CN116695026A - 一种超高强度合金钢及其制备方法 - Google Patents

一种超高强度合金钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种超高强度合金钢及其制备方法。按重量百分比计，超高强度合金钢的包括C：0.10％～0.25％、Si：1.0％～2.0％、Mn：0.50％～1.5％、Ni：0.3％～1.0％、V：0.2％～0.6％、Cr：0.3％～1.0％、Mo:0.2％～2.0％、Nb：0.1％～0.5％、Al：0.03％～0.30％、Ti：0.1％～0.5％、W：0.1％～0.7％、P：≤0.008％、S：≤0.008％、N：0.003％～0.030％、B：0.001％～0.015％、余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。减少钢中碳和合金元素的含量，并且通过各元素的配合提高了超高强度合金钢的抗拉强度和抗氢脆性能。

Description

一种超高强度合金钢及其制备方法
技术领域
本申请涉及金属材料技术领域，具体涉及一种超高强度合金钢及其制备方法。
背景技术
随着工程机械设备逐渐向大型化、轻量化发展，要求钢材的承载能力不断的提高，以减轻自重增加有效负荷，提高运行速度，节省能源消耗。超超高强度钢就是根据这种需求而发展起来的一种比强度高的结构材料，超超高强度钢是指室温条件下抗拉强度大于1400MPa，屈服强度(或称为规定塑性延伸强度)大于1200MPa的钢，通常还要求具有一定的塑韧性、优异的疲劳性、良好的工艺性和较低的成本。
但一般随着钢的强度增加，其氢脆敏感性增加，即使在较低的氢含量下也极易发生氢脆断裂，而且氢脆断裂是毫无征兆的，断裂时的应力远远低于钢的屈服强度，对工程结构的安全性和可靠性造成严重威胁。目前国内外最常用的超超高强度钢为300M钢，其抗拉强度可达到1960MPa，但需进行电镀或涂层等表面防护后才能在起落架上应用。针对这一问题，高CoNi合金体系的二次硬化型超超高强度钢Aermet 100和Ferrium M54等钢型被开发出来，拥有300M同等强度级别、更高的韧性和更优越的抗应力腐蚀性能，但由于体系中昂贵合金元素的加入和高洁净冶炼工艺的要求，导致这些钢种的成本高昂，无法替代300M为代表的低合金超超高强度钢进行大范围应用，因此急需开发一种抗氢脆且低成本的超超高强度钢。
发明内容
本申请提供了一种超高强度合金钢及其制备方法，以提高合金钢的强度、韧性和抗氢脆能力。
本申请第一方面提供了一种超高强度合金钢，按重量百分比计，超高强度合金钢的包括C：0.10％～0.25％、Si：1.0％～2.0％、Mn：0.50％～1.5％、Ni：0.3％～1.0％、V：0.2％～0.6％、Cr：0.3％～1.0％、Mo:0.2％～2.0％、Nb：0.1％～0.5％、Al：0.03％～0.30％、Ti：0.1％～0.5％、W：0.1％～0.7％、P：≤0.008％、S：≤0.008％、N：0.003％～0.030％、B：0.001％～0.015％、余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
进一步地，按重量百分比计，超高强度合金钢的包括C：0.12％～0.24％、Si：1.3％～1.8％、Mn：0.5％～1.2％、Ni：0.4％～0.9％、V：0.3％～0.5％、Cr：0.4％～0.9％、Mo:0.5％～1.6％、Nb：0.3％～0.5％、Al：0.05％～0.25％、Ti：0.2％～0.4％、W：0.2％～0.5％、P：≤0.008％、S：≤0.006％、N：0.005％～0.025％、B：0.005％～0.012％、余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
进一步地，超高强度合金钢的金相组织以回火板条马氏体或(回火板条马氏体+贝氏体)+弥散分布的碳化物或氮化物+残余奥氏体为主。
进一步地，超高强度合金钢的不充氢抗拉强度≥2000MPa，和/或断后伸长率≥12％，和/或断面收缩率大于40％，和/或冲击功KV2≥40J，和/或晶粒度级别在10级以上；和/或超高强度合金钢的氢脆后抗拉强度≥1980MPa，和/或氢脆后断后伸长率≥10％，和/或氢脆后断面收缩率大于38％。
本申请第二方面提供了一种超高强度合金钢的制备方法，该制备方法包括：步骤S1，按照以下重量百分比计称取原料：C：0.10％～0.25％、Si：1.0％～2.0％、Mn：0.50％～1.5％、Ni：0.3％～1.0％、V：0.2％～0.6％、Cr：0.3％～1.0％、Mo:0.2％～2.0％、Nb：0.1％～0.5％、Al：0.03％～0.30％、Ti：0.1％～0.5％、W：0.1％～0.7％、P：≤0.008％、S：≤0.008％、N：0.003％～0.030％、B：0.001％～0.015％、余量为Fe和其它不可避免的杂质元素；步骤S2，对原料进行冶炼得到铸锭；步骤S3，对铸锭进行轧制，得到板材；步骤S4，对板材进行热处理，得到超高强度合金钢。
