CN113186464B - 一种超低碳高强度高塑马氏体钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种超低碳高强度高塑马氏体钢及其制备方法，所属钢材制备领域，马氏体钢的化学成分质量百分比为：C：0.01～0.05％，Si：0.2～0.5％，Mn：0.5～0.8％，Cr：0.8～1.2％，Cu：2.0～4.0％，Ni：10.0～11.0％，V：0.05～0.15％，Mo：0.5～0.9％，Al：0.2～0.5％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，余量为Fe。本发明的合金中添加Cu、Ni、Al、Mn元素，可以在时效热处理过程中，析出富Cu、Ni3Al(Mn)相，以实现在为合金的高强度同时，焊接性能优异；本发明马氏体钢无需轧制，深冷处理，热处理工艺简单，生产效率高、易于实现。

Description

一种超低碳高强度高塑马氏体钢及其制备方法
技术领域
本发明属于钢材制备领域，特别涉及一种超低碳高强度高塑马氏体钢及其制备方法。
背景技术
随着现代科技的不断发展，高强度钢的应用领域不断开拓，人们对钢材性能的追求也在不断提高。在高强钢制备领域，强化方式对材料的影响是决定性的，传统高强钢的强化方式主要是依靠碳的固溶强化和合金碳化物析出强化，钢的强度与碳的含量呈线性的关系，当强度达到一定程度，碳的含量也随之升高，这对焊接性能和易加工性能有极大的危害，在焊接能力可接受的范围下，钢的强度受到了极大的限制。因此，需要开发低碳、高强度、高塑性，且加工性能好的钢材。
发明内容
针对高碳钢材影响焊接质量的技术问题，本发明以超低碳高强度高塑易焊接为目标，提供一种超低碳高强度高塑马氏体钢及其制备方法，本方法在降低碳含量的同时，还能够提高钢材的强度和塑性，达到良好焊接性能。其具体技术方案如下：
一种超低碳高强度高塑马氏体钢，马氏体钢的化学成分质量百分比为：C：0.01～0.05％，Si：0.2～0.5％，Mn：0.5～0.8％，Cr：0.8～1.2％，Cu：2.0～4.0％，Ni：10.0～11.0％，V：0.05～0.15％，Mo：0.5～0.9％，Al：0.2～0.5％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，余量为Fe；
所述马氏体钢的显微组织为板条块马氏体；
所述马氏体钢的硬度为≥42.5HRC，屈服强度为1200～1400MPa，抗拉强度为1300～1500MPa，延伸率为15～20％。
上述一种超低碳高强度高塑马氏体钢的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按马氏体钢的化学成分配比，先将金属镍板、工业纯铁、金属钼，金属铬依次加入熔炼炉中，在1500±50℃下进行熔炼直至炉料充分熔化，然后依次加入工业硅、金属锰、铜、铝、钒铁、石墨，继续熔炼直至炉料充分熔化，最后浇铸成钢锭；
所述工业硅、金属锰、铜、铝、钒铁、石墨通过外部料仓依次加入；
所述熔炼炉为真空感应炉，所述熔炼在氩气保护条件下进行；
所述浇铸的温度为1500±50℃；
步骤2：将钢锭加热至1200～1300℃，保温8～9h，进行高温均质化处理，然后随炉冷却至室温；
所述加热速率为5～6℃/min；
步骤3：将钢锭随炉升温到1150～1200℃，保温1.5～2小时，回炉一次，锻造成板坯或圆棒，冷却后得到锻造钢坯；
所述锻造的终锻温度为950～1050℃；
所述冷却为空冷至室温；
步骤4：将锻造钢坯加热至950～1050℃，保温1～2h，然后进行淬火，水冷至室温；再升温至450～550℃时效处理12～18h，最后冷却至室温，得到超低碳高强度高塑马氏体钢；
所述加热速率为180～220℃/h；
所述时效处理的升温速率为220～240℃/h；
所述水冷为置于水中冷却；
所述冷却为空冷。
本发明的一种超低碳高强度高塑马氏体钢及其制备方法，与现有技术相比，有益效果为：
