一种低合金超高强度钢及其制备方法.pdf

本发明公开了一种低合金超高强度钢及其制备方法。所属合金按照质量百分比表示为：0.25-0.35％C、1.5-2.5％Si、1.5-2.5％Mn、0.6-0.8％Cr、1.5-2.5％Ni、0.5-0.85％Mo、0.015-0.035％Nb、0.05-0.075％Al，其余为铁。制备步骤：采用磁控钨极非自耗真空熔炼炉冶炼母合金锭；通过热锻锻造成铸棒；低合金超高强度钢热处理。本发明合金初熔温度较低合金元素易于分布均匀，合金含量低，强度高，低温冲击韧性好，抗氧化性能好，合金成本低。

权利要求书
1.  一种低合金超高强度钢，其特征在于，按照质量百分比计，合金成分如下：0.25-0.35％C、1.5-2.5％Si、1.5-2.5％Mn、0.6-0.8％Cr、0.5-1.5％Ni、0.5-0.85％Mo、0.015-0.035％Nb、0.05-0.075％A1，其余为铁。

2.  如权利要求1所述的低合金超高强度钢，其特征在于，按质量百分比计，合金成分如下：0.28-0.346％C、1.8-2.2％Si、1.75-2.25％Mn、0.65-0.85％Cr、0.8-1.25％Ni、0.6-0.85％Mo、0.02-0.035％Nb、0.06-0.07％A1，其余为铁。

3.  一种如权利要求1或2所述的低合金超高强度钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，采用磁控钨极非自耗真空熔炼炉冶炼母合金锭；
第二步，通过热锻锻造成铸棒：将母合金锭加热到1100℃下开始锻造，终端温度850℃，热锻后水淬；
第三步，低合金超高强度钢热处理：在650-750℃范围内进行去应力软化退火，处理时间为2-6小时，冷却方式为空冷；随后，在890-950℃范围内进行高温固溶处理，时间为0.5-2小时，冷却方式为油淬；最后，在180-230℃范围内进行低温回火处理时间为2-5小时，冷却方式为空冷。