进一步地，步骤S4包括：将板材升温至850℃～1050℃进行淬火保温处理0.5～2h，然后淬火冷却至室温，可选地，淬火保温处理的温度为880℃～1050℃，进一步可选地淬火保温处理的温度为920℃～1050℃；将淬火保温处理后的板材升温至200℃～500℃进行回火保温处理1～3h，然后回火冷却至室温得到超高强度合金钢；可选地，回火保温处理的温度为300℃～500℃。
进一步地，步骤S4中以50～150℃/s的速度使板材升温至850℃～1050℃。
进一步地，淬火冷却的冷却速度为30℃/s～300℃/s。
进一步地，淬火冷却的手段为水冷、喷雾冷却或风冷。
进一步地，淬火冷却的冷却方式为分级冷却，分级冷却包括：水冷至350±20℃，然后喷雾冷或风冷至室温；或喷雾冷至350±20℃，然后风冷至室温。
进一步地，回火冷却为空冷。
进一步地，步骤S2包括：将原料加热成铁水后进行脱硫预处理，然后进行转炉冶炼和真空精炼，得到铸锭。
进一步地，脱硫预处理后铁水中硫的质量含量低于0.008％。
进一步地，转炉冶炼过程中对铁水进行电磁搅拌。
进一步地，真空精炼后铸锭中氢质量含量低于1ppm。
进一步地，步骤S3包括：对铸锭进行热轧和冷轧处理，可选地，轧制过程包括：先进行2～5次热轧，总变形量30～50％；然后进行到2～4次冷轧，总变形量10～30％；接着再加热至800～860℃进行2～4次热轧，总变形量15～30％；最后进行2～5次冷轧总变形量10～30％。
本申请减少钢中碳和合金元素的含量，并且通过各元素的配合提高了超高强度合金钢的抗拉强度和抗氢脆性能。尤其是钢中添加Ti、V可以与C、N形成碳化物、氮化物，能有效阻碍钢中位错的移动，提高钢的强度、韧性，并且可作为不可逆氢陷阱阻碍了氢的扩散，能有效提高钢的抗氢脆能力。同时Mo也可与C生成细小的碳化物，亦可增加碳化物氢陷阱以及碳化物和基底界面氢陷阱的数量，综合起来降低了钢的氢扩散系数和氢脆敏感性。Cr和Ni一起添加时可以促进钢中的贝氏体转变，使钢的强度和韧性得到提高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。
图1示出了本申请实施例1制备得到的超高强度合金钢的金相组织显微图片。
图2示出了本申请实施例2制备得到的超高强度合金钢的金相组织显微图片。
图3示出了本申请实施例3制备得到的超高强度合金钢的金相组织显微图片。
图4示出了本申请实施例1制备得到的超高强度合金钢的金相组织中某一位置白色点状物的EDS能谱分析结果。
图5示出了本申请实施例1制备得到的超高强度合金钢的金相组织中另一位置白色点状物的EDS能谱分析结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述用于示例性地说明本申请的原理，但不能用来限制本申请的范围，即本申请不限于所描述的实施例。
如本申请背景技术所分析的，现有技术的超高强度合金钢中加入较多的贵金属元素，导致其成本较高。为了解决该问题，本申请提供了一种超高强度合金钢及其制备方法。
本申请一种实施方式提供了一种超高强度合金钢，按重量百分比计，该超高强度合金钢的包括C：0.10％～0.25％、Si：1.0％～2.0％、Mn：0.50％～1.5％、Ni：0.3％～1.0％、V：0.2％～0.6％、Cr：0.3％～1.0％、Mo:0.2％～2.0％、Nb：0.1％～0.5％、Al：0.03％～0.30％、Ti：0.1％～0.5％、W：0.1％～0.7％、P：≤0.008％、S：≤0.008％、N：0.003％～0.030％、B：0.001％～0.015％、余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
本申请减少钢中碳和合金元素的含量，并且通过各元素的配合提高了超高强度合金钢的抗拉强度和抗氢脆性能。
其中，C是强化元素，其含量越高，钢的强度、硬度就越高，但塑性、韧性也会随之降低。本申请碳含量为0.10％～0.25％之间，优选在0.12％～0.24％之间，以同时提高超高强度合金钢的抗拉强度并同时尽可能实现高韧性。
Si：硅是钢中重要的还原剂和脱氧剂，能提高钢带淬透性和抗回火性，增强钢的耐腐蚀性。因此本申请Si含量控制在1.0％～2.0％之间，优选在1.3％～1.8％之间。
Mn：锰元素是超高强度钢中的主要固溶强化元素之一。在超高强度钢的冶炼过程中，可以与硫元素结合，防止硫化亚铁和硫化夹杂物的形成。本申请Mn含量控制在0.50％～1.5％之间，优选在0.5％～1.2％之间。
