CN109022693A - 一种高强度的复相合金钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强度的复相合金钢及其制备方法，微观组织包括马氏体、奥氏体以及铁素体的三相复合，所述铁素体的体积分数不超过10％，该复相合金钢主要包括如下质量份的组分：C 0.1‑0.2％，Si 0.4‑0.9％，Mn 0.8‑1.7％，V 0.02‑0.15％，Nb 0.015‑0.06％，La 0.085‑0.01％，Y≤0.01％，Ce 0.085‑0.01％，Mo 0.25‑0.35％，S≤0.045％，P≤0.045％，其余为Fe。本发明的低合金钢通过添加了微量的稀土元素，通过控制一定加量的稀土元素，切实提高了钢的高温抗氧化性，此外还优化了合金钢的微观结构，以保证其各方面的性能。

Description

一种高强度的复相合金钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金钢加工领域，具体而言，涉及一种高强度的复相合金钢及其制备方法。
背景技术
合金元素总量小于5％的合金钢叫做低合金钢。低合金钢是相对于碳钢而言的，是在碳钢的基础上，为了改善钢的一种或几种性能，而有意向钢中加入一种或几种合金元素，加入的合金量超过碳钢正常生产方法所具有的一般含量时，称这种钢为合金钢。当合金总量低于5％时称为低合金钢。合金含量在5-10％之间称为中合金钢，大于10％的称为高合金钢。
鉴于低合金钢的大量应用，对其性能方面的关注度也逐渐增加，影响低合金钢的相关性能的因素有很多，包括材料的化学成分、氧化的气氛、氧化膜的性质等诸多方面，因此如何能提高低合金钢的相关性能成为当今领域中关注的重点。
此外，众所周知，低合金钢的微观组织可分为奥氏体、马氏体和铁素体，马氏体钢本身硬度大，但是焊接性能不好，奥氏体钢具有高的韧性，低的脆性转变温度、良好的耐蚀性和高温强度、较好的抗氧化性以及良好的压力加工和焊接性能，但是强度相对比较弱，纯铁素体组织具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度都很低，冷加工硬化缓慢，因此单一的微观组织结构其综合性能上无法面面俱到，因此如何优化合金钢的微观组织配合方式也也成为现有技术中亟待解决的技术问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种高强度的复相合金钢的配方以及微观组织的配合方式，在该配方中通过引入微量的稀土元素，稀土在钢中形成较高熔点的夹杂物，在钢中呈细小的质点分布，并且作为非均质形核的中心，使形核率增大，从而细化高温状态下钢表面形成的氧化膜的晶粒，同时抑制和延缓了氧化铁皮与基体之间空洞的形成，扩大了氧化膜与基体间接触面积，进而增强了氧化膜与基体间的结合力，减少了氧化膜中的内应力，改善了氧化膜的塑性，使氧化皮不易开裂和脱落，但是当稀土元素加量太大时，单位面积上的氧化增重反而太大，不仅不能切实提高钢本身的高温抗氧化性，反而会加速氧化的发生，因此稀土元素也不能大量的添加，通过控制一定加量的稀土元素，切实提高了低合金钢的高温抗氧化性。
在该配方中通过添加了稀土元素，优化了各个化学组成之间的配比，避免了铁素体的大量析出，控制了铁素体的体积分数占比，同时硅的含量相对大一些，可以促进粒状马氏体、奥氏体的形成，可阻止热影响区晶粒长大，进而改善了钢板的一系列焊接、强度等机械性能。
本发明的第二目的在于提供上述合金钢的具体制备方法，该制备方法本身操作简单，操作过程绿色环保，前后步骤衔接紧密，为后续操作提供了可参考的具体方法，属于比较优异的一种制备方法。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明实施例提供了一种高强度的复相合金钢，微观组织包括马氏体、奥氏体以及铁素体的三相复合，所述铁素体的体积分数不超过10％，该合金钢的表面粗糙度控制在0.5μm以下；
该复相合金钢主要包括如下质量百分比的组分：C 0.1-0.2％，Si0.4-0.9％，Mn0.8-1.7％，V 0.02-0.15％，Nb 0.015-0.06％，La 0.085-0.01％，Y≤0.01％，Ce 0.085-0.01％，Mo 0.25-0.35％，S≤0.045％，P≤0.045％，其余为Fe。
