CN113249654B - 一种海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢及其制备方法，属于钢铁材料领域。成分中添加Ni，Co元素，在含O浓度为5~100 PPm的钢熔体中通过即喂丝加搅拌的方法喂入Al‑（1.5～30）wt.％Ti复合铰丝，获得含O、Al、Ti的钢液，由于含有高于基体合金熔点的析出相Al2O3和Ti3O5的合金元素Al、Ti、O，随着温度下降，Al、Ti、O溶解度下降，以较快的冷却速度形成的较大过冷度，同时在凝固过程中使熔体形成较大的流动线速度时，Al2O3和Ti3O5首先析出，获得大量原位纳米相Al2O3和Ti3O5弥散分布的铸锭。原位纳米相Al2O3和Ti3O5不仅能起到第二相强化作用，提高钢材强度，同时，还能作为异质形核核心，细化夹杂，减小晶粒尺寸，起到细晶强化效果。最终该高强钢的屈服强度≥1200MPa，延伸率≥15%。

Description

一种海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢及制备方法
技术领域
本发明属于钢铁材料领域，涉及一种海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢及其制备方法。
背景技术
近年来，随着国内外对海洋资源开发力度的不断加强，对海洋工程用钢的强度、低温冲击性能等也提出了越来越高的要求。传统的海洋工程用钢的制备思路主要采用高碳高合金＋调质处理，这一技术路线能基本满足海洋工程用钢的要求，但是也存在焊接性差等问题。同时，焊接时的前热、后热也增加了工序和成本。
为了解决上述问题，美国开发了高强韧、易焊接纳米富Cu相强化HSLA钢。大幅降碳降合金，利用时效过程中析出的Cu纳米相起到析出强化作用，弥补碳含量下降引起的强度损失。雷玄威等人 [雷玄威，周栓宝，黄继华. 超高强度船体结构钢焊接性的研究现状和趋势，材料研究学报，2020，34（1）] 通过模拟分析发现，引入Cu沉淀强化和提高Ni含量的成分设计可成为进一步改善超高强度船体结构钢焊接性的思路。但是Cu纳米强化钢存在热稳定性差等问题，罗小兵等人 [罗小兵，杨才福，苏航，柴锋. 时效温度对 HSLA 高强船体钢组织和性能的影响，材料热处理学报，2011，32（6）] 通过研究发现，随着时效温度的升高，Cu的析出相较欠时效状态下明显长大，其形态由球状转变为短棒状或杆状，与基体失去了共格关系。因此，寻求新的提高钢材强度的方法成为高强钢发展的一个重要方向。
王自东等人 [王自东，汤浩，陈晓华，曾新建. 一种制备原位纳米颗粒强化 Q195钢的方法：中国，201310409451.6.2016-04-27.] 应用原位纳米颗粒强化的方法制备了Q195钢，在熔炼和浇注的过程中，加入Fe-Ti 合金丝，在容器中施加压力形成压力场，熔体中施加离心力或电磁搅拌，形成纳米强化的钢合金。经检测组织中原位析出大量弥散分布的纳米第二相，对比原Q195钢，纳米强化钢材的强度得到很大的提升，且其塑韧性并没有损失很大。陈晓华等人 [Xiaohua Chen, Lili Qiu, Hao Tang, Xiang Luo, Longfei Zuo,Zidong Wang. Effect of nanoparticles formed in liquid melt on microstructureand mechanical property of high strength naval steel, Journal of MaterialsProcessing Technology, 2015] 详细探究了相同成分下采用传统方式熔炼的A钢和在熔炼中喂入钛丝形成原位纳米相的B钢在力学性能等方面的差异，发现B钢屈服强度可达到940MPa，同时塑韧性并没有太大损失。同时，原位纳米相在凝固过程中起到细化晶粒、作为异质形核核心细化夹杂的作用，大大提升了钢材的性能。王自东等人 [王自东，石荣建，庞晓露，乔利杰，陈晓华，王磊. 一种高强韧钢及其制备方法：中国，201810891265.3.2018-12- 14.] 发明了一种高强韧钢及其制备方法，所述高强钢的化学成分重量百分比为：C：0.01～0.1 wt.％、Si≤0.15wt.％、Mn：1.0～2.0wt.％、P≤0.02wt.％、S≤0.005wt.％、Ni：4.0～5.0wt.％、Cr：0.2～1.0wt.％、Mo：0.4～1.0wt.％、V：0.02～0.08wt .％、Nb：0.02～0.10wt.