Ni：镍是稳定奥氏体元素，主要作用是用来提高钢的韧性。当Ni与Cr一起添加时，可以有效促进贝氏体转变。本申请Ni含量控制在0.3％～1.0％之间，优选在0.4％～0.9％之间，以改善合金钢的强度和韧性。
V：钒在钢中主要以碳化物的形式存在，主要作用是细化钢的组织和晶粒，但是一般会降低钢的淬透性，将V与锰、铬、钼等元素联合使用，可以同时改善合金钢的强度、韧性和抗氢脆能力。本申请V含量应控制在0.2％～0.6％之间，优选在0.3％～0.5％之间。
Cr：铬主要作用是提高钢的淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能。因此本申请Cr含量控制在0.3％～1.0％之间，优选在0.4％～0.9％之间。
Mo：钼元素可起到细化晶粒的作用，细晶粒可同时提高钢的强度和韧性，钼元素还可增大获得贝氏体的冷却速度范围。本申请Mo含量应控制在0.2％～2.0％之间，优选在0.5～1.6％之间，可以充分提高合金钢的抗氢脆性能。
Nb：铌元素可以细化钢中晶粒，降低钢的过热敏感性及回火脆性，改善钢的焊接性能，同时还可提高钢的抗氢脆性能。本申请Nb含量应控制在0.1％～0.5％之间，优选在0.3％～0.5％之间，以使抗氢脆性能得到充分提升。
Al：铝主要用来脱氧和细化晶粒。本申请Al含量应控制在0.03％～0.30％之间，优选在0.05％～0.25％之间。
Ti：钛可以固溶于奥氏体中，提高钢的淬透性，在钢中添加微量的钛元素可提高钢的持久强度，同时钛也是一种良好的脱氧剂和固定氮和碳的有效元素。为了使Ti的作用得到充分发挥，本申请Ti含量应控制在0.1％～0.5％之间，优选在0.2％～0.4％之间。
W：钨在钢中可以形成碳化物，增加钢的回火稳定性。因此本申请W含量应控制在0.1％～0.7％之间，优选在0.2％～0.5％之间。
N:氮与钢中其他元素化合，有沉淀强化的作用。因此本申请N含量应控制在0.003％～0.030％之间，优选在0.005％～0.025％之间。
B:硼主要作用时增加钢的淬透性，可节约镍、铬、钼等元素的使用。但钼能防止或降低回火脆性，而硼有促进回火脆性的倾向，所以不能用硼将钼完全代替。因此本申请B含量应控制在0.001％～0.015％之间，优选在0.005％～0.012％之间。
P:为杂质元素，会导致钢的偏析，增加回火脆性，降低钢的塑性和韧性，导致钢产生冷脆现象。为了尽可能减少P的影响，在一些实施方式中P含量控制在0.008％以下
S:为杂质元素，会降低钢的韧性，导致钢的热脆性增大，为了尽可能减少S的影响，在一些实施方式中S含量控制在0.008％以下，优选在0.006％以下。
尤其是钢中添加Ti、V可以与C、N形成碳化物、氮化物，能有效阻碍钢中位错的移动，提高钢的强度、韧性，并且可作为不可逆氢陷阱阻碍了氢的扩散，能有效提高钢的抗氢脆能力。同时Mo也可与C生成细小的碳化物，亦可增加碳化物氢陷阱以及碳化物和基底界面氢陷阱的数量，综合起来降低了钢的氢扩散系数和氢脆敏感性。Cr和Ni一起添加时可以促进钢中的贝氏体转变，使钢的强度和韧性得到提高。
在一些实施方式中，为了进一步提高超高强度合金钢的抗拉强度和抗氢脆性能，按重量百分比计，超高强度合金钢的包括C：0.12～0.24％、Si：1.3～1.8％、Mn：0.5～1.2％、Ni：0.4～0.9％、V：0.3～0.5％、Cr：0.4～0.9％、Mo:0.5～1.6％、Nb：0.3％～0.5％、Al：0.05～0.25％、Ti：0.2～0.4％、W：0.2％～0.5％、P：≤0.008％、S：≤0.006％、N：0.005～0.025％、B：0.005～0.012％、余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
合金的强度与其金相组织存在直接关系，在一些实施方式中，上述超高强度合金钢的金相组织以回火板条马氏体或(回火板条马氏体+贝氏体)+弥散分布的碳化物或氮化物+残余奥氏体为主，回火板条马氏或(回火板条马氏体+贝氏体)具有较高的强度，同时韧性比马氏体(尤其是针状马氏体)的韧性要好，加上残余奥氏体的存在，使钢具有较好的韧性，可有效提高的钢的抗氢脆能力；而钢中细晶粒+弥散分布的碳化物或氮化物能有效阻碍位错的运动，提高钢的强度，同时作为不可逆氢陷阱阻碍了氢的扩散，能有效提高钢的抗氢脆能力，从而可有效保证钢的超高强度和抗氢脆能力。
在一些实施方式中，超高强度合金钢的不充氢抗拉强度≥2000MPa，和/或断后伸长率≥12％，和/或断面收缩率大于40％，和/或冲击功KV2≥40J，和/或晶粒度级别在10级以上；和/或超高强度合金钢的氢脆后抗拉强度≥1980MPa，和/或氢脆后断后伸长率≥10％，和/或氢脆后断面收缩率大于38％。