现有技术中，合金元素总量小于5％的合金钢叫做低合金钢。低合金钢是相对于碳钢而言的，是在碳钢的基础上，为了改善钢的一种或几种性能，而有意向钢中加入一种或几种合金元素，加入的合金量超过碳钢正常生产方法所具有的一般含量时，称这种钢为合金钢。当合金总量低于5％时称为低合金钢。合金含量在5-10％之间称为中合金钢，大于10％的称为高合金钢。
鉴于低合金钢的大量应用，对其性能方面的关注度也逐渐增加，影响低合金钢的抗高温氧化性因素有很多，包括材料的化学成分、氧化的气氛、氧化膜的性质等诸多方面，因此如何能提高低合金钢的抗高温氧化性能成为当今领域中关注的重点。
本发明为了解决以上技术问题，提供了一种低合金钢的配方，该配方中通过添加微量的稀土元素，稀土在钢中形成较高熔点的夹杂物，在钢中呈细小的质点分布，并且作为非均质形核的中心，使形核率增大，从而细化高温状态下钢表面形成的氧化膜的晶粒，同时抑制和延缓了氧化铁皮与基体之间空洞的形成，扩大了氧化膜与基体间接触面积，进而增强了氧化膜与基体间的结合力，减少了氧化膜中的内应力，改善了氧化膜的塑性，使氧化皮不易开裂和脱落，但是当稀土元素加量太大时，单位面积上的氧化增重反而太大，不仅不能切实提高钢本身的高温抗氧化性，反而会加速氧化的发生，因此稀土元素也不能大量的添加，需要控制在适宜的范围内，才能使得制备得到的低合金钢的高温抗氧化性能达到最优，同时还能优化该合金钢的其他方面的性能。
为了优化产品质量，优选地，该低合金钢的配方主要包括如下质量百分比的组分：C 0.12-0.18％，Si 0.5-0.8％，Mn 0.9-1.5％，V 0.08-0.12％，Nb0.03-0.05％，La 0.09-0.095％，Y≤0.008％，Ce 0.09-0.095％，Mo 0.27-0.32％，S≤0.035％，P≤0.035％，其余为Fe。
优选地，主要包括如下质量百分比的组分：C 0.16％，Si 0.6％，Mn 1.0％，V0.09％，Nb 0.04％，La 0.092％，Y 0.007％，Ce 0.091％，Mo 0.30％，S 0.030％，P0.03％，其余为Fe。
从上述的方案中还可以发现，本发明通过添加了稀土元素，优化了各个组分之间的配比，进而优化了微观组织的复合结构，使得微观组织为马氏体、奥氏体以及铁素体的三相复合的结构，这样避免了单一的微观组织某一方面的性能比较弱的问题，同时避免了铁素体的大量析出，控制了铁素体的体积分数占比，更优地铁素体的体积分数控制在不超过5％的范围内。
上述组分在焊接时的析出物可以达到阻止热影响区晶粒长大的效果，因此上述复相合金钢的微观晶粒尺寸可以控制在20μm以下。
本发明除了提供了低合金钢的配方，还提供了上述低合金钢的制备方法，包括如下步骤：
(A)将所有组分混合熔炼后，得到低合金钢的铸锭；
(B)将上述铸锭在860-900℃条件下保温，浸入水中淬火，再回火、冷却后，即可。
优选地，所述步骤(A)中，混合熔炼的温度控制在1650-1700℃之间。
优选地，作为进一步可实施的方案，所述步骤(B)中，860-900℃条件下保温2-3h。
在本发明中，优选地，作为进一步可实施的方案，所述步骤(B)中，浸入的水中还添加La(Gly)3Im(ClO4)3.6H2O，该配合物的添加可以在淬火过程中对低合金钢的晶相结构产生微量的改变并超着更稳定的作用发展，进而提高低合金钢的抗腐蚀性能，由于该配合物中同时也含有稀土元素，但是由于稀土元素本身的活泼性仅次于碱性金属和碱土金属，因此其单独存在的状态下并不能完全的稳定存在，通过将其与氨基酸以及咪唑形成稳定的配合物，稀土元素的添加也更有利于配合提高合金钢的抗氧化性能的作用。
优选地，作为进一步可实施的方案，所述步骤(B)中，La(Gly)3Im(ClO4)3.6H2O的添加量为水量的1-2％，通过控制一定的质量比，使得各个物质添加后互相配比更加合理。
上述La(Gly)3Im(ClO4)3.6H2O配合物的制备方法为：称取稀土氧化物La203,按照(La203):n(HClO4)＝1:5.95加入到HClO4溶液中加热使稀土氧化物溶解，再滴加HClO4使稀土氧化物接近完全溶解，得到高氯酸镧，将La(ClO)4溶液倒入烧瓶中，按摩尔比La(ClO4)3:AA:lm＝l:3:1，加入0.003mol的甘氨酸Gly，加热搅拌，60℃时加入0.001mol咪唑，水浴回流后，将所得反应液旋转蒸发浓缩得到晶体，用无水乙醇和丙酮充分洗涤，置于干燥器中恒重，即得该配合物。
优选地，作为进一步可实施的方案，所述步骤(B)中，回火的温度控制在460-500℃之间。
