CN106319347B - 一种提高防弹性能的硅钒钢板及制造方法 - Google Patents

一种提高防弹性能的硅钒钢板及制造方法 Download PDF

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Abstract

一种提高防弹性能的硅钒钢板及制造方法，所述防弹性能是指硅钒钢板抵抗子弹射击或破片的能力，并适应稳定性和轻量化的实用要求，所述硅钒钢板包括以下化学元素及其重量含量：C：0.28～0.43％；Si：0.3～2.0％；Mn：0.3～1.0％；Cr：0.3～1.5％；Ni：0.3～3.0％；Mo：0.1～0.6％；V：0.03～0.12％；不可避免的杂质≤0.03％；Fe为余量。

Description

一种提高防弹性能的硅钒钢板及制造方法
技术领域
本发明涉及防弹钢板技术，特别是一种提高防弹性能的硅钒钢板及制造方法，所述防弹性能是指硅钒钢板抵抗子弹射击或破片的能力，并适应稳定性和轻量化的实用要求，所述硅钒钢板是指钢板中既含有硅又含有钒，其中钒能够起到MC型碳化物的析出强化作用和/或阻碍晶粒长大的细晶强化作用，所述MC型是指金属或类金属元素与碳结合成的晶体结构。本发明提高防弹性能的硅钒钢板通过对碳含量不同范围的限定能够分别得到抗拉强度不小于1700MPa的高性能防弹钢板和抗拉强度不小于1900MPa的高性能防弹钢板。
背景技术
防弹钢板主要用于车辆、房屋、柜台、家具等设施防护，以及头盔、盾牌、防弹衣插板等个体防护领域，用来抵抗子弹或破片对于人员或设施设备的损伤。近年来人们对于防弹钢板的稳定性和轻量化要求越来越高。当钢板的强度和厚度达到一定水平时，就具有防弹能力。防弹钢板通常使用合金钢，主要通过碳元素的固溶强化提高强度，加入适量的其它合金元素提高钢的淬透性，形成碳化物产生析出强化和细晶强化等效果。目前，用于防弹的超高强度钢成分体系主要包括CrNiMo系、MnB系等，一般采用冶炼、连铸、热轧、淬火、回火等工艺方法生产，也有热轧态直接使用的情况。例如，公开号CN 105088090 A，公开了一种合金体系为含Cu的CrNiMoTiB系防弹钢，经淬火回火处理后，钢板的布式硬度可达到600HB级；SSAB公司ARMOX系列防弹板使用了CrNiMo系，不同碳含量钢板经淬火+回火处理后硬度达到280-640HB；SSAB公司DOMEX系列使用了高洁净度的MnCrB合金系，其中含碳量为0.3％的合金钢硬度达到500HB；公开号CN 103993235A，公布了一种高强度热轧防弹钢板的制造方法，合金系采用SiMnCrNbTiB，成分中不含有Ni，钢板经淬火回火处理后硬度达到500HB。AISI4330和AISI4340钢是比较经典的超高强度钢，分别采用了碳含量为0.3％和0.4％的CrNiMo成分系，后续多个牌号都是在此基础上进行改进。本发明人发现，在现有技术的防弹钢板中，其合金成分通常不包含钒，或者即使提到钒也仅仅将其归类为微量元素，既无作用机理的说明也无含量范围的规定。但是，本发明人在高性能防弹钢板技术研究中刻意引入了钒元素，从而完成了本发明。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种提高防弹性能的硅钒钢板及制造方法，所述防弹性能是指硅钒钢板抵抗子弹射击或破片的能力，并适应稳定性和轻量化的实用要求，所述硅钒钢板是指钢板中既含有硅又含有钒，其中钒能够起到MC型碳化物的析出强化作用和/或阻碍晶粒长大的细晶强化作用，所述MC型是指金属或类金属元素与碳结合成的晶体结构。本发明提高防弹性能的硅钒钢板通过对碳含量不同范围的限定能够分别得到抗拉强度不小于1700MPa的高性能防弹钢板和抗拉强度不小于1900MPa的高性能防弹钢板。