抗拉强度和断后伸长率根据GB/T228.1-2021进行测试，冲击功根据GB/T229-2020，选用KV2进行测试，晶粒度根据GB/T 6394-2017进行测试，选用截点法进行评级。
本申请另一种实施方式提供了一种超高强度合金钢的制备方法，该制备方法包括：
步骤S1，按照以下重量百分比计称取原料：C：0.10％～0.25％、Si：1.0％～2.0％、Mn：0.50％～1.5％、Ni：0.3％～1.0％、V：0.2％～0.6％、Cr：0.3％～1.0％、Mo:0.2％～2.0％、Nb：0.1％～0.5％、Al：0.03％～0.30％、Ti：0.1％～0.5％、W：0.1％～0.7％、P：≤0.008％、S：≤0.008％、N：0.003％～0.030％、B：0.001％～0.015％、余量为Fe和其它不可避免的杂质元素
步骤S2，对原料进行冶炼得到铸锭；
步骤S3，对铸锭进行轧制，得到板材；
步骤S4，对板材进行热处理，得到超高强度合金钢。
本申请减少钢中碳和合金元素的含量，并且通过各元素的配合提高了超高强度合金钢的抗拉强度和抗氢脆性能。并且在利用上述制备方法超高强度合金钢时，通过调整工艺参数可以实现对超高强度合金钢的抗拉强度、韧性等的调整。
本申请的制备方法省去了锻造过程，工序简单，生产效率大大提高，还可降低能源消耗和成本，有利于实现工业化生产。
本申请制备方法中各步骤的操作可以参考常规工艺中相应的冶炼、轧制和热处理工艺。
在一些实施方式中，上述步骤S2包括：将原料加热成铁水后进行脱硫预处理，然后进行转炉冶炼和真空精炼，得到铸锭。
通过脱硫预处理减少硫化夹杂物，进而提升产品强度，其中脱硫预处理的方法可以参考现有技术，包括但不限于还原渣脱硫或气化脱硫。优选地，上述脱硫预处理后铁水中硫的质量含量低于0.008％。
为了提高元素混合的均匀性，在一些实施方式中，上述转炉冶炼过程中对铁水进行电磁搅拌。
在真空精炼过程中，可以实现对铁水的脱气、脱磷等杂质元素的进一步去除，真空精炼可以采用常规工艺实现，通过调整真空精炼条件，调整脱气和脱杂的效果，具体的调整方式可以参考现有技术，本申请不再赘述。在一些实施方式中，使真空精炼后铸锭中氢质量含量低于1ppm，以进一步改善超高强度合金钢的抗氢脆性能。
在一些实施方式中，上述步骤S3包括：对铸锭依次进行热轧和冷轧处理，可选地，轧制过程包括：先进行2～5次热轧，总变形量30～50％；然后进行到2～4次冷轧，总变形量10～30％；接着再加热至800～860℃进行2～4次热轧，总变形量15～30％；最后进行2～5次冷轧总变形量10～30％。经过来回热轧和冷轧可以破坏钢锭的铸造组织，细化晶粒，消除组织缺陷，改善钢的力学性能，同时减少钢中的残余应力，提高钢的稳定性、抗疲劳性等。
热处理工艺可以参考常规的热处理方式进行处理，比如进行淬火、回火或正火等处理。在一些实施方式中，步骤S4包括：将板材升温至850℃～1050℃进行淬火保温处理0.5～2h，然后淬火冷却至室温，可选地，淬火保温处理的温度为880℃～1050℃；将淬火保温处理后的板材升温至250℃～500℃进行回火保温处理1～3h，然后回火冷却至室温得到超高强度合金钢，可选地，回火保温处理的温度为300℃～500℃。
在850℃～1050℃进行淬火保温处理0.5～2h，使得钢中的显微组织变为板条马氏体或(板条马氏体+贝氏体)+残余奥氏体+氮化物、碳化物，使得钢的强度得到了大幅提高；然后在250℃～500℃进行回火保温处理1～3h，板条马氏体的分解得到板条马氏体+弥散分布的碳化物，使得钢的韧性和抗氢脆能力得到了提高。因此上述热处理方式进一步改善了钢的强度和抗氢脆能力。
在一些实施方式中，步骤S4中以50℃/s～150℃/s的速度使板材升温至850℃～1050℃，可选地，上述升温速度为60～130℃/s。上述升温速度可保证钢坯在加热过程中整体温度的均匀性，同时使钢的元素进行扩散，减少偏析现象的发生。当温度过快时会使钢的表面和心部温度不同，产生热应力变形或裂纹；当升温速度过慢时，在较高温度下会使钢的晶粒尺寸长大。
在经过淬火保温处理后，进行淬火冷却，本申请上述实施方式的淬火冷却可以采用常用的油淬、盐浴、水淬等快速冷却手段，在一些实施方式中，控制上述淬火冷却的冷却速度为30～300℃/s，以实现合金钢中目标显微组织的转换，进而进一步使得合金钢具有较超高强度、较好的韧性和抗氢脆能力。
在一些实施方式中，上述淬火冷却的手段为水冷、喷雾冷却或风冷。通过调控水冷的水流速度等、调控喷雾冷却的喷雾压力等或调控风冷的风速实现对冷却速度的调整，具体操作可以参考现有技术，在此不再赘述。
