CN111705268A - 一种低屈强比超高强高韧耐压壳体用钢及其制备方法 - Google Patents
一种低屈强比超高强高韧耐压壳体用钢及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种低屈强比超高强高韧耐压壳体用钢及其制备方法,化学成分按重量百分比为:0.05~0.10%C、0.15~0.35%Si、0.60~1.00%Mn、0.10~0.50%Cu、0.10~1.00%Mo、0.40~0.70%Cr、0.05~0.15%V、5.00~10.00%Ni,余量为Fe及不可避免的杂质。本发明的技术方案采用二次淬火热处理,第一次淬火以使其完全奥氏体化,再进行第二次淬火和回火,最终获得回火马氏体、临界铁素体、残余奥氏体等复相组织,从而实现低屈强比、超高强度、高韧性的性能指标要求,进而推进其在实际中的应用。
Description
技术领域
本发明属于钢铁材料领域,涉及一种具有优异强韧性的低屈强比超高强高韧钢,具体涉及一种低屈强比(≤0.9)超高强高韧耐压壳体用钢。
背景技术
潜艇耐压壳体用钢是建造舰艇壳体的重要结构材料。随着潜艇战斗技术性能要求的不断提高,对潜艇用耐压壳体用钢的性能提出了更高的要求。潜艇一般在水下温度-2.2~28.8℃、水面温度-34~49℃的环境中航行和战斗。潜艇在服役期间的上浮下潜使壳体承受周期性的交变载荷,还还可能受到敌方反潜武器的攻击。因此,要求耐压壳体材料具有比强度大(屈服点与密度之比)、高韧性、良好焊接性能。公开号为CN101481779A和CN107312974A的专利均公开了高性能低合金壳体用钢,其碳含量分别达到0.15~0.30%和0.28~0.35%,因为碳具有极强的固溶强化作用,是获得超高强度的关键元素。但是,随着碳含量的增加,超高强钢的焊接裂纹敏感性增加,焊接冷裂纹倾向大,因此焊接过程中需要严格控制预热温度和焊接工艺参数,这将导致建造周期延长、制造成本增加。
目前,屈服强度890MPa及以上级别超高强高韧耐压壳体用钢主要采用的是Ni-Cr-Mo-V合金体系,实现细化晶粒及增强固溶强化和析出强化的作用,从而改善了钢的性能。为提高钢的焊接性,需要降低钢的C元素含量,而提高Ni元素含量以保证此类钢的强度和淬透性。随着潜艇建造工艺不断发展,对超高强高韧耐压壳体用钢的使用要求也不断提高,不仅要求较高强度,同时其塑性韧性、屈强比等性能要求也日益严苛。因此,通过采用新的热处理工艺,发展复相组织控制技术,在超高强船体结构用钢研究及应用领域有着相当重要的作用。Ni-Cr-Mo-V合金体系超高强船体结构用钢常采用“淬火+回火”热处理工艺,通过该工艺可以获得高强度的回火马氏体板条基体,同时在基体上分布着纳米级的碳化物粒子。这种热处理方法可以有效提高超高强度船体结构用钢的强度及冲击韧性。但是,“淬火+回火”工艺处理后试样的屈强比过高,一般在0.95以上。材料的屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比,是表征材料塑性的参数。对于船体结构用钢来说,屈强比越大,材料屈服后至断裂的塑性范围越小,因此断裂的风险越大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,鉴于超高强高韧耐压壳体用钢存在的这些问题,提供一种屈服强度大于890MPa,屈强比小于0.9的超高强高韧耐压壳体用钢及其制备方法,目的在于提供一种屈服强度890级的低屈强比(≤0.9)Ni-Cr-Mo-V系超高强高韧耐压壳体用钢,涉及的超高强钢兼具超高的强度、优异的塑性、高的低温韧性。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现:
一种低屈强比超高强高韧耐压壳体用钢的制备方法,包括步骤如下:
步骤1,冶炼
按照化学成分:0.05~0.10%C、0.15~0.35%Si、0.60~1.00%Mn、0.10~0.50%Cu、0.10~1.00%Mo、0.40~0.70%Cr、0.05~0.15%V、5.00~10.00%Ni,余量为Fe及不可避免的杂质进行冶炼,获得铸坯;
步骤2,热轧
将步骤1得到的铸坯置于1150~1220℃进行保温,然后进行热轧;热轧采用两阶段轧制工艺,第一阶段轧制温度1150~1000℃,压下率≥50%,第二阶段轧制温度900℃~750℃,压下率≥50%,终轧厚度为5~80mm;热轧后的高温钢板空冷至室温;