本发明的技术方案如下：
一种提高防弹性能的硅钒钢板，其特征在于，包括以下化学元素及其重量含量：C：0.28～0.43％；Si：0.3～2.0％；Mn：0.3～1.0％；Cr：0.3～1.5％；Ni：0.3～3.0％；Mo：0.1～0.6％；V：0.03～0.12％；不可避免的杂质≤0.03％；Fe为余量。
其中钒能够起到MC型碳化物的析出强化作用和/或阻碍晶粒长大的细晶强化作用，所述MC型是指金属或类金属元素与碳结合成的晶体结构。
其中C为0.28～0.35％，所述硅钒钢板的抗拉强度≥1700MPa。
其中C为大于0.35～0.43％，所述硅钒钢板的抗拉强度≥1900MPa。
其中不可避免的杂质中包括P和S，P≤0.010％，S≤0.005％。
所述硅钒钢板的微观组织为马氏体+少量残余奥氏体，或者为回火马氏体+少量残余奥氏体，所述少量残余奥氏体的体积分数≤5％。
一种提高防弹性能的硅钒钢板制造方法，其特征在于，依次包括步骤：(1)冶炼，(2)铸造，(3)铸坯加热，(4)轧制，(5)钢板淬火，(6)钢板回火；所述冶炼的原料按照以下重量配方配制：C：0.28～0.43％；Si：0.3～2.0％；Mn：0.3～1.0％；Cr：0.3～1.5％；Ni：0.3～3.0％；Mo：0.1～0.6％；V：0.03～0.12％；不可避免的杂质≤0.03％；Fe为余量。
所述冶炼包括采用转炉或电炉进行冶炼，采用LF钢包精炼炉、RH真空循环脱气炉或VD真空脱气炉进行精炼；所述铸造采用连铸或模铸；所述铸坯加热包括热装热送方式或者冷装方式，所述铸坯加热的加热温度为1100～1250℃，驻炉时间为120～330min。
所述轧制中，终轧温度为800～1000℃，轧后控制冷却，终冷或卷取温度为300～700℃；所述钢板淬火中加热温度为850～950℃，保温时间为板厚×(2～3)min/mm；所述钢板回火温度为150～300℃，保温时间为板厚×(3～5)min/mm。
所述轧制包括球化退火，经球化退火处理后的所述硅钒钢板具有较高的塑性以用于头盔类深冲件的生产。
本发明技术效果如下：本发明一种提高防弹性能的硅钒钢板，通过引入钒元素和较高硅含量的组合，既提高了防弹性能(例如抗拉强度不低于1700MPa)又适应了稳定性和轻量化的实用要求。其中钒(V：0.03～0.12％)能够起到MC型碳化物的析出强化作用和/或阻碍晶粒长大的细晶强化作用，所述MC型是指金属或类金属元素与碳结合成的晶体结构。钒含量超过0.12％后效果不明显，特别地，当含量高于0.15％时容易形成大颗粒碳氮化物降低塑韧性。因此，本发明中V元素含量控制在0.03～0.12％。通过对碳含量不同范围的限定，能够得到两种强度钢：当C含量为0.28～0.35％时获得抗拉强度不小于1700MPa的防弹钢板，当C含量为0.35～0.43％时获得抗拉强度不小于1900MPa的防弹钢板。
附图说明
图1显示了含C量为0.3％的防弹硅钒钢板在光学显微镜下500倍的金相组织。从图1的金相组织可以看出：钢板经淬火+低温回火处理后，获得了细小的板条马氏体组织。
图2显示了含C量为0.4％的防弹硅钒钢板在光学显微镜下500倍的金相组织。从图2的金相组织可以看出：钢板经淬火+低温回火处理后，获得了细小的板条马氏体组织。
具体实施方式
下面结合实施例和附图(图1-图2)对本发明进行说明。