一、本发明的合金中添加Cu、Ni、Al、Mn元素，可以在时效热处理过程中，析出富Cu、Ni3Al(Mn)相，以实现在为合金的高强度同时，焊接性能优异；显微组织为板条块马氏体。
二、本发明马氏体钢的合金成分为超低碳，目的为改善传统以碳化物析出为主要强化的舰船结构结构用钢的焊接性能差的劣势，本发明采用固溶淬火和时效的热处理工艺强化来提高强度和塑性，达到易焊接的性能。机理为通过高温均质化+固溶+时效强化的热处理制度，基体内Cu相，NiAl(Mn)相复合析出强化的主要方式，超低碳板条块马氏体强化和固溶强化为辅，这三种强化方式来为高强度的目的，来弥补C含量降低造成的强度损失。通过以上强化方式可以保证在得到高强度的条件下，仍能保持具有良好的塑性，并在恶劣的环境下能满足良好的易焊接加工性能，其应用范围广泛，可用于大型舰船结构件及海洋大型设备领域。成分设计初期，使用Themro-calc等相图软件模拟出平衡相图，对其析出相成分，含量进行模拟，进行成分优化并制定热处理制度。
三、本发明方法将钢锭加热至1150～1250℃，保温9～10h，为了将铸锭进行高温均质化热处理，保证铸锭内合金元素分布均匀，消除内应力，以提高铸件的力学性能。
四、本发明的超低碳高强度高塑马氏体钢的硬度为≥42.5HR，屈服强度为1200～1400MPa，抗拉强度为1300～1500MPa，延伸率为15～20％。
五、本发明马氏体钢无需轧制，深冷处理，热处理工艺简单，生产效率高、易于实现。
六、本发明的应用可以在热处理之前将材料加工成各种形状的工件，然后再进行热处理，应用范围广。
综上，本发明的目的是提供一种屈服强度级别为1200Mpa级别，延伸率≥15％的超低碳高强度高塑马氏体钢及制备方法。该超低碳高强度高塑马氏体钢的易加工性能，焊接性能以及综合力学性能好。强度和塑性综合性能超过大部分超低碳马氏体时效钢；制备工艺流程简单，可根据热处理时效的时间和温度调配板条马氏体钢中的板条束宽度，进而调整屈服强度和塑性的匹配度。该钢种能在保证高强度的前提下，改善现役舰船结构用钢的焊接性能，进而获得较高的经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例1的锻造钢坯在490℃时效17h的显微组织示意图；
图2为本发明实施例2的锻造钢坯在500℃时效16h的显微组织示意图；
图3为本发明实施例3的锻造钢坯在510℃时效15h的显微组织示意图；
图4为本发明实施例4的锻造钢坯在500℃时效16h的显微组织示意图；
图5为本发明实施例5的锻造钢坯在510℃时效15h的显微组织示意图；
具体实施方式
下面结合具体实施案例和附图1-5对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
一种超低碳高强度高塑马氏体钢，马氏体钢的化学成分质量百分比为：C：0.05％，Si：0.25％，Mn：0.58％，Cr：1.10％，Cu：2.4％，Ni：10.36％，V：0.13％，Mo：0.78％，Al：0.41％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，余量为Fe；
所述马氏体钢的显微组织为板条块马氏体；
上述一种超低碳高强度高塑马氏体钢的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按马氏体钢的化学成分配比，先将金属镍板、工业纯铁、金属钼，金属铬依次加入熔炼炉中，在1490℃下进行熔炼直至炉料充分熔化，然后依次加入工业硅、金属锰、铜、铝、钒铁、石墨，继续熔炼直至炉料充分熔化，最后浇铸成钢锭；
所述工业硅、金属锰、铜、铝、钒铁、石墨通过外部料仓依次加入；
所述熔炼炉为真空感应炉，所述熔炼在氩气保护条件下进行；
所述浇铸的温度为1480℃；
步骤2：以5℃/min的速率将铸锭从常温加热至1250℃，保温9h，进行高温均质化处理，然后随炉冷却至室温；
步骤3：将钢锭随炉升温到1180℃，保温1.5小时，回炉一次，锻造成板坯或圆棒，冷却后得到锻造钢坯；
所述锻造的终锻温度为1050℃；
所述冷却为空冷至室温；