上述淬火冷却可以通过一步冷却至室温的方式实现，也可以通过分级冷却的方式实现，在一些实施方式中，淬火冷却的冷却方式为分级冷却，分级冷却包括：水冷至350℃，然后喷雾冷或风冷至室温；或喷雾冷至350℃，然后风冷至室温。通过分级冷却的方式改善超高强度合金钢的韧性。
上述热处理过程中的回火冷却操作也可以以常规回火冷却工艺为参考，在一些实施方式中，上述回火冷却为空冷。以进一步释放应力，提高合金钢韧性。
可以利用本申请的上述制备方法得到本申请前述的超高强度合金钢。
以下将结合实施例和对比例，进一步说明本申请的有益效果，但本发明范围不限于这些实施例。
实施例1
按化学成分质量百分配比计，超高强度合金钢组成：C：0.12％，Si：1.8％；Mn：0.5％，Ni：0.9％，V：0.5％，Cr：0.4％，Mo:1.6％，Nb：0.3％，Al：0.05％，Ti：0.4％，W：0.5％，P：0.008％，S：0.008％，N：0.005％，B：0.012％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
制备方法：
按照上述设计成分进行配比原料，加热成铁水后先进行脱硫预处理至硫质量含量低于0.008％；然后转炉冶炼，冶炼过程中采用电磁进行搅拌，最后进行真空精炼，脱氢处理使氢质量含量低于1ppm，得到铸锭；
将铸锭进行热轧和冷轧，先进行2次热轧，总变形量30％；然后进行到2次冷轧，总变形量20％；接着再加热至860℃进行2次热轧，总变形量15％；最后进行2次冷轧总变形量20％；
将板材以130℃/h升温至1050℃，保温时间为1h，采用水却至350℃，然后喷雾冷至室温，其中控制水冷却的冷却速度为250℃/s，喷水雾冷却的冷却速度为150℃/s，完成淬火处理；
将淬火处理后的板材在300℃进行回火处理1.5h，空冷后即得到抗氢脆的超高强度合金钢。
实施例2
按化学成分质量百分配比计，超高强度合金钢组成：C：0.24％，Si：1.3％；Mn：1.2％，Ni：0.4％，V：0.3％，Cr：0.9％，Mo:0.5％，Nb：0.5％，Al：0.25％，Ti：0.2％，W：0.2％，P：0.005％，S：0.006％，N：0.025％，B：0.005％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
制备方法：
按照上述设计成分进行配比原料，加热成铁水后先进行脱硫预处理至硫质量含量低于0.005％，然后转炉冶炼，冶炼过程中采用电磁进行搅拌，最后进行真空精炼，脱氢处理使氢质量含量低于0.8ppm，得到铸锭；
将铸锭进行热轧和冷轧，先进行5次热轧，总变形量50％；然后进行到4次冷轧，总变形量30％；然后再加热至840℃进行4次热轧，总变形量30％；最后进行5次冷轧总变形量30％；
将板材以60℃/h升温至920℃，保温时间为2h，采用喷水雾冷却至350℃，然后风冷至室温，其中控制喷水雾冷却的冷却速度为200℃/s，风冷的冷却速度为50℃/s，完成淬火处理；
将淬火处理后的板材在500℃进行回火处理2.5h，空冷后即得到抗氢脆的超高强度合金钢。
实施例3
按化学成分质量百分配比计，超高强度合金钢组成：C：0.16％，Si：1.5％；Mn：0.9％，Ni：0.6％，V：0.4％，Cr：0.6％，Mo:0.8％，Nb：0.3％，Al：0.15％，Ti：0.3％，W：0.4％，P：0.006％，S：0.006％，N：0.010％，B：0.009％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
制备方法：
按照上述设计成分进行配比原料，加热成铁水后先进行脱硫预处理至硫质量含量低于0.005％；然后转炉冶炼，冶炼过程中采用电磁进行搅拌，最后进行真空精炼，脱氢处理至氢质量含量低于0.8ppm，得到铸锭；
将铸锭进行热轧和冷轧，先进行3次热轧，总变形量40％；然后进行到3次冷轧，总变形量20％；然后再加热至800℃进行3次热轧，总变形量25％；最后进行4次冷轧总变形量25％；
将板材以90℃/h升温至970℃，保温时间为1.5h，采用风冷至室温，其中控制风冷的冷却速度为60℃/s，完成淬火处理；
将淬火处理后的板材在400℃进行回火处理3h，空冷后即得到抗氢脆的超高强度合金钢。
实施例4
按重量百分比计，超高强度合金钢的组成：C：0.10％、Si：2.0％、Mn：0.50％、Ni：0.3％、V：0.6％、Cr：1.0％、Mo:0.2％、Nb：0.1％、Al：0.30％、Ti：0.5％、W：0.1％、P：≤0.008％、S：≤0.008％、N：0.003％、B：0.015％、余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
制备方法同实施例2。
实施例5