实施本发明一种提高防弹性能的硅钒钢板的产品和方法如下：通过180吨转炉冶炼、LF炉和RH炉精炼，化学成分如表1。采用连铸方式进行浇铸。铸坯热装，加热温度为1200℃，驻炉时间为180min，控制终轧温度控制为850～900℃，轧后空冷。钢板淬火加热温度为850～950℃，保温时间为板厚×(2～3)min/mm，钢板回火温度为150～220℃，保温时间为板厚×(3～5)min/mm，具体工艺参数如表2。表3是力学性能测试数据，该结果表明，发明钢经表2参数处理后，F601钢的硬度达到HB540，高于目前广泛应用的HB500，F602钢的硬度又较F601钢明显提高达到HB580，比较发现，发明钢塑性和韧性水平略高于相同强度级别的其他钢种，碳化物的细晶强化作用以及合理的参数选择起到了重重要作用。表4是靶试数据，比较发现，在相同弹靶体系下，F601钢的厚度与其它硬度为HB500级别的钢板接近，略有降低，而F602钢的厚度可以显著降低，表现出发明钢具有更好的抗弹性能及轻量化潜力。
表1，发明钢的化学成分(质量百分数)
钢 C Si Mn P S Cr Ni Mo V Al
F601 0.30 0.98 0.55 0.012 0.005 1.00 1.00 0.16 0.06 0.03
F602 0.40 1.00 0.57 0.014 0.002 1.01 0.98 0.18 0.07 0.05
表2，工艺参数
表3，力学性能测试
注：取样方向为横向。拉伸为两个试样平均值，冲击为三个试样平均值。冲击样品尺寸5mm×10mm×55mm。
表4，靶试
一种提高防弹性能的硅钒钢板，其特征在于，包括以下化学元素及其重量含量：C：0.28～0.43％；Si：0.3～2.0％；Mn：0.3～1.0％；Cr：0.3～1.5％；Ni：0.3～3.0％；Mo：0.1～0.6％；V：0.03～0.12％；不可避免的杂质≤0.03％；Fe为余量。一种提高防弹性能的硅钒钢板制造方法，其特征在于，依次包括步骤：(1)冶炼，(2)铸造，(3)铸坯加热，(4)轧制，(5)钢板淬火，(6)钢板回火。
本发明所述的一种提高防弹性能的硅钒钢板(即高性能防弹钢板)中的化学元素的设计原理为：
碳：C作为主要的间隙固溶强化因素，对钢的强度起到决定性作用，另外，碳在回火过程中形成碳化物起到析出强化作用。碳含量过高将降低钢的焊接性，本发明中碳含量控制在0.28～0.43％。
硅：Si在钢中起到固溶强化作用，提高铁素体强度，另外在回火过程中硅抑制过渡型碳化物向渗碳体转变，可以适当提高回火温度提高钢的塑韧性而不降低钢的强度。本发明中硅含量控制在0.3～2.0％；
锰：Mn是扩大奥氏体区元素，能起到固溶强化和提高钢的淬透性的作用，但是Mn元素含量过高容易造成偏析、降低钢的塑性和韧性，Mn含量应控制在0.3～1.0％。
铝：Al作为脱氧剂使用，过高的Al含量容易造成粗大的氧化铝夹杂，本发明中Al元素含量为0.02～0.05％。
铬：Cr能有效提高钢的淬透性和防止高温表面氧化，本发明中Cr含量应该控制在0.3～1.5％。
镍：Ni是奥氏体稳定化元素，同时可以提高钢的塑性和韧性，本发明中Ni元素含量控制在0.3～3.0％。
钼：Mo有效提高钢的淬透性，还强化晶界，降低回火脆性，本发明中Mo元素含量控制在0.1～0.6％。
钒：V能提高钢的淬透性，在钢中能析出MC型碳化物起到析出强化作用，再加热时阻碍晶粒长大起到细化晶粒作用，但是当含量高于0.15％时容易形成大颗粒碳氮化物降低塑韧性。本发明中V元素含量控制在0.03～0.12％。