4.  如权利要求3所述的低合金超高强度钢的制备方法，其特征在于，第一步中，冶炼电流为350-450A，每次熔炼时间为2-4分钟，共熔炼3-5次。

说明书一种低合金超高强度钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低合金超高强度钢及其制备技术，特别提供了一种低合金、高性能低合金超高强度钢及制备方法，属于低合金超高强度钢的制备领域。
背景技术
超高强度钢以其高强度和优良的综合性能，成为高新技术产业的首选材料，同时，超高强度钢也成为材料领域研究的热点。一般将抗拉强度σb≥1400MPa、屈服强度σs≥1300MPa的结构钢称之为超高强度钢。随着国防科技的发展，超高强度钢已经广泛的应用于火箭的发动机外壳、导弹外壳体、飞机起落架和机身骨架等航空器构件之外，还应用于高压容器和常规武器上的某些构件；另外，超高强度螺栓、汽车中的某些部件、长跨度悬桥的缆绳和其他以减轻重量为目的的机构件等方面。低合金超高强度钢由于合金元素含量低、热加工工艺简单、成本低等优点，成为超高强度钢之中发展最早也是最快的一类钢种。
20世纪50年代，美国首先研制成功了AISI4340钢，为低合金超高强度钢的研究揭开了序幕，但是为了避免低温回火脆性，只能在低温下进行回火处理。目前，所使用的高强度钢绝大部分是AISI4130、AISI4140、AISI433O或者AISII4340钢的改进型钢种。为了解决AISI4340钢的低温回火脆性，1952年，美国国际镍公司在AISI4340钢的基础上，通过添加少量的硅和微量的钒，成功研制出了300M钢，同时也提高了钢的抗延迟破坏性。随着国防对国防要求的不断提高，综合提高钢的综合性能成为研究的重要方向。同时，在300M钢的基础上，通过调节C和V元素的含量，又成功的研制出了D6AC钢。
我国超高强度钢的发展经历了从无到有，从仿制到自主研发的过程。从20世纪50年代，仿制俄罗斯的钢种而成功研制出30CrMnSiNi2A钢到70年代仿制美国钢种而成功的研制出40CrNi2MoA(AISI4340)、40Si2Ni2CrMoVA(300M)、45CrNiMo 1VA(D6AC)，我国研究人员积累了丰富的经验，为自主研发406钢、D406A钢以及40CrMnSiMoVA钢(GC-4)含有少量镍的37Si2MnCrNiMoVA钢、不含铬镍的35Si2Mn2MoVA钢的成功提供了巨大的帮助。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合金含量低、强度高、冲击韧性好的超高强度钢以及制备方法，用于火箭发动机外壳、飞机起落架、机身骨架、高压容器和常规武器等的某些零部件。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种低合金超高强度钢，按照质量百分比计，合金成分如下：0.25-0.35％C、1.5-2.5％Si、1.5-2.5％Mn、0.6-0.8％Cr、0.5-1.5％Ni、0.5-0.85％Mo、0.015-0.035％Nb、0.05-0.075％Al，其余为铁。
进一步的更优选方案是，按质量百分比计，合金成分如下：0.28-0.346％C、1.8-2.2％Si、1.75-2.25％Mn、0.65-0.85％Cr、0.8-1.25％Ni、0.6-0.85％Mo、0.02-0.035％Nb、0.06-0.07％Al，其余为铁。
制备上述低合金超高强度钢的方法，包括如下步骤：
第一步，采用磁控钨极非自耗真空熔炼炉冶炼母合金锭；
第二步，通过热锻锻造成铸棒：将母合金锭加热到1100℃下开始锻造，终端温度850℃，热锻后水淬；
第三步，低合金超高强度钢热处理：在650-750℃范围内进行去应力软化退火，处理时间为2-6小时，冷却方式为空冷；随后，在890-950℃范围内进行高温固溶处理，时间为0.5-2小时，冷却方式为油淬；最后，在180-230℃范围内进行低温回火处理时间为2-5小时，冷却方式为空冷。
其中，第一步中，冶炼电流为350-450A，每次熔炼时间为2-4分钟，共熔炼3-5次。
本发明的设计原理如下：
