CN116043126A - 一种高强高韧高熵钢及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强高韧高熵钢及制造方法，化学成分按重量百分比计为：C：0.45％～0.80％，Si：4.5％～6.0％，Mn：21.0％～25.0％，Cr：1.0％～3.0％，Al：4.0％～6.0％，S≤0.005％，P≤0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。工艺流程：转炉冶炼、LF、VD、连铸、板坯缓冷、板坯加热、控制轧制、固溶处理，板坯加热：将连铸板坯加热至1230～1270℃；控制轧制：一阶段开轧温度为1050～1100℃，前三个道次的压下率为20％～23％；二阶段开轧温度≥920℃，控制终轧温度850±20℃，轧后空冷。优点是：钢板具有良好的综合性能。
Description
技术领域
本发明属于高熵钢制造领域，尤其涉及一种高强高韧高熵钢及制造方法。
背景技术
目前对于高熵合金的定义主要有两种：基于成分的定义和基于混合熵的定义。基于成分的定义认为高熵合金是包含5种或以上的主要元素，且每种主要元素的摩尔百分比介于5％到35％之间的一类合金。高熵合金主要的合金体系包括以3d过渡族金属元素(Cr，Mn，Fe，Co，Ni等)为主的3d过渡族高熵合金系列、以难熔金属元素(Nb，Mo，Ta，W，V等)为主的难熔高熵合金系列、轻质高熵合金系列、贵金属高熵合金系列和稀土高熵合金系列等。
受到高熵合金的启发，我们研究了以高构型熵为基础的钢的设计思想，以确立一种单相固溶体基体，研究的目标是Fe-Mn-Al-Si-C系。不同于传统的高熵合金那样使用5种或5种以上的等原子比的成分，我们将平面构型熵转化为金属混合物，确定出固溶体体系，即非等原子比体系。在高熵合金当中，没有任何元素是占主导地位的，但是，在我们这里，我们将这样的概念转化为铁基材料，我们称之为高强高韧高熵钢。
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高强高韧高熵钢及制造方法，成分设计简单，以Mn为主，成本较低，抗拉强度≥800MPa，-60℃V型冲击功≥100J，在满足使用性能的条件下显著降低成本。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种高强高韧高熵钢，化学成分按重量百分比计为：C：0.45％～0.80％，Si：4.5％～6.0％，Mn：21.0％～25.0％，Cr：1.0％～3.0％，Al：4.0％～6.0％，S≤0.005％，P≤0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种高强高韧高熵钢的制造方法，工艺流程包括：转炉冶炼—LF—VD—连铸—板坯缓冷—板坯加热—控制轧制—固溶处理，具体包括以下工艺步骤：
1)板坯加热：将连铸板坯加热至1230～1270℃，保温时间4～6h；
2)控制轧制：控制一阶段开轧温度为1050～1100℃，钢板轧制时前三个道次的压下率为20％～23％；二阶段开轧温度≥920℃，控制终轧温度850±20℃，轧后空冷；
3)固溶处理：将室温钢板进加热炉，在1000～1100℃保温3～5min/mm，出炉后立即水冷淬火。
在转炉+LF+VD精炼过程中，LF炉造还原渣脱硫，钢液在VD真空炉内脱气，VD炉的保压时间为20～25min，[H]≤2ppm，[O]≤20ppm。
在连铸过程中全程保护浇注。
所述的板坯缓冷：连铸坯进缓冷坑缓冷。
所述的缓冷的时间≥48小时。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
高熵合金当中很少使用间隙元素，这里，我们却需要重视C在面心立方固溶体相中的作用。高强高韧高熵钢具有优异的机械性能，如：非常好的延展性和低温韧性，强度超过800MPa。通过调整堆垛层错能，可以获得非常好的组织稳定性。考虑到高强高韧高熵钢具有成本低、易加工、力学性能突出以及适用范围广等优点，这种具有高延展性的钢铁结构/功能一体化材料将具有广阔的应用前景。具优点是：