优选地，作为进一步可实施的方案，所述步骤(B)中，回火的时间控制在24h以上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过在配方中引入微量的稀土元素，稀土在钢中形成较高熔点的夹杂物，在钢中呈细小的质点分布，并且作为非均质形核的中心，使形核率增大，从而细化高温状态下钢表面形成的氧化膜的晶粒，同时抑制和延缓了氧化铁皮与基体之间空洞的形成，扩大了氧化膜与基体间接触面积，进而增强了氧化膜与基体间的结合力，减少了氧化膜中的内应力，改善了氧化膜的塑性，使氧化皮不易开裂和脱落；
(2)本发明在复相合金钢的配方中通过添加了稀土元素，优化了各个化学组成之间的配比，避免了铁素体的大量析出，控制了铁素体的体积分数占比，同时硅的含量相对大一些，可以促进粒状马氏体、奥氏体的形成，可阻止热影响区晶粒长大，进而改善了钢板的一系列焊接、强度等机械性能。
(3)本发明的低合金钢的具体制备方法操作简单，操作过程绿色环保，前后步骤衔接紧密，为后续操作提供了可参考的具体方法，属于比较优异的一种制备方法。
(4)本发明通过在淬火过程的水中添加La(Gly)3Im(ClO4)3.6H2O，这样淬火后对低合金钢的晶相结构产生微量的改变并超着更稳定的作用发展，进而提高低合金钢的抗腐蚀性能。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
复相合金钢生产方法按照以下步骤进行：
(1)向钢包精炼炉中加入优质废钢，加温熔炼，钢水温度控制在1650-1700℃，用光谱分析仪对钢水成分进行检测，调整钢水内合金成份，控制各合金组分：C 0.1％，Si0.4％，Mn 1.7％，V 0.02％，Nb 0.06％，La 0.085％，Y 0.01％，Ce 0.085％，Mo 0.35％，S0.045％，P 0.045％，其余为Fe；
(2)真空脱气，采用真空炉真空脱气15-17min后，对钢水进行检测，再继续脱气23-24min；
(3)出炉后钢水温度在1660℃浇铸成铸锭，经尺寸检验及超声波探伤检验合格后备用；
(4)热处理：检验合格的锻件在炉温900℃箱式炉中保温2.5h，锻件平入水和少量浮火介质混合溶液中浮火，介质混合溶液为聚乙烯醇10wt％，三乙醇肢1wt％，亚硝酸纳1wt％，苯甲酸铀0.4wt％，磺化草麻油0.02wt％，水87.58wt％混合液，淬火后放入460℃箱式炉中保温24h回火，回火完成后放自然温度下冷却，即得。
实施例2
复相合金钢生产方法按照以下步骤进行：
(1)向钢包精炼炉中加入优质废钢，加温熔炼，钢水温度控制在1650-1700℃，用光谱分析仪对钢水成分进行检测，调整钢水内合金成份，控制各合金组分：C 0.2％，Si0.9％，Mn 0.8％，V 0.15％，Nb 0.015％，La 0.01％，Y 0.008％，Ce 0.09％，Mo 0.25％，S0.035％，P 0.035％，其余为Fe；
(2)真空脱气，采用真空炉真空脱气15-17min后，对钢水进行检测，再继续脱气23-24min；
(3)出炉后钢水温度在1660℃浇铸成铸锭，经尺寸检验及超声波探伤检验合格后备用；
(4)热处理：检验合格的锻件在炉温860℃箱式炉中保温2h，锻件平入水(水中添加了La(Gly)3Im(ClO4)3.6H2O)和少量浮火介质混合溶液中浮火，介质混合溶液为聚乙烯醇10wt％，三乙醇肢1wt％，亚硝酸纳1wt％，苯甲酸铀0.4wt％，磺化草麻油0.02wt％，水87.58wt％混合液，淬火后放入500℃箱式炉中保温26h回火，回火完成后放自然温度下冷却，即得。
实施例3
复相合金钢生产方法按照以下步骤进行：
(1)向钢包精炼炉中加入优质废钢，加温熔炼，钢水温度控制在1650-1700℃，用光谱分析仪对钢水成分进行检测，调整钢水内合金成份，控制各合金组分：C 0.12％，Si0.5％，Mn 1.5％，V 0.08％，Nb 0.05％，La 0.095％，Y 0.008％，Ce 0.095％，Mo 0.27％，S0.034％，P 0.034％，其余为Fe；
(2)真空脱气，采用真空炉真空脱气15-17min后，对钢水进行检测，再继续脱气23-24min；
(3)出炉后钢水温度在1660℃浇铸成铸锭，经尺寸检验及超声波探伤检验合格后备用；
(4)热处理：检验合格的锻件在炉温870℃箱式炉中保温3h，锻件平入水(水中添加了La(Gly)3Im(ClO4)3.6H2O，添加量为水量的1wt％)和少量浮火介质混合溶液中浮火，介质混合溶液为聚乙烯醇10wt％，三乙醇肢1wt％，亚硝酸纳1wt％，苯甲酸铀0.4wt％，磺化草麻油0.02wt％，水87.58wt％混合液，淬火后放入470℃箱式炉中保温24h回火，回火完成后放自然温度下冷却，即得。