步骤3,热处理
将步骤2热轧后的钢板样品加热至790~810℃并保温20~40min,水淬至室温;随后再次加热至650℃~690℃,保温20~40min,水淬至室温;最后在590℃~610℃回火50~70min。
在上述技术方案中,上述低屈强比高强高韧耐压壳体用钢的化学成分构成特征在于低碳、Ni-Cr-Mo-V合金体系;化学成份按重量百分比为:0.05~0.10%C、0.15~0.35%Si、0.60~1.00%Mn、0.10~0.50%Cu、0.10~1.00%Mo、0.40~0.70%Cr、0.05~0.15%V、5.00~10.00%Ni,余量为Fe及不可避免的杂质。
在上述技术方案中,低屈强比高强高韧耐压壳体用钢微观组织为回火马氏体、临界铁素体、残余奥氏体等复相组织,且在基体中存在大量纳米尺寸的析出强化相,从而实现低屈强比、超高强度的性能指标要求。同时残余奥氏体的体积分数≥10%。
在上述技术方案中,上述低屈强比高强高韧耐压壳体用钢,屈服强度Rp0.2≥890MPa,可达910~950MPa;抗拉强度Rm≥1050MPa;断后延伸率≥15%;屈强比≤0.9,具有优异的强塑性匹配,而且-84℃冲击功≥200J,可达210~230J;-196℃冲击功≥84J,可达85~90J。
在上述技术方案中,进行二次淬火处理时,热处理时间为20~40min;热处理温度为650~690℃。进行回火处理时,回火热处理时间为50~70min;回火温度为590℃~610℃。二次淬火+回火热处理的作用于使钢材内形成≥10%的残余奥氏体降低屈强比的同时,析出大量的纳米强化相,大幅提高强度。
本发明的低屈强比高强高韧耐压壳体用钢化学成分构成的选择与含量设定基于以下几点:
碳:超高强钢重要的强化元素,可以显著提高钢材的淬透性。但是,高的碳含量使钢材的焊接性恶化,不利于后续的使用本发明中,为了提高超高强钢焊接性、塑性和韧性,且保证具有超高的强度,碳含量设定在0.05~0.10%的范围内。
硅:钢材的强化元素,但同时也会降低钢材表面质量。因此,本发明中将硅限定在0.15~0.35%的范围内。
锰:稳定奥氏体化元素,可提高钢材的淬透性,并起到固溶强化和晶粒细化的作用。本分发明中锰含量为0.60~1.00%。
铬和钼:淬透性元素,可提高钢材的强度和硬度,防止回火脆性。本发明中铬和钼的含量分别为0.40~0.70%、0.10~1.00%。
镍:强的淬透性、奥氏体稳定元素,一方面提高钢材强度,另一方面改善低温韧性,对于含铜元素的超高强钢,镍的添加可避免回火脆性。本发明中镍的含量为5.00~10.00%。
钒:钢材中重要的碳化物形成元素,在回火处理时可以形成纳米级析出粒子,提高钢材的强度,本发明中钒的含量为0.05~0.15%。
与现有的技术相比,本发明的有益效果为:
本发明的低屈强比高强高韧耐压壳体用钢,屈服强度大于890MPa,断后延伸率大于15%,屈强比≤0.9,-84℃冲击功≥200J,-196℃冲击功≥84J,兼具超高的强度和优异的塑性,而且低温冲击韧性优异。
本发明的低屈强比高强高韧耐压壳体用钢在组织采用回火马氏体、临界铁素体、残余奥氏体,并通过纳米强化相来获得超高的强度,同时采用低的碳含量设计,碳含量仅为0.05~0.10%,因此使该种钢材在保持超高强度的同时具有优异的焊接性。
附图说明
图1是现有技术中常规“淬火+回火”工艺(800℃保温30min淬火+600℃回火60min)处理后的扫描组织照片。
图2是本发明技术方案中不同二次淬火温度下试样的扫描组织照片,其中(a)二次淬火温度655℃,(b)二次淬火温度680℃。
图3是本发明技术方案中不同二次淬火温度下低屈强比高强高韧耐压壳体用钢的XRD检测结果。
图4是本发明技术方案中不同二次淬火温度下低屈强比高强高韧耐压壳体用钢室温拉伸曲线。
图5是本发明实施例2的低屈强比高强高韧耐压壳体用钢高倍透射电子显微组织照片。(a)明场像(b)暗场像(c)残余奥氏体衍射谱
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。采用如下性能测试相关标准进行测试:(1)拉伸:GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法;(2)冲击:GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法;(3)屈强比:屈服强度/拉伸强度的比值,其中屈服强度和拉伸强度的测试方法由GB/T228.1-2010给出。使用德国蔡司ULTRA55场发射扫描显微镜进行金相表征。使用德国布鲁克AXS X射线衍射仪进行物相分析。