按重量百分比计，超高强度合金钢的组成：C：0.25％、Si：1.0％、Mn：1.5％、Ni：1.0％、V：0.2％、Cr：0.3％、Mo:2.0％、Nb：0.5％、Al：0.03％、Ti：0.1％、W：0.7％、P：≤0.008％、S：≤0.008％、N：0.030％、B：0.001％、余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
制备方法同实施例2。
实施例6
超高强度合金钢组成同实施例2。
制备方法：
按照上述设计成分进行配比原料，加热成铁水后先进行脱硫预处理至硫质量含量低于0.005％，然后转炉冶炼，冶炼过程中采用电磁进行搅拌，最后进行真空精炼，脱氢处理使氢质量含量低于0.8ppm，得到铸锭；
将铸锭进行热轧和冷轧，将铸锭进行热轧和冷轧，先进行5次热轧，总变形量50％；然后进行到4次冷轧，总变形量30％；然后再加热至840℃进行4次热轧，总变形量30％；最后进行5次冷轧总变形量30％；
将板材以40℃/h升温至920℃，保温时间为2h，采用喷水雾冷却至350℃，然后风冷至室温，其中控制喷水雾冷却的冷却速度为200℃/s，风冷的冷却速度为50℃/s，完成淬火处理；
将淬火处理后的板材在500℃进行回火处理2.5h，空冷后即得到抗氢脆的超高强度合金钢。
实施例7
超高强度合金钢组成同实施例2。
制备方法：
按照上述设计成分进行配比原料，加热成铁水后先进行脱硫预处理至硫质量含量低于0.005％，然后转炉冶炼，冶炼过程中采用电磁进行搅拌，最后进行真空精炼，脱氢处理使氢质量含量低于0.8ppm，得到铸锭；
将铸锭进行热轧和冷轧，将铸锭进行热轧和冷轧，先进行5次热轧，总变形量50％；然后进行到4次冷轧，总变形量30％；然后再加热至840℃进行4次热轧，总变形量30％；最后进行5次冷轧总变形量30％；
将板材以170℃/h升温至920℃，保温时间为2h，采用喷水雾冷却至350℃，然后风冷至室温，其中控制喷水雾冷却的冷却速度为200℃/s，风冷的冷却速度为50℃/s，完成淬火处理；
将淬火处理后的板材在500℃进行回火处理2.5h，空冷后即得到抗氢脆的超高强度合金钢。
实施例8
超高强度合金钢组成同实施例2。
制备方法：
按照上述设计成分进行配比原料，加热成铁水后先进行脱硫预处理至硫质量含量低于0.005％，然后转炉冶炼，冶炼过程中采用电磁进行搅拌，最后进行真空精炼，脱氢处理使氢质量含量低于0.8ppm，得到铸锭；
将铸锭进行热轧和冷轧，将铸锭进行热轧和冷轧，先进行5次热轧，总变形量50％；然后进行到4次冷轧，总变形量30％；然后再加热至840℃进行4次热轧，总变形量30％；最后进行5次冷轧总变形量30％；
将板材以60℃/h升温至850℃，保温时间为2h，采用喷水雾冷却至350℃，然后风冷至室温，其中控制喷水雾冷却的冷却速度为300℃/s，风冷的冷却速度为30℃/s，完成淬火处理；
将淬火处理后的板材在200℃进行回火处理3h，空冷后即得到抗氢脆的超高强度合金钢。
实施例9
超高强度合金钢组成同实施例2。
制备方法：
按照上述设计成分进行配比原料，加热成铁水后先进行脱硫预处理至硫质量含量低于0.005％，然后转炉冶炼，冶炼过程中采用电磁进行搅拌，最后进行真空精炼，脱氢处理使氢质量含量低于0.8ppm，得到铸锭；
将铸锭进行热轧和冷轧，将铸锭进行热轧和冷轧，先进行5次热轧，总变形量50％；然后进行到4次冷轧，总变形量30％；然后再加热至840℃进行4次热轧，总变形量30％；最后进行5次冷轧总变形量30％；
将板材以60℃/h升温至880℃，保温时间为2h，采用喷水雾冷却至350℃，然后风冷至室温，其中控制喷水雾冷却的冷却速度为200℃/s，风冷的冷却速度为50℃/s，完成淬火处理；
将淬火处理后的板材在500℃进行回火处理2.5h，空冷后即得到抗氢脆的超高强度合金钢。
实施例10
超高强度合金钢组成同实施例2。
制备方法：
按照上述设计成分进行配比原料，加热成铁水后先进行脱硫预处理至硫质量含量低于0.005％，然后转炉冶炼，冶炼过程中采用电磁进行搅拌，最后进行真空精炼，脱氢处理使氢质量含量低于0.8ppm，得到铸锭；
将铸锭进行热轧和冷轧，将铸锭进行热轧和冷轧，先进行5次热轧，总变形量50％；然后进行到4次冷轧，总变形量30％；然后再加热至840℃进行4次热轧，总变形量30％；最后进行5次冷轧总变形量30％；
将板材以60℃/h升温至1100℃，保温时间为2h，采用喷水雾冷却至350℃，然后风冷至室温，其中控制喷水雾冷却的冷却速度为200℃/s，风冷的冷却速度为50℃/s，完成淬火处理；
将淬火处理后的板材在500℃进行回火处理2.5h，空冷后即得到抗氢脆的超高强度合金钢。
实施例11
超高强度合金钢组成同实施例2。
制备方法：
按照上述设计成分进行配比原料，加热成铁水后先进行脱硫预处理至硫质量含量低于0.005％，然后转炉冶炼，冶炼过程中采用电磁进行搅拌，最后进行真空精炼，脱氢处理使氢质量含量低于0.8ppm，得到铸锭；