实施例4
复相合金钢生产方法按照以下步骤进行：
(1)向钢包精炼炉中加入优质废钢，加温熔炼，钢水温度控制在1650-1700℃，用光谱分析仪对钢水成分进行检测，调整钢水内合金成份，控制各合金组分：C 0.18％，Si0.8％，Mn 0.9％，V 0.12％，Nb 0.03％，La 0.09％，Y 0.008％，Ce 0.09％，Mo 0.32％，S0.034％，P 0.034％，其余为Fe；
(2)真空脱气，采用真空炉真空脱气15-17min后，对钢水进行检测，再继续脱气23-24min；
(3)出炉后钢水温度在1660℃浇铸成铸锭，经尺寸检验及超声波探伤检验合格后备用；
(4)热处理：检验合格的锻件在炉温870℃箱式炉中保温3h，锻件平入水(水中添加了La(Gly)3Im(ClO4)3.6H2O，添加量为水量的2wt％)和少量浮火介质混合溶液中浮火，介质混合溶液为聚乙烯醇10wt％，三乙醇肢1wt％，亚硝酸纳1wt％，苯甲酸铀0.4wt％，磺化草麻油0.02wt％，水87.58wt％混合液，淬火后放入470℃箱式炉中保温24h回火，回火完成后放自然温度下冷却，即得。
实施例5
复相合金钢生产方法按照以下步骤进行：
(1)向钢包精炼炉中加入优质废钢，加温熔炼，钢水温度控制在1650-1700℃，用光谱分析仪对钢水成分进行检测，调整钢水内合金成份，控制各合金组分：C 0.16％，Si0.6％，Mn 1.0％，V 0.09％，Nb 0.04％，La 0.092％，Y 0.007％，Ce 0.091％，Mo 0.30％，S0.030％，P 0.03％，其余为Fe；
(2)真空脱气，采用真空炉真空脱气15-17min后，对钢水进行检测，再继续脱气23-24min；
(3)出炉后钢水温度在1660℃浇铸成铸锭，经尺寸检验及超声波探伤检验合格后备用；
(4)热处理：检验合格的锻件在炉温870℃箱式炉中保温3h，锻件平入水(水中添加了La(Gly)3Im(ClO4)3.6H2O，添加量为水量的1.5wt％)和少量浮火介质混合溶液中浮火，介质混合溶液为聚乙烯醇10wt％，三乙醇肢1wt％，亚硝酸纳1wt％，苯甲酸铀0.4wt％，磺化草麻油0.02wt％，水87.58wt％混合液，淬火后放入480℃箱式炉中保温24h回火，回火完成后放自然温度下冷却，即得。
比较例1
其他操作步骤与实施例5一致，只是合金组分中不含有稀土元素：C0.16％，Si0.6％，Mn 1.0％，V 0.09％，Nb 0.04％，Mo 0.30％，S 0.030％，P 0.03％。
比较例2
其他操作步骤与实施例5一致，只是合金组分中的稀土元素按照如下配比：C0.16％，Si 0.6％，Mn 1.0％，V 0.09％，Nb 0.04％，La 0.1％，Y0.02％，Ce 0.02％，Mo0.30％，S 0.030％，P 0.03％。
比较例3
其他操作步骤与实施例5一致，只是合金组分中不含有稀土元素：C0.16％，Si0.6％，Mn 1.0％，V 0.09％，Nb 0.04％，Mo 0.30％，S 0.030％，P 0.03％。
淬火的水中不添加La(Gly)3Im(ClO4)3.6H2O该配合物。
上述各个实施例与比较例的复相合金钢的粗糙度均控制在0.5μm以下。
实验例1
复相合金钢的抗高温氧化性能的测试：高温抗氧化实验在德国NETZSCH STA449F3的高精度热分析仪上进行，天平称重精度为0.001mg，在氧化性气氛中，加热到1250℃进行变温氧化实验。恒温氧化实验温度为1050℃、1150℃、1250℃，实施例1-5以及比较例1-2生产得到的试样以5℃/min的升温速率在纯度为99.9％的氮气气氛中加热到指定温度，氮气流量为250mL/min，之后按一定的氮氧比通入氧气，保温30min后冷至室温。实验值为3个试样的平均值，每个实施例与比较例均挑选3个试样进行测试取平均值，记录于下表1中，通过测试氧化激活能Q，氧化激活能的数值越高，说明氧化反应越不容易发生，说明其高温抗氧化性也就越强。
表1氧化激活能结果
Q(kJ/mol) 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 比较例1 比较例2
1050℃ 100.5* 101.3** 100.8* 100.4* 100.9 71.12 70.34
1150℃ 100.4* 101.2** 100.7* 100.3* 100.8* 71.13 70.42