步骤4：将锻造钢坯以180℃/h的速率从常温加热至1050℃，保温1h，然后进行淬火，水冷至室温，再以240℃/h从室温升温到490℃保温17h进行时效处理，最后冷却至室温，得到超低碳高强度高塑马氏体钢；
所述水冷为置于水中冷却；
所述冷却为空冷。
本实施例制备的超低碳高强度高塑马氏体钢的显微组织如图1所示；经力学性能分析，马氏体钢硬度为42.7HRC，屈服强度为1298.72Mpa，抗拉强度为1388.50Mpa，延伸率为16.7％，符合要求。
实施例2
一种超低碳高强度高塑马氏体钢，马氏体钢的化学成分质量百分比为：C：0.04％，Si：0.27％，Mn：0.60％，Cr：1.00％，Cu：2.25％，Ni：10.26％，V：0.14％，Mo：0.80％，Al：0.40％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，余量为Fe；
所述马氏体钢的显微组织为板条块马氏体；
上述一种超低碳高强度高塑马氏体钢的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按马氏体钢的化学成分配比，先将金属镍板、工业纯铁、金属钼，金属铬依次加入熔炼炉中，在1500℃下进行熔炼直至炉料充分熔化，然后依次加入工业硅、金属锰、铜、铝、钒铁、石墨，继续熔炼直至炉料充分熔化，最后浇铸成钢锭；
所述工业硅、金属锰、铜、铝、钒铁、石墨通过外部料仓依次加入；
所述熔炼炉为真空感应炉，所述熔炼在氩气保护条件下进行；
所述浇铸的温度为1470℃；
步骤2：以6℃/min的速率将铸锭从常温加热至1200℃，保温9h，进行高温均质化处理，然后随炉冷却至室温；
步骤3：将钢锭随炉升温到1150℃，保温2小时，回炉一次，锻造成板坯或圆棒，冷却后得到锻造钢坯；
所述锻造的终锻温度为1030℃；
所述冷却为空冷至室温；
步骤4：将锻造钢坯以210℃/h的速率从常温加热至1050℃，保温1h，然后进行淬火，水冷至室温，再以220℃/h从室温升温到500℃保温16h进行时效处理，最后冷却至室温，得到超低碳高强度高塑马氏体钢；
所述水冷为置于水中冷却；
所述冷却为空冷。
本实施例制备的超低碳高强度高塑马氏体钢的显微组织如图2所示；经力学性能分析，马氏体钢硬度为43.4HRC，屈服强度为1328.89Mpa，抗拉强度为1415.57Mpa，延伸率为16.2％，符合要求。
实施例3
一种超低碳高强度高塑马氏体钢，马氏体钢的化学成分质量百分比为：C：0.02％，Si：0.24％，Mn：0.57％，Cr：1.11％，Cu：3.47％，Ni：10.33％，V：0.12％，Mo：0.77％，Al：0.42％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，余量为Fe；
所述马氏体钢的显微组织为板条块马氏体；
上述一种超低碳高强度高塑马氏体钢的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按马氏体钢的化学成分配比，先将金属镍板、工业纯铁、金属钼，金属铬依次加入熔炼炉中，在1490℃下进行熔炼直至炉料充分熔化，然后依次加入工业硅、金属锰、铜、铝、钒铁、石墨，继续熔炼直至炉料充分熔化，最后浇铸成钢锭；
所述工业硅、金属锰、铜、铝、钒铁、石墨通过外部料仓依次加入；
所述熔炼炉为真空感应炉，所述熔炼在氩气保护条件下进行；
所述浇铸的温度为1480℃；
步骤2：以6℃/min的速率将铸锭从常温加热至1270℃，保温8h，进行高温均质化处理，然后随炉冷却至室温；
步骤3：将钢锭随炉升温到1150℃，保温1.5小时，回炉一次，锻造成板坯或圆棒，冷却后得到锻造钢坯；
所述锻造的终锻温度为1080℃；
所述冷却为空冷至室温；
步骤4：将锻造钢坯以200℃/h的速率从常温加热至1050℃，保温1h，然后进行淬火，水冷至室温，再以230℃/h从室温升温到510℃保温15h进行时效处理，最后冷却至室温，得到超低碳高强度高塑马氏体钢；
所述水冷为置于水中冷却；
所述冷却为空冷。