实施例1
本发明的一种低屈强比(≤0.9)高强高韧耐压壳体用钢,按设定成分冶炼钢水并铸成铸坯,成分按重量百分比为:0.085%C、0.25%Si、0.75%Mn、0.50%Mo、0.6%Cr、7.20%Ni,0.12%V余量为Fe及不可避免的杂质。
将铸坯加热至1200℃,保温3h,然后进行两阶段热轧;第一阶段轧制温度1150~1000℃,压下率50%,第二阶段轧制温度920~750℃,压下率50%,最终将钢板热轧至12.5mm;热轧后的高温钢板空冷至室温。热轧后的钢板将样品加热至800℃并保温30min,水淬至室温;随后再次加热至655℃,保温30min,水淬至室温;最后在600℃回火60min。
采用上述制备方法得到屈服强度Rp0.2 915MPa、抗拉强度Rm 1080MPa、断后延伸率20%、屈强比0.85,-84℃冲击功220J。
实施例2
本发明的一种低屈强比(≤0.9)高强高韧耐压壳体用钢,按设定成分冶炼钢水并铸成铸坯,成分按重量百分比为:0.085%C、0.25%Si、0.75%Mn、0.50%Mo、0.6%Cr、7.20%Ni,0.12%V余量为Fe及不可避免的杂质。
将铸坯加热至1200℃,保温3h,然后进行两阶段热轧;第一阶段轧制温度1150~1000℃,压下率50%,第二阶段轧制温度920~750℃,压下率50%,最终将钢板热轧至12.5mm;热轧后的高温钢板空冷至室温。热轧后的钢板将样品加热至800℃并保温30min,水淬至室温;随后再次加热至680℃,保温30min,水淬至室温;最后在600℃回火60min。
采用上述制备方法得到屈服强度Rp0.2 930MPa、抗拉强度Rm 1050MPa、断后延伸率20%、屈强比0.88,-84℃冲击功235J,-196℃冲击功88J。
根据本发明内容进行工艺参数和组分含量的调整,均可实现本发明低屈强比超高强船体结构用钢的制备,且表现出与本发明的基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述,应该说明的是,在不脱离本发明的核心的情况下,任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种低屈强比超高强高韧耐压壳体用钢的制备方法,其特征在于,包括步骤如下:
步骤1,冶炼
按照化学成分:0.05~0.10%C、0.15~0.35%Si、0.60~1.00%Mn、0.10~0.50%Cu、0.10~1.00%Mo、0.40~0.70%Cr、0.05~0.15%V、5.00~10.00%Ni,余量为Fe及不可避免的杂质进行冶炼,获得铸坯;
步骤2,热轧
将步骤1得到的铸坯置于1150~1220℃进行保温,然后进行热轧;热轧采用两阶段轧制工艺,第一阶段轧制温度1150~1000℃,压下率≥50%,第二阶段轧制温度900℃~750℃,压下率≥50%,终轧厚度为5~80mm;热轧后的高温钢板空冷至室温;
步骤3,热处理
将步骤2热轧后的钢板样品加热至790~810℃并保温20~40min,水淬至室温;随后再次加热至650℃~690℃,保温20~40min,水淬至室温;最后在590℃~610℃回火50~70min。
2.采用权利要求1所述的方法制备得到的低屈强比超高强高韧耐压壳体用钢,其特征在于,采用二次淬火热处理,最终获得包含回火马氏体、临界铁素体、残余奥氏体的复相组织。
3.根据权利要求2所述的低屈强比超高强高韧耐压壳体用钢,其特征在于,其中,残余奥氏体的体积分数≥10%。
4.根据权利要求2所述的低屈强比超高强高韧耐压壳体用钢,其特征在于,屈服强度Rp0.2≥890MPa;抗拉强度Rm≥1050MPa;断后延伸率≥15%;屈强比≤0.9,具有优异的强塑性匹配,而且-84℃冲击功≥200J;-196℃冲击功≥84J。
5.根据权利要求2所述的低屈强比超高强高韧耐压壳体用钢,其特征在于,屈服强度Rp0.2达910~950MPa,-84℃冲击功达210~230J,-196℃冲击功达85~100J。
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