1)采用发明方法制造的高强高韧高熵钢，其屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥800MPa，延伸率≥70％，-60℃V型冲击功≥100J；钢板具有良好的综合性能，满足用户的使用要求；
2)本发明成分设计简单，以Mn为主，成本较低，添加少量的Si、Al、Cr元素，产生固溶强化和沉淀强化效果，提高钢的强度，Al的加入降低了钢的密度；
3)采用洁净钢冶炼工艺，降低钢中气体、P、S及非金属夹杂物含量，结合铸坯缓冷工艺，获得了内外部质量优良的连铸坯；
4)采用控制轧制工艺，有效细化轧态组织；
5)本发明方法形成单一的面心立方组织，轧后固溶处理大幅度提高了钢的综合性能。
具体实施方式
下面对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
高强高韧高熵钢，化学成分按重量百分比计为：C：0.45％～0.80％，Si：4.5％～6.0％，Mn：21.0％～25.0％，Cr：1.0％～3.0％，Al：4.0％～6.0％，S≤0.005％，P≤0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。
根据对固溶体价电子浓度VEC的观察结果统计，VEC≥8形成稳定的面心立方相。非等原子比Fe-Mn基高熵钢在只计算置换元素时其价电子浓度为7-8，但是，如果计算时加上间隙元素，如C，高熵钢的价电子浓度将大于8。
高强高韧高熵钢中：
碳：间隙元素C可以提高面心立方固溶体的稳定性，其原理就是其对价电子浓度的影响，同时C直接影响钢的强度，但是，碳含量过高对钢的冷脆性及焊接性能影响不利，综合考察，将碳含量控制在0.45％～0.80％；
硅：硅元素一是对于提高钢的价电子浓度有很大的作用，二是可提高钢的淬透性和基体强度，三是Si会对奥氏体产生固溶强化作用，过冷奥氏体的切变强度增强，引起Ms点降低，本发明添加适量Si元素，一方面避免出现比较严重的偏析情况，另一方面增强奥氏体的稳定性，将其含量控制在4.5％～6.0％；
锰：独立元素的VEC值Mn是7，Mn是形成面心立方相的主导元素，也是高熵钢获得高延展性和低温韧性的主要来源，将锰含量应控制在21.0％～25.0％；
铬：Cr可以提高钢的强度和耐蚀性能，将铬含量控制在1.0％～3.0％；
铝：铝可以产生明显的沉淀强化效果，并降低钢的密度，将铝含量控制在4.0％～6.0％；
硫：硫在钢中易形成FeS和MnS夹杂，MnS在热轧过程中沿着轧制方向伸长，使得硫易切削钢的横向力学性能显著降低，加剧了钢材的各向异性，同时它导致基体内部产生空洞并成为氧化向纵深发展的通道，显著降低钢的韧性，因此，应尽量降低钢中的硫含量；
磷：磷容易在奥氏体晶界发生偏析使基体材料晶界上原子间结合力减弱，破坏基体的连续性，显著降低钢的韧性，使焊接性能变坏，易产生冷脆，应尽量降低钢中的磷含量。
高强高韧高熵钢的生产工艺：转炉冶炼—LF—VD—连铸—板坯缓冷—板坯加热—控制轧制—固溶处理，具体包括以下步骤：
1)转炉+LF+VD精炼：LF炉造还原渣脱硫，减少夹杂，调整成分。然后，钢液在VD真空炉内脱气，保证VD炉的保压时间为20～25min。测定H、O含量，保证[H]≤2ppm，[O]≤20ppm；
2)连铸：全程保护浇注，减少连铸过程的二次氧化，降低钢中的夹杂物含量，提高钢的纯净度；
3)板坯缓冷：连铸坯进缓冷坑缓冷，使铸坯中的气体得到充分的扩散排出，最大程度降低铸坯气体含量，缓冷时间≥48小时；
4)板坯加热：将连铸板坯加热至1230～1270℃，保温时间4～6h，合金含量高通常需要高加热温度、长保温时间使合金元素在基体中充分固溶，改善板坯成分不均匀性，减轻成分偏析；