将铸锭进行热轧和冷轧，将铸锭进行热轧和冷轧，先进行5次热轧，总变形量50％；然后进行到4次冷轧，总变形量30％；然后再加热至840℃进行4次热轧，总变形量30％；最后进行5次冷轧总变形量30％；
将板材以60℃/h升温至830℃，保温时间为2h，采用喷水雾冷却至350℃，然后风冷至室温，其中控制喷水雾冷却的冷却速度为200℃/s，风冷的冷却速度为50℃/s，完成淬火处理；
将淬火处理后的板材在500℃进行回火处理2.5h，空冷后即得到抗氢脆的超高强度合金钢。
实施例12
超高强度合金钢组成同实施例2。
制备方法：
按照上述设计成分进行配比原料，加热成铁水后先进行脱硫预处理至硫质量含量低于0.005％，然后转炉冶炼，冶炼过程中采用电磁进行搅拌，最后进行真空精炼，脱氢处理使氢质量含量低于0.8ppm，得到铸锭；
将铸锭进行热轧和冷轧，将铸锭进行热轧和冷轧，先进行5次热轧，总变形量50％；然后进行到4次冷轧，总变形量30％；然后再加热至840℃进行4次热轧，总变形量30％；最后进行5次冷轧总变形量30％；
将板材以60℃/h升温至920℃，保温时间为2h，采用喷水雾冷却至350℃，然后风冷至室温，其中控制喷水雾冷却的冷却速度为100℃/s，风冷的冷却速度为70℃/s，完成淬火处理；
将淬火处理后的板材在550℃进行回火处理0.5h，空冷后即得到抗氢脆的超高强度合金钢。
对比例1
按化学成分质量百分配比计，超高强度合金钢组成：C：0.30％，Si：1.8％；Mn：0.5％，Ni：0.9％，V：0.5％，Cr：0.4％，Mo:1.6％，Nb：0.3％，Al：0.05％，Ti：0.4％，W：0.5％，P：0.008％，S：0.008％，N：0.005％，B：0.012％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
制备方法同实施例1。
对比例2
按化学成分质量百分配比计，超高强度合金钢组成：C：0.12％，Si：1.8％；Mn：0.5％，Ni：0.9％，V：0.5％，Cr：0.4％，Mo:1.6％，Nb：0.3％，Al：0.05％，W：0.5％，P：0.008％，S：0.008％，B：0.012％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
制备方法同实施例1。
对比例3
按化学成分质量百分配比计，超高强度合金钢组成：C：0.12％，Si：1.8％；Mn：0.5％，Ni：0.9％，V：0.5％，Cr：0.2％，Mo:0.2％，Nb：0.3％，Al：0.05％，Ti：0.4％，W：0.5％，P：0.008％，S：0.008％，N：0.005％，B：0.0005％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
制备方法同实施例1。
采用以下方式对各实施例和对比例所得超高强度合金钢的性能进行测试。
抗拉强度测试方法：根据GB/T228.1-2021。
氢脆处理：配置充氢溶液：3％NaCl水溶液1L+3g硫代氰酸铵(NH4SCN)，并在室温存放18h待用；然后利用电化学恒电流模式采用充氢电流为5mA/cm2，将拉伸试样置于充氢溶液中，进行72h的充氢，然后将充氢试样置于液氮中保存备用。
氢脆后抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率的测试方法：根据GB/T228.1-2021。
规定塑性延伸强度测试方法：GB/T228.1-2021。
断后伸长率测试方法：根据GB/T228.1-2021。
断面收缩率测试方法：根据GB/T228.1-2021。
冲击功测试方法：根据GB/T229-2020。
金相组织测试方法：根据GB/T13298-2015，其中实施例1至3的超高强度合金钢的金相组织显微图片依次记录在图1至图3中，其中白色的点状物为氮化物、碳化物，而且通过EDS能谱仪也可以检测到氮化物和碳化物的组成，其中，实施例1的氮化物和碳化物的EDS能谱分析结果见图4和图5，图4和图5分别为不同位置的白色点状物的能谱分析结果。
晶粒度测试方法：根据GB/T6394-2017。
经测试，各实施例和对比例的超高强度合金钢的物理机械性能如表1所示。
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Claims (10)

1.一种超高强度合金钢，其特征在于，按重量百分比计，所述超高强度合金钢的包括C：0.10％～0.25％、Si：1.0％～2.0％、Mn：0.50％～1.5％、Ni：0.3％～1.0％、V：0.2％～0.6％、Cr：0.3％～1.0％、Mo:0.2％～2.0％、Nb：0.1％～0.5％、Al：0.03％～0.30％、Ti：0.1％～0.5％、W：