1250℃ 100.5* 101.2** 100.9* 100.4 100.8 71.14 70.41
注：*，p＜0.05，versus比较例2；**，p＜0.01，versus比较例2
从上述表1中的数据可以看出，稀土含量控制在一定的范围内，氧化激活能均数值比较高，证明高温抗氧化性能比较强，但是比较例1-2中，由于比较例2中的稀土元素的含量过高，表层的氧化膜保护作用差，不利于抗氧化性能的保证，当然如果不添加稀土元素，那么低合金钢的抗氧化性能也是很弱的。
实验例2
将上述实施例1-5与比较例1-2的复相合金钢试样放入pH＝2的盐酸中，25℃的条件下观察期出现腐蚀情况的时间，同样将该复相合金钢试样也放入pH＝13的氢氧化钠溶液中，25℃的条件下观察期出现腐蚀情况的时间，具体参见下表2。
表2检测结果
项目(小时h) 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 比较例1 比较例2 比较例3
pH＝2的盐酸 32 75 75 75 75 40 54 28
pH＝13的氢氧化钠 47 80 80 80 80 48 53 30
从上表2中可以看出，通过在淬火的水中添加La(Gly)3Im(ClO4)3.6H2O该配合物，可以提高钢板本身的稳定性，从而能够起到良好的耐腐蚀的作用，同样通过上述试验发现本发明本发明所添加的稀土元素也具有一定的增强稳定性，抵抗腐蚀的作用。
实验例3
将本发明各个实施例与比较例的复相合金钢的性能进行检测，该钢板的微观组织采用光学金相显微镜进行观察鉴定，利用波长为0.4～0.8μm的可见光，相应的分辨距离约0.2μm，具体结果如下表3所示：
表3检测结果
从上述表中的数据可以看出，本发明实施例的复相合金钢的机械性能也比较优异，微观结构上也有比较优异的复相配合结构。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种高强度的复相合金钢，其特征在于，微观组织包括马氏体、奥氏体以及铁素体的三相复合，所述铁素体的体积分数不超过10％，该合金钢的表面粗糙度控制在0.5μm以下；
所述复相合金钢主要包括如下质量百分比的组分：C 0.1-0.2％，Si 0.4-0.9％，Mn0.8-1.7％，V 0.02-0.15％，Nb 0.015-0.06％，La 0.085-0.01％，Y≤0.01％，Ce 0.085-0.01％，Mo 0.25-0.35％，S≤0.045％，P≤0.045％，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的复相合金钢，其特征在于，所述复相合金钢的微观晶粒尺寸在20μm以下。
3.根据权利要求2所述的复相合金钢，其特征在于，所述铁素体的体积分数不超过5％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的复相合金钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(A)将所有组分混合熔炼后，得到低合金钢的铸锭；
(B)将上述铸锭在860-900℃条件下保温，浸入水中淬火，再回火、冷却后，即可。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(A)中，混合熔炼的温度控制在1650-1700℃之间。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(B)中，860-900℃条件下保温2-3h。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(B)中，浸入的水中还添加La(Gly)3Im(ClO4)3.6H2O。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(B)中，La(Gly)3Im(ClO4)3.6H2O的添加量为水量的1-2wt％。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(B)中，回火的温度控制在460-500℃之间。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(B)中，回火的时间控制在24h以上。
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