％、Al：0.02～0.1wt.％、Ti：0.005～0.05wt.％，余量为Fe。在熔体中采用区域微量供给的方式喂入细的合金铰丝，形成原位纳米颗粒，提高钢的强度而不损害其塑韧性。本发明在此基础上，添加Ni，Co元素，采用原位纳米颗粒增强的方式，发明了一种海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢，屈服强度达到1200MPa。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢及其制备方法，在专利CN 108998729 A 发明了一种高强韧钢及其制备方法的基础上，添加Ni，Co元素，在熔体中在熔体中形成原位纳米颗粒，通过与之匹配的轧制、热处理制度，获得屈服强度≥1200MPa，延伸率≥15% 的超高强度钢。添加 Ni，Co 元素的作用为：Ni 可以提高钢板的强度和塑性，也可以大幅度提升低温冲击韧性，这是由于 Ni 在钢中只形成固溶体，而且固溶强化作用不明显，主要是通过在塑性变形时增加晶格滑移面来提高材料塑性，Ni还可提高合金钢的淬透性，并能改善钢在低温下的韧性，使韧脆转变温度下降。Co能提高钢的强度，是一种强的固溶强化元素。Co的加入使Fe产生短程有序或长程有序，降低Fe的自扩散系数，在回火时推迟马氏***错亚结构的回复，从而保证在位错处形成细小弥散的合金碳化物。
一种海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢，合金化学成分（质量百分比）：C：0.06~0.09%，Si：0~0.1%，Mn：0~0.15%，Ni：9.0~11.0%，Cr：1.5~2.0%，Mo：0.8~1.0%，V：0.03~0.04%，Ti：0.006~0.010%，Al：0.06~0.08%，Nb：0.06~0.08%，Co：7.0~8.0%。
如上所述海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢的制备方法，首先制备含纳米析出相元素的钢合金熔体，其主要特征在含O浓度为5~100 PPm的钢熔体中通过“区域微量供应”方式（即喂丝加搅拌的方法）喂入φ0.5~3mm的 Al-（1.5～30）wt.％Ti复合铰丝，然后以较快的冷却速度凝固（大于 500 K/min）。在凝固过程中，高于基体合金熔点的 Al2O3和Ti3O5 析出相首先析出，利用强对流将纳米级晶核迅速带离其所产生的区域，破坏其微量元素浓度梯度，使其达不到长大所需的动力学及热力学条件，并控制熔体的流场、浓度场及力场，在熔炼后的材料中产生大量弥散分布的原位纳米相 Al2O3和Ti3O5 ，起到第二相强化作用，提高钢材强度，同时，还能作为异质形核核心，细化夹杂，减小晶粒尺寸，起到细晶强化效果。
如上所述的海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢的制备方法，其特征在于，具体工艺过程为：
（1）利用真空熔炼加热方式，将钢合金加热熔化；
（2）钢全部熔化后，再过热 50~100 ℃，待液面稳定后，经测量钢液中氧含量达 5~100 PPm 后，炉内通入氩气，加入φ0.5~3mm的 Al-Ti 复合铰丝；
（3）在压力为0.01~0.5MPa 氩气保护下，进行合金熔炼，待 Al-Ti 复合铰丝熔化，保温 1~5min 后浇注；
（4）在压力为0.01~0.5MPa 氩气保护下用下浇注，在浇注过程中金属液流动的线速度不低于 1.7m/s ；
（5）控制凝固过程中的冷却速度不低于 500℃ /min ；
（6）金属完全凝固后，得到铸坯；
（7）后续进行控轧控冷，经多道次轧制，总道次压下量为70%~90% ，终轧后放入炉中炉冷至室温，得到板坯；
（8）水淬回火后空冷得到所述钢板；钢的屈服强度≥1200MPa，延伸率≥15%。
进一步地，步骤（7）所述控轧控冷工艺为，在1200℃~1250℃保温 2h，经多道次轧制，初轧及终轧温度区间分别为 1150℃~1200℃ 和 850℃~900℃。
进一步地，步骤（8）所述水淬温度为：840℃~860℃，回火温度为500℃~550℃。
本发明优点是：
在成分设计上添加Ni，Co元素，在钢熔体生成稳定的弥散分布的纳米相，起到第二相强化和细晶强化作用，获得屈服强度≥1200MPa，延伸率≥15%的超高强度钢。
附图说明
图1为铸态下扫描组织照片；
图2为铸态下透射纳米相照片。
具体实施方式
通过下面结合附图关于本发明的具体实施方式的详细描述，将有助于更清楚完整地理解本发明的其它特征、细节和优点。