另外，本发明所述的防弹板中，不可避免地存在以O、N、P、S为主的杂质元素，其中P≤0.010％，S≤0.005％。
本发明所述的防弹钢板的原始微观组织为热轧态或退火组织，包括球化退火态组织，经淬火回火处理后的微观组织为马氏体+少量残余奥氏体、回火马氏体+少量残余奥氏体。本发明所述的防弹钢板，所述残余奥氏体体积分数低于5％。本发明为高性能防弹钢板提出了制造方法，通过该制造方法所获得的防弹钢板具有较高的稳定性和较好的防护性能。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (8)

1.一种提高防弹性能的硅钒钢板，其特征在于，包括以下化学元素及其重量含量：C：0.28～0.43％；Si：0.3～2.0％；Mn：0.3～1.0％；Cr：0.3～1.5％；Ni：0.3～3.0％；Mo：0.1～0.6％；V：0.03～0.12％；Al：0.02～0.05％；不可避免的杂质≤0.03％；Fe为余量；
其中钒能够起到MC型碳化物的析出强化作用和/或阻碍晶粒长大的细晶强化作用，所述MC型是指金属或类金属元素与碳结合成的晶体结构；
所述硅钒钢板的微观组织为马氏体+少量残余奥氏体，或者为，回火马氏体+少量残余奥氏体，所述少量残余奥氏体的体积分数≤5％。
2.根据权利要求1所述的提高防弹性能的硅钒钢板，其中C为0.28～0.35％，所述硅钒钢板的抗拉强度≥1700MPa。
3.根据权利要求1所述的提高防弹性能的硅钒钢板，其中C为大于0.35～0.43％，所述硅钒钢板的抗拉强度≥1900MPa。
4.根据权利要求1所述的提高防弹性能的硅钒钢板，其中不可避免的杂质中包括P和S，P≤0.010％，S≤0.005％。
5.一种提高防弹性能的硅钒钢板制造方法，其特征在于，依次包括步骤：(1)冶炼，(2)铸造，(3)铸坯加热，(4)轧制，(5)钢板淬火，(6)钢板回火；所述冶炼的原料按照以下重量配方配制：C：0.28～0.43％；Si：0.3～2.0％；Mn：0.3～1.0％；Cr：0.3～1.5％；Ni：0.3～3.0％；Mo：0.1～0.6％；V：0.03～0.12％；Al：0.02～0.05％；不可避免的杂质≤0.03％；Fe为余量；
其中钒能够起到MC型碳化物的析出强化作用和/或阻碍晶粒长大的细晶强化作用，所述MC型是指金属或类金属元素与碳结合成的晶体结构；
所述硅钒钢板的微观组织为马氏体+少量残余奥氏体，或者为，回火马氏体+少量残余奥氏体，所述少量残余奥氏体的体积分数≤5％。
6.根据权利要求5所述的提高防弹性能的硅钒钢板制造方法，其特征在于，所述冶炼包括采用转炉或电炉进行冶炼，采用LF钢包精炼炉、RH真空循环脱气炉或VD真空脱气炉进行精炼；所述铸造采用连铸或模铸；所述铸坯加热包括热装热送方式或者冷装方式，所述铸坯加热的加热温度为1100～1250℃，驻炉时间为120～330min。
7.根据权利要求5所述的提高防弹性能的硅钒钢板制造方法，其特征在于，所述轧制中，终轧温度为800～1000℃，轧后控制冷却，终冷或卷取温度为300～700℃；所述钢板淬火中加热温度为850～950℃，保温时间为板厚×(2～3)min/mm；所述钢板回火温度为150～300℃，保温时间为板厚×(3～5)min/mm。
8.根据权利要求5所述的提高防弹性能的硅钒钢板制造方法，其特征在于，所述轧制包括球化退火，经球化退火处理后的所述硅钒钢板具有较高的塑性以用于头盔类深冲件的生产。
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