0.1％～0.7％、P：≤0.008％、S：≤0.008％、N：0.003％～0.030％、B：
0.001％～0.015％、余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的超高强度合金钢，其特征在于，按重量百分比计，所述超高强度合金钢的包括C：0.12％～0.24％、Si：1.3％～1.8％、Mn：0.5％～1.2％、Ni：0.4％～0.9％、V：0.3％～0.5％、Cr：0.4％～0.9％、Mo:0.5％～1.6％、Nb：0.3％～0.5％、Al：0.05％～0.25％、Ti：0.2％～0.4％、W：0.2％～0.5％、P：≤0.008％、S：≤0.006％、N：
0.005％～0.025％、B：0.005％～0.012％、余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1或2所述的超高强度合金钢，其特征在于，所述超高强度合金钢的金相组织以回火板条马氏体或(回火板条马氏体+贝氏体)+弥散分布的碳化物或氮化物+残余奥氏体为主，
可选地，所述超高强度合金钢的不充氢抗拉强度≥2000MPa，和/或断后伸长率≥12％，和/或断面收缩率大于40％，和/或冲击功KV2≥40J，和/或晶粒度级别在10级以上；和/或所述超高强度合金钢的氢脆后抗拉强度≥1980MPa，和/或氢脆后断后伸长率≥10％，和/或氢脆后断面收缩率大于38％。
4.一种超高强度合金钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
步骤S1，按照以下重量百分比计称取原料：C：0.10％～0.25％、Si：1.0％～2.0％、Mn：0.50％～1.5％、Ni：0.3％～1.0％、V：0.2％～0.6％、Cr：0.3％～1.0％、Mo:0.2％～2.0％、Nb：0.1％～0.5％、Al：
0.03％～0.30％、Ti：0.1％～0.5％、W：0.1％～0.7％、P：≤0.008％、S：
≤0.008％、N：0.003％～0.030％、B：0.001％～0.015％、余量为Fe和其它不可避免的杂质元素
步骤S2，对所述原料进行冶炼得到铸锭；
步骤S3，对所述铸锭进行轧制，得到板材；
步骤S4，对所述板材进行热处理，得到超高强度合金钢。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
将所述板材升温至850℃～1050℃进行淬火保温处理0.5～2h，然后淬火冷却至室温，可选地，所述淬火保温处理的温度为880℃～1050℃，进一步可选地所述淬火保温处理的温度为920℃～1050℃；
将淬火保温处理后的板材升温至200℃～500℃进行回火保温处理1～3h，然后回火冷却至室温得到所述超高强度合金钢；可选地，所述回火保温处理的温度为300℃～500℃。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中以50～150℃/s的速度使所述板材升温至850℃～1050℃。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述淬火冷却的冷却速度为30℃/s～300℃/s；可选地，所述淬火冷却的手段为水冷、喷雾冷却或风冷；
可选地，所述淬火冷却的冷却方式为分级冷却，所述分级冷却包括：水冷至350±20℃，然后喷雾冷或风冷至室温；
或喷雾冷至350±20℃，然后风冷至室温。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述回火冷却为空冷。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
将所述原料加热成铁水后进行脱硫预处理，然后进行转炉冶炼和真空精炼，得到所述铸锭；
可选地，所述脱硫预处理后铁水中硫的质量含量低于0.008％；
可选地，所述转炉冶炼过程中对铁水进行电磁搅拌；
可选地，所述真空精炼后所述铸锭中氢质量含量低于1ppm。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3包括：对所述铸锭进行热轧和冷轧处理，可选地，所述轧制过程包括：先进行2～5次热轧，总变形量30～50％；然后进行到2～4次冷轧，总变形量10～30％；接着再加热至800～860℃进行2～4次热轧，总变形量15～30％；最后进行2～5次冷轧总变形量10～30％。
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