本实施例制备的超低碳高强度高塑马氏体钢的显微组织如图3所示；经力学性能分析，马氏体钢硬度为43.1HRC，屈服强度为1354.58Mpa，抗拉强度为1467.5Mpa，延伸率为16.8％，符合要求。
实施例4
一种超低碳高强度高塑马氏体钢，马氏体钢的化学成分质量百分比为：C：0.02％，Si：0.20％，Mn：0.52％，Cr：1.05％，Cu：3.32％，Ni：10.38％，V：0.15％，Mo：0.75％，Al：0.40％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，余量为Fe；
所述马氏体钢的显微组织为板条块马氏体；
上述一种超低碳高强度高塑马氏体钢的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按马氏体钢的化学成分配比，先将金属镍板、工业纯铁、金属钼，金属铬依次加入熔炼炉中，在1490℃下进行熔炼直至炉料充分熔化，然后依次加入工业硅、金属锰、铜、铝、钒铁、石墨，继续熔炼直至炉料充分熔化，最后浇铸成钢锭；
所述工业硅、金属锰、铜、铝、钒铁、石墨通过外部料仓依次加入；
所述熔炼炉为真空感应炉，所述熔炼在氩气保护条件下进行；
所述浇铸的温度为1475℃；
步骤2：以5℃/min的速率将铸锭从常温加热至1250℃，保温9h，进行高温均质化处理，然后随炉冷却至室温；
步骤3：将钢锭随炉升温到1160℃，保温1.5小时，回炉一次，锻造成板坯或圆棒，冷却后得到锻造钢坯；
所述锻造的终锻温度为1070℃；
所述冷却为空冷至室温；
步骤4：将锻造钢坯以190℃/h的速率从常温加热至1050℃，保温1h，然后进行淬火，水冷至室温，再以220℃/h从室温升温到450℃保温18h进行时效处理，最后冷却至室温，得到超低碳高强度高塑马氏体钢；
所述水冷为置于水中冷却；
所述冷却为空冷。
本实施例制备的超低碳高强度高塑马氏体钢的显微组织如图4所示；经力学性能分析，马氏体钢硬度为42.8HRC，屈服强度为1260.45Mpa，抗拉强度为1321.96Mpa，延伸率为16.4％，符合要求。
实施例5
一种超低碳高强度高塑马氏体钢，马氏体钢的化学成分质量百分比为：C：0.02％；Si：0.20％；Mn：0.50％；Cr：1.04％；Cu：3.28％；Ni：10.20％；V：0.11％；Mo：0.76％；Al：0.40％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，余量为Fe；
所述马氏体钢的显微组织为板条块马氏体；
上述一种超低碳高强度高塑马氏体钢的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按马氏体钢的化学成分配比，先将金属镍板、工业纯铁、金属钼，金属铬依次加入熔炼炉中，在1510℃下进行熔炼直至炉料充分熔化，然后依次加入工业硅、金属锰、铜、铝、钒铁、石墨，继续熔炼直至炉料充分熔化，最后浇铸成钢锭；
所述工业硅、金属锰、铜、铝、钒铁、石墨通过外部料仓依次加入；
所述熔炼炉为真空感应炉，所述熔炼在氩气保护条件下进行；
所述浇铸的温度为1485℃；
步骤2：以5℃/min的速率将铸锭从常温加热至1250℃，保温9h，进行高温均质化处理，然后随炉冷却至室温；
步骤3：将钢锭随炉升温到1170℃，保温1.5小时，回炉一次，锻造成板坯或圆棒，冷却后得到锻造钢坯；
所述锻造的终锻温度为1080℃；
所述冷却为空冷至室温；
步骤4：将锻造钢坯以200℃/h的速率从常温加热至1050℃，保温1h，然后进行淬火，水冷至室温，再以230℃/h从室温升温到510℃保温15h进行时效处理，最后冷却至室温，得到超低碳高强度高塑马氏体钢；
所述水冷为置于水中冷却；
所述冷却为空冷。
本实施例制备的超低碳高强度高塑马氏体钢的显微组织如图5所示；经力学性能分析，马氏体钢硬度为42.5HRC，屈服强度为1305.71Mpa，抗拉强度为1434.76Mpa，延伸率为15.9％，符合要求。
