了超高強(qiáng)度低碳馬氏體鋼低 溫初性較差的問(wèn)題，具有成本低廉、工藝簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良的特點(diǎn)。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種高強(qiáng)度高初性層狀組織低碳馬氏體鋼，其特征在于，制備所得成品的組分按 質(zhì)量百分比（wt. % )配比為：C: 0.15 ~0.28; Si: 1.0 ~2.0 ;Mn: 1.2 ~2.5; Cr :0.5 ~1.5; A1: 0.2~1.5%;Cu:0.05~0.4;Mo:0.1~0.3;V:0.05~0.15;Nb:0.03~0.1;Ti:0.005~0.05; P: <0.025% ;S: <0.035%，余量為化和其它不可避免雜質(zhì)。
[0007] -種高強(qiáng)度高初性層狀組織低碳馬氏體鋼的制備方法:其特征在于，包括下述步 驟：
[000引步驟一:原料配比
[0009] 選取煉鋼原料，煉鋼原料包括:含化量為60 %的銘鐵、含Μη量為82.5 %的儘鐵、含 Si量為70%的娃鐵、含Mo量為60%的鋼鐵、含V量為50%的饑鐵、含Nb量為65%的妮鐵、10# 鋼、生鐵、純銅、純侶和純鐵，煉鋼原料選取量按照W下總質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行配比：C:0.15~ 0.28;Si:1.0~2.0;Mn:1.2~2.5;Cr:0.5~1.5;A1:0.2~1.5%;Cu:0.05~0.4;Mo:0.1~ 0.3;V:0.05~0.15;Nb:0.03~0.1;Ti :0.005~0.05;余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)，雜 質(zhì)中含有P和S，所述的P和S的范圍控制應(yīng)為P: <0.025% ;S: <0.035%;
[0010] 步驟二:合金烙煉
[0011] 按照步驟一中的元素比例，將原料10#鋼、銘鐵、娃鐵及生鐵加熱升溫烙煉至原料 烙化成鋼水，再向鋼水中依次加入饑鐵、鋼鐵、妮鐵、純銅、儘鐵、純鐵和純侶，保溫直至加入 的成分均勻化，然后誘鑄成鑄錠，誘鑄溫度控制在1530~158(TC，得到鑄錠的元素組成成分 為C:0.15~0.28;Si:1.0~2.0;Mn:1.2~2.5;Cr:0.5~1.5;A1:0.2~1.5%;Cu:0.05~ 0.4 ;Mo :0.1~0.3; V: 0.05 ~0.15 ;帥：0.03 ~0.1; Ti :0.005 ~0.05 ;P: <0.025% ;S:< 0.035%;余量為化和其他不可避免的雜質(zhì)；
[0012] 步驟Ξ:加熱保溫后鍛造或社制
[0013] 將步驟二中得到的鑄錠加熱至1100~1200°C后保溫1~化，然后進(jìn)行鍛造或社制， 得到所需工件的形狀和尺寸，終鍛或終社溫度不低于900°C，然后在水中澤火至室溫；
[0014] 步驟四：回火
[0015] 將步驟Ξ中所得工件加熱至200°C后保溫化，最終得到具有層狀組織特征的低碳 回火馬氏體組織，原奧氏體晶粒尺寸約15~20皿。
[0016] 所述的合金元素組成按照質(zhì)量百分比(wt.%):(Mn+化)和(Si+Al)之比為1~2。
[0017] 所述的步驟二中烙煉至原料烙化成鋼水是在電磁感應(yīng)爐真空烙煉或常規(guī)方法進(jìn) 行烙煉。
[0018] 所述的一種高強(qiáng)度高初性層狀組織低碳馬氏體鋼的組織特征在于在光學(xué)顯微鏡 下組織呈黑白交替的層狀分布特征，白色層狀組織之間間距為50~200μπι，白色層狀組織厚 度為20~50μπι;白色和黑色組織均為馬氏體組織，晶粒尺寸都為15~20皿，但其成分和硬度 不同，白色組織比黑色組織的C和其它合金元素含量更高，白色組織硬度為化V10: 520~ 560)，黑色基體組織硬度為化V10:450~490)。
[0019] 本發(fā)明的有益效果：
[0020] 1、本發(fā)明采用分層增初的思路來(lái)提高材料初性，未向合金中添加大量?jī)r(jià)格昂貴的 元素，如Ni、Co等，成本低廉，易于推廣應(yīng)用。