下面通过示范性实施例详细描述本发明。需指出的是，本领域的技术人员很容易理解，以下实施例仅仅为以举例方式给出的关于本发明的方法的一些示范性实施例，并不意味着对本发明进行任何限制。
实施例1：
（1）合金化学成分（质量百分比）：C：0.09%，Si：0.1%，Mn：0.15%，Ni：10.8%，Cr：1.7%，Mo：0.9%，V： 0.04%，Ti： 0.010%，Al：0.06%，Nb：0.07%，Co：7.0%；
（2）利用真空熔炼加热的方式，将钢合金加热熔化；
（3）合金熔炼是在氩气气氛下进行的；
（4）钢全部熔化后，再过热 50~100 ℃，待液面稳定后，经测量钢液中氧含量达 30PPm 后，加入φ2 mm的 Al-10 wt.％Ti 复合铰丝，经测算 Al 加入量为 0.065 wt.％，Ti加入量为 0.007 wt.％；
（5）在压力为 0.5 MPa 氩气保护下，进行熔炼，待 Al-Ti 复合铰丝熔化，保温 3min 后浇注；
（6）在压力为 0.5 MPa 氩气保护下进行浇注，在浇注过程中金属液流动的线速度不低于 1.7m/s ；
（7）控制凝固过程中的冷却速度不低于 500℃ /min ；
（8）金属完全凝固后，得到铸坯，取样对铸态进行组织分析，如图1所示，经检测组织中存在大量弥散分布的纳米颗粒，如图2所示；
（9）后续进行控轧控冷，在1250℃保温2h，经7个道次轧制，初轧及终轧温度分别为1200℃ 和 900℃，总压下率为82%，终轧后放入炉中炉冷至室温，得到板坯；
（10）热处理工序：淬火温度860℃，保温时间30 min，水淬；回火温度500℃，保温时间120min，回火结束后空冷得到所述钢板；
（11）对试样进行室温拉伸试验，得到材料力学性能如表1所示。
表1
屈服强度（MPa） 抗拉强度（MPa） 延伸率（%）
1261 1366 15.4
实施例2：
（1）合金化学成分（质量百分比）：C：0.09%，Si：0.1%，Mn：0.15%，Ni：10.8%，Cr：1.7%，Mo：0.9%，V： 0.04%，Ti： 0.010%，Al：0.06%，Nb：0.07%，Co：7.0%；
（2）利用真空熔炼加热的方式，将钢合金加热熔化；
（3）合金熔炼是在氩气气氛下进行的；
（4）钢全部熔化后，再过热 50~100 ℃，待液面稳定后，经测量钢液中氧含量达 30PPm 后，加入φ2 mm的 Al-10 wt.％Ti 复合铰丝，经测算 Al 加入量为 0.065 wt.％，Ti加入量为 0.007 wt.％；
（5）在压力为 0.5 MPa 氩气保护下，进行熔炼，待 Al-Ti 复合铰丝熔化，保温 3min 后浇注；
（6）在压力为 0.5 MPa 氩气保护下进行浇注，在浇注过程中金属液流动的线速度不低于 1.7m/s ；
（7）控制凝固过程中的冷却速度不低于 500℃ /min ；
（8）金属完全凝固后，得到铸坯，取样对铸态进行组织分析，如图1所示，经检测组织中存在大量弥散分布的纳米颗粒，如图2所示；
（9）后续进行控轧控冷，在1250℃保温2h，经7个道次轧制，初轧及终轧温度分别为1200℃ 和 900℃，总压下率为82%，终轧后放入炉中炉冷至室温，得到板坯；
（10）热处理工序：淬火温度840℃，保温时间30 min，水淬；回火温度500℃，保温时间120min，回火结束后空冷得到所述钢板；
（11）对试样进行室温拉伸试验，得到材料力学性能如表2所示。
表2
屈服强度（MPa） 抗拉强度（MPa） 延伸率（%）
1355 1430 15.1
实施例3：
（1）合金化学成分（质量百分比）：C：0.09%，Si：0.1%，Mn：0.15%，Ni：10.8%，Cr：1.7%，Mo：0.9%，V： 0.04%，Ti： 0.010%，Al：0.06%，Nb：0.07%，Co：7.0%；
（2）利用真空熔炼加热的方式，将钢合金加热熔化；
（3）合金熔炼是在氩气气氛下进行的；
（4）钢全部熔化后，再过热 50~100 ℃，待液面稳定后，经测量钢液中氧含量达 30PPm 后，加入φ2 mm的 Al-10 wt.％Ti 复合铰丝，经测算 Al 加入量为 0.065 wt.％，Ti加入量为 0.007 wt.％；
（5）在压力为 0.5 MPa 氩气保护下，进行熔炼，待 Al-Ti 复合铰丝熔化，保温 3min 后浇注；
（6）在压力为 0.5 MPa 氩气保护下进行浇注，在浇注过程中金属液流动的线速度不低于 1.7m/s ；
（7）控制凝固过程中的冷却速度不低于 500℃ /min ；