以上实施例制备的超低碳高强度马氏体钢具有良好的综合力学性能：屈服强度≥1200MPa，抗拉强度≥1300Mpa，延伸率≥15％。马氏体钢加工性能，焊接性能以及综合力学性能好；制备工艺流程简单，操作过程可控性强。

Claims (10)

1.一种超低碳高强度高塑马氏体钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：按马氏体钢的化学成分配比C：0.01~0.05%，Si：0.2~0.5%，Mn：0.5~0.8 %，Cr：0.8~1.2%，Cu：2.0~4.0 %，Ni：10.0~11.0%，V：0.05~0.15%，Mo：0.5~0.9%，Al：0.2~0.5%，P：≤0.02%，S：≤0.02%，余量为Fe，先将金属镍板、工业纯铁、金属钼，金属铬依次加入熔炼炉中，在1500±50℃下进行熔炼直至炉料充分熔化，然后依次加入工业硅、金属锰、铜、铝、钒铁、石墨，继续熔炼直至炉料充分熔化，最后浇铸成钢锭；
步骤2：将钢锭加热至1200~1300℃，保温8~9 h，进行高温均质化处理，然后随炉冷却至室温；
步骤3：将钢锭随炉升温到1150~1200℃，保温1.5~2小时，回炉一次，锻造成板坯或圆棒，冷却后得到锻造钢坯；
步骤4：将锻造钢坯加热至950~1050℃，保温1~2h，然后进行淬火，水冷至室温；再升温至450~550℃时效处理12~18 h，最后冷却至室温，得到超低碳高强度高塑马氏体钢；该超低碳高强度高塑马氏体钢显微组织为板条块马氏体，硬度为≥42.5HRC，屈服强度为1200~1400 MPa，抗拉强度为1300~1500 MPa，延伸率为15~20%。
2.根据权利要求1所述的一种超低碳高强度高塑马氏体钢的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述工业硅、金属锰、铜、铝、钒铁、石墨通过外部料仓依次加入。
3.根据权利要求1所述的一种超低碳高强度高塑马氏体钢的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述熔炼炉为真空感应炉，所述熔炼在氩气保护条件下进行；所述浇铸的温度为1500±50℃。
4.根据权利要求1所述的一种超低碳高强度高塑马氏体钢的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述加热速率为5~6℃/min。
5.根据权利要求1所述的一种超低碳高强度高塑马氏体钢的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述锻造的终锻温度为950~1050℃；所述冷却为空冷至室温。
6.根据权利要求1所述的一种超低碳高强度高塑马氏体钢的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述加热速率为180~220℃/h；所述时效处理的升温速率为220~240℃/h。
7.根据权利要求1所述的一种超低碳高强度高塑马氏体钢的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述水冷为置于水中冷却；所述冷却为空冷。
8.一种超低碳高强度高塑马氏体钢，其特征在于，马氏体钢的化学成分质量百分比为：C：0.01~0.05%，Si：0.2~0.5%，Mn：0.5~0.8 %，Cr：0.8~1.2%，Cu：2.0~4.0 %，Ni：10.0~11.0%，V：0.05~0.15%，Mo：0.5~0.9%，Al：0.2~0.5%，P：≤0.02%，S：≤0.02%，余量为Fe，其制备方法采用权利要求1-7中任一项所述的制备方法。
9.根据权利要求8所述的一种超低碳高强度高塑马氏体钢，其特征在于，所述马氏体钢的显微组织为板条块马氏体。
10.根据权利要求8所述的一种超低碳高强度高塑马氏体钢，其特征在于，所述马氏体钢的硬度为≥42.5HRC，屈服强度为1200~1400 MPa，抗拉强度为1300~1500 MPa，延伸率为15~20%。
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