[0021] 2、本發(fā)明的高強(qiáng)度高初性層狀組織低碳馬氏體鋼通過(guò)控制合金元素(Mn+Cr)和 (Si+Al)的比為1~2,并通過(guò)后續(xù)的工藝控制獲得具有層狀結(jié)構(gòu)的低碳馬氏體型組織，可同 時(shí)獲得超高強(qiáng)度和高初性，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為該高強(qiáng)度高初性層狀組織低碳馬氏體鋼的典型組織照片；圖la為100 X下高 強(qiáng)度高初性層狀組織低碳馬氏體鋼的典型金相組織照片，圖lb為500 X下高強(qiáng)度高初性層 狀組織低碳馬氏體鋼的典型金相組織照片。
[0023] 圖2為1#、3#、5鐘才料的拉伸試驗(yàn)力學(xué)性能曲線。
[0024] 圖3為4鐘?料沖擊試驗(yàn)試樣的分層斷裂宏觀形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0026] 實(shí)施例一
[0027] 步驟一：
[0028] 選取煉鋼原料，煉鋼原料包括:含化量為60 %的銘鐵、含Μη量為82.5 %的儘鐵、含 Si量為70%的娃鐵、含Mo量為60%的鋼鐵、含V量為50%的饑鐵、含Nb量為65%的妮鐵、10# 鋼、生鐵、純銅、純侶和純鐵，煉鋼原料選取量按照W下總質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行配比：C:0.15;Si: 1.5;Mn:2.5;Cr :0.5;A1:1.5;Cu:0.2;Mo:0.1 ;V:0.15;師：0.03;Ti :0.05;余量為Fe和其他 不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)中含有P和S，所述的P和S的范圍控制應(yīng)為P: <0.025% ;S: < 0.035%;
[00巧]步驟二:合金烙煉
[0030] 按照步驟一中的元素比例，將原料10#鋼、銘鐵、娃鐵及生鐵加熱升溫烙煉至原料 烙化成鋼水，再向鋼水中依次加入饑鐵、鋼鐵、妮鐵、純銅、儘鐵、純鐵和純侶，保溫直至加入 的成分均勻化，然后誘鑄成Φ 100mm鑄錠，誘鑄溫度控制在1570± 10°C，得到鑄錠的成分為 表1中1#成分的鑄錠；
[0031] 步驟Ξ:加熱保溫后鍛造
[0032] 將步驟二中得到的鑄錠加熱至1100°C后保溫化，然后按照20mm X 40mm的尺寸進(jìn)行 鍛造，得到工件尺寸為20mmX 40mm的方巧，終鍛溫度約950°C，然后在水中澤火至室溫； [00削步驟四：回火
[0034] 將步驟Ξ中所得的20mm X 40mm的方巧加熱至200°C后保溫化，最終得到表2中的1# 高強(qiáng)度高初性層狀組織低碳馬氏體鋼。
[00對(duì)實(shí)施例二
[0036] 步驟一：
[0037] 選取煉鋼原料，煉鋼原料包括:含化量為60 %的銘鐵、含Μη量為82.5 %的儘鐵、含 Si量為70%的娃鐵、含Mo量為60%的鋼鐵、含V量為50%的饑鐵、含Nb量為65%的妮鐵、10# 鋼、生鐵、純銅、純侶和純鐵，煉鋼原料選取量按照W下總質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行配比：C:0.17;Si: 1.5;Mn:2.0;Cr:1.0;A1:1.0;Cu:0.1 ;Mo:0.2;V:0.1;Nb:0.03;Ti :0.05;余量為化和其他不 可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)中含有P和S，所述的P和S的范圍控制應(yīng)為P: <0.025% ;S: <0.035%;
[0038] 步驟二:合金烙煉
[0039] 按照步驟一中的元素比例，將原料10#鋼、銘鐵、娃鐵及生鐵加熱升溫烙煉至原料 烙化成鋼水，再向鋼水中依次加入饑鐵、鋼鐵、妮鐵、純銅、儘鐵、純鐵和純侶，保溫直至加入 的成分均勻化，然后誘鑄成Φ 100mm鑄錠，誘鑄溫度控制在1570± 10°C，得到鑄錠的成分為 表1中2#成分的鑄錠；
[0040] 步驟Ξ:加熱保溫后鍛造
[0041 ] 將步驟二中得到的鑄錠加熱至1100°C后保溫化，然后按照20mm X 40mm的尺寸進(jìn)行 鍛造，得到工件尺寸為20mmX 40mm的方巧，終鍛溫度約950°C，然后在水中澤火至室溫； [00創(chuàng)步驟四：回火
[0043] 將步驟Ξ中所得的20mmX40mm的方巧加熱至200°C后保溫2h，最終得到表2的2#高 強(qiáng)度高初性層狀組織低碳馬氏體鋼。
[0044] 實(shí)施例S
[0045] 步驟一：
[0046] 選取煉鋼原料，煉鋼原料包括:含化量為60 %的銘鐵、含Μη量為82.5 %的儘鐵、含 Si量為70%的娃鐵、含Mo量為60%的鋼鐵、含V量為50%的饑