5)控制轧制：控制一阶段开轧温度为1050～1100℃，钢板轧制时前三个道次的压下率为20％～23％，采用大压下率可以提高变形渗透深度，使粗大的柱状晶得以破碎，形成细小均匀的晶粒，二阶段开轧温度≥920℃，为避免终轧温度过高导致轧态组织粗大，控制终轧温度850±20℃，轧后空冷；
6)固溶处理：将室温钢板进加热炉，在1000～1100℃保温3～5min/mm，出炉后立即水冷淬火，可消除沿晶界分布的未溶碳化物和带状碳化物，细化晶粒，得到组织和成分均匀一致的全奥氏体组织。
高强高韧高熵钢的冶炼采用转炉+LF+VD精炼，保证了对钢成分和钢中气体含量的精确控制；连铸过程全程保护浇注和板坯缓冷，保证了铸坯的内部质量；控制轧制细化热轧态组织；离线固溶处理可以大幅度提高钢的综合性能。
实施例
高强高韧高熵钢及制造方法，表1为高强高韧高熵钢冶炼、连铸、缓冷工艺，表2为高强高韧高熵钢化学成分，表3为高强高韧高熵钢轧制工艺，表4为高强高韧高熵钢固溶工艺，表5为高强高韧高熵钢性能。
钢的冶炼、连铸、缓冷见表1。
表1高强高韧高熵钢冶炼、连铸、缓冷
钢板成分见表2。
表2高强高韧高熵钢化学成分(余量为Fe及杂质)wt％
| C | Si | Mn | Cr | Al | P | S | |
| 实施例1 | 0.52 | 5.03 | 22.5 | 2.60 | 4.50 | 0.0060 | 0.0020 |
| 实施例2 | 0.65 | 4.68 | 23.6 | 2.05 | 5.50 | 0.0055 | 0.0017 |
| 实施例3 | 0.78 | 5.56 | 24.6 | 1.55 | 5.80 | 0.0056 | 0.0018 |
| 实施例4 | 0.45 | 4.50 | 21.0 | 2.78 | 4.30 | 0.0056 | 0.0020 |
| 实施例5 | 0.49 | 5.72 | 25.0 | 2.22 | 4.90 | 0.0058 | 0.0019 |
| 实施例6 | 0.66 | 5.16 | 24.5 | 1.85 | 5.65 | 0.0060 | 0.0019 |
轧制工艺见表3。
表3高强高韧高熵钢轧制工艺
钢的固溶工艺见表4。
表4高强高韧高熵钢固溶工艺
钢板性能见表5。
表5高强高韧高熵钢性能
Claims (6)
1.一种高强高韧高熵钢，其特征在于，化学成分按重量百分比计为：C：0.45％～0.80％，Si：4.5％～6.0％，Mn：21.0％～25.0％，Cr：1.0％～3.0％，Al：4.0％～6.0％，S≤0.005％，P≤0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高强高韧高熵钢的制造方法，其特征在于，工艺流程包括：转炉冶炼—LF—VD—连铸—板坯缓冷—板坯加热—控制轧制—固溶处理，具体包括以下工艺步骤：
1)板坯加热：将连铸板坯加热至1230～1270℃，保温时间4～6h；
2)控制轧制：控制一阶段开轧温度为1050～1100℃，钢板轧制时前三个道次的压下率为20％～23％；二阶段开轧温度≥920℃，控制终轧温度850±20℃，轧后空冷；
3)固溶处理：将室温钢板进加热炉，在1000～1100℃保温3～5min/mm，出炉后立即水冷淬火。
3.根据权利要求2所述的一种高强高韧高熵钢的制造方法，其特征在于，在转炉+LF+VD精炼过程中，LF炉造还原渣脱硫，钢液在VD真空炉内脱气，VD炉的保压时间为20～25min，[H]≤2ppm，[O]≤20ppm。
4.根据权利要求2所述的一种高强高韧高熵钢的制造方法，其特征在于，在连铸过程中全程保护浇注。
5.根据权利要求2所述的一种高强高韧高熵钢的制造方法，其特征在于，所述的板坯缓冷：连铸坯进缓冷坑缓冷。
6.根据权利要求5所述的一种高强高韧高熵钢的制造方法，其特征在于，所述的缓冷的时间≥48小时。
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