（8）金属完全凝固后，得到铸坯，取样对铸态进行组织分析，如图1所示，经检测组织中存在大量弥散分布的纳米颗粒，如图2所示；
（9）后续进行控轧控冷，在1250℃保温2h，经7个道次轧制，初轧及终轧温度分别为1200℃ 和 900℃，总压下率为82%，终轧后放入炉中炉冷至室温，得到板坯；
（10）热处理工序：淬火温度850℃，保温时间40 min，水淬；回火温度550℃，保温时间60min，回火结束后空冷得到所述钢板；
（11）对试样进行室温拉伸试验，得到材料力学性能如表3所示。
表3
屈服强度（MPa） 抗拉强度（MPa） 延伸率（%）
1299 1217 15.0

Claims (5)

1.一种海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢，其特征是合金化学成分质量百分比为：C：0.06~0.09%，Si：0~0.1%，Mn：0~0.15%，Ni：9.0~11.0%，Cr：1.5~2.0%，Mo：0.8~1.0%，V：0.03~0.04%，Ti：0.006~0.010%，Al：0.06~0.08%，Nb：0.06~0.08%，Co：7.0~8.0%；
所述的一种海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢的制备方法，在含O浓度为 5~100 PPm的钢熔体中通过喂丝加搅拌的方法喂入φ0.5~3mm的 Al-（1.5～30）wt.％Ti复合铰丝，然后冷却速度大于 500 K/min凝固；在凝固过程中，高于基体合金熔点的 Al2O3和Ti3O5 析出相首先析出，利用强对流将纳米级晶核迅速带离其所产生的区域，破坏其微量元素浓度梯度，使其达不到长大所需的动力学及热力学条件，并控制熔体的流场、浓度场及力场，在熔炼后的材料中产生大量弥散分布的原位纳米相 Al2O3和Ti3O5 ，起到第二相强化作用，提高钢材强度，同时，还能作为异质形核核心，细化夹杂，减小晶粒尺寸，起到细晶强化效果。
2.根据权利要求1所述的一种海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢的制备方法，其特征在于，在含O浓度为 5~100 PPm的钢熔体中通过喂丝加搅拌的方法喂入φ0.5~3mm的Al-（1.5～30）wt.％Ti复合铰丝，然后冷却速度大于 500 K/min凝固；在凝固过程中，高于基体合金熔点的 Al2O3和Ti3O5 析出相首先析出，利用强对流将纳米级晶核迅速带离其所产生的区域，破坏其微量元素浓度梯度，使其达不到长大所需的动力学及热力学条件，并控制熔体的流场、浓度场及力场，在熔炼后的材料中产生大量弥散分布的原位纳米相 Al2O3和Ti3O5 ；通过后续控轧控冷工艺和热处理工艺进一步提升钢的性能。
3.一种权利要求1或2所述的海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢的制备方法，其特征在于，具体工艺过程为：
（1）利用真空熔炼加热方式，将钢合金加热熔化；
（2）钢全部熔化后，再过热 50~100 ℃，待液面稳定后，经测量钢液中氧含量达 5~100PPm 后，炉内通入氩气，加入φ0.5~3mm的 Al-Ti 复合铰丝；
（3）在压力为0.01~0.5MPa 氩气保护下，进行合金熔炼，待 Al-Ti 复合铰丝熔化，保温1~5min 后浇注；
（4）在压力为0.01~0.5MPa 氩气保护下用下浇注，在浇注过程中金属液流动的线速度不低于 1.7m/s ；
（5）控制凝固过程中的冷却速度不低于 500℃ /min ；
（6）金属完全凝固后，得到铸坯；
（7）后续进行控轧控冷，经多道次轧制，总道次压下量为70%~90% ，终轧后放入炉中炉冷至室温，得到板坯；
（8）水淬回火后空冷得到所述钢板；钢的屈服强度≥1200MPa，延伸率≥15%。
4.如权利要求3所述的海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢的制备方法，其特征在于，步骤（7）所述控轧控冷工艺为，在1200℃~1250℃保温 2h，经多道次轧制，初轧及终轧温度区间分别为 1150℃~1200℃ 和 850℃~900℃。
5.如权利要求3所述的海洋工程用原位纳米颗粒增强超高强度钢的制备方法，其特征在于，步骤（8）所述水淬温度为：840℃~860℃，回火温度为500℃~550℃。
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