本发明设计的低合金超高强度钢的设计理念为节约钢中贵金属的用量，尽量实现钢的低成本的生产工艺，合金含量不超过10％，实现钢的抗拉强度达到1900MPa，延伸率＞10％。钢中的合金元素长通过调节钢中碳量来获得较好的强韧性，通过C元素的固溶强化，在回火过程中会析出一定量的ε-碳化物，提高钢的强度，但是过多的碳会造成断裂韧性降低，损害钢的焊接性能。因此，本发明中，C含量为0.25～0.35％.低合金超高强度钢中加入Si，可以将钢的低温回火脆性的回火温度范围推向高温，同时，Si还具有固溶强化的作用，Si含量较低时，固溶强化作用较弱，而过高，则会造成钢的塑性降低，因此，本发明中，Si的含量设计为1.5-2.5％。Mn与Ni的作用相同，有利 于残余奥氏体的保留，提高钢的韧性。因此，可以采用部分Mn代替贵重元素Ni，Mn的含量设计为1.5-2.5％。同时，Ni与Cr、Mo等元素还可以提高钢的淬透性，因此，在节约成本的前提下，Ni的含量设计为0.5-1.5％，Cr含量设计为0.6-0.8％，Mo元素含量在0.5-0.85％范围内可以提高钢的淬透性，防止回火脆性的发生，同时，Mo还能够降低C的活度，阻碍碳化物聚集，确保钢的强度，少量Nb可以细化钢的晶粒，保证钢的强度和韧塑性。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)合金含量低，贵重元素含量少，成本较低。(2)本发明钢的强度高，韧性和塑性好，抗氧化能力好。(3)本发明的冶炼设备简单，熔炼时，电流较低，钢液在较短的时间内姐可以熔炼均匀。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明低合金超高强度钢制备流程图。
图2是本发明实施例1低合金超高强度钢的淬火态组织特征图。
图3是本发明实施例1低合金超高强度钢的回火态组织特征图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做进一步详细的描述。
如图1，本发明的低合金超高强度钢制备流程如下：
(1)合金成分设计
本发明公开了一种低合金超高强度钢以及其制备方法。所属合金按照质量百分比表示为：0.25-0.35％C、1.5-2.5％Si、1.5-2.5％Mn、0.6-0.8％Cr、0.5-1.5％Ni、0.5-0.85％Mo、0.015-0.035％Nb、0.05-0.075％Al，其余为铁。
效果更优的成分如下：0.28-0.346％C、1.8-2.2％Si、1.75-2.25％Mn、0.65-0.85％Cr、0.8-1.25％Ni、0.6-0.85％Mo、0.02-0.035％Nb、0.06-0.07％Al，其余为铁。
(2)母合金熔炼
根据(1)成分设计所得到的不同合金元素之间的质量百分比，采用铁合金制备出所需要的合金。在Ar气氛围下，采用采用磁控钨极非自耗真空熔炼炉冶炼母合金锭，冶炼电流为350-450A，每次熔炼时间为2-4分钟，共熔炼3-5次。
(3)热锻
将制备出来的母合金锭加热到1100℃下开始锻造，终端温度850℃，热锻后水淬。
(4)低合金超高强度钢热处理
低合金超高强度钢的热处理过程：650-750℃/2-6h/空冷+890-950℃/0.5-2h/油淬+180-230℃/2-5h/空冷。
实施例1
(1)合金成分设计
本发明低合金超高强度钢，按质量百分比计，合金成分如下(％)：0.32C、1.8Si、1.85Mn、0.7Cr、1.1Ni、0.79Mo、0.065Al、0.027Nb、0.007S、0.001P、Fe余量。设计合金成分有如下特点：合金总含量6.652％，合金含量低，S、P含量低、贵重元素Ni含量低。难溶元素Mo、Nb含量为0.817％。
(2)母合金熔炼
根据(1)成分设计所得到的不同合金元素之间的质量百分比，采用铁合金制备出所需要的合金。在Ar气氛围下，采用采用磁控钨极非自耗真空熔炼炉冶炼母合金锭，冶炼电流为400A，每次熔炼时间为2-4分钟，共熔炼3-5次。
(3)热锻
将是将母合金锭加热到1100℃下开始锻造，终端温度850℃，热锻成直径为14mm的圆柱后水淬。
(4)低合金超高强度钢的热处理
采用如下工艺进行热处理：680℃/4h/空冷+890℃/2h/油淬+200℃/2h/空冷。
图2是按照上述成分配比和制备方法制备的低合金超高强度钢的淬火态显微组织，图3是低温回火后的回火显微组织。淬火和回火后的显微组织是板条马氏体与针状贝氏体以及少量残余奥氏体的复相组织。板条马氏体的形貌清晰可见，板条与板条之间呈现60°角。
本发明合金经过测试、计算，性能如下：
(1)本发明的合金含量与其他低合金超高强度钢的合金含量相当，含金总量不超过10％，成本低廉。
(2)本低合金超高强度钢的经过奥氏体化后，得到板条马氏体与针状贝氏体以及少量残余奥氏体的复相组织。
(3)本低合金超高强度钢的淬火态洛氏硬度(HRB)为55，回火态洛氏硬度(HRB)为53.4.
(4)本发明经过680℃/4h/空冷+890℃/2h/油淬+200℃/2h/空冷后，抗拉强度达到1890MPa，延伸率12.5％，断面收缩率为62％。
实施例2
(1)合金成分设计
本发明低合金超高强度钢，按质量百分比计，合金成分如下(％)：0.346C、1.98Si、1.75Mn、0.85Cr、1.0Ni、0.8Mo、0.065Al、0.031Nb、0.007S、0.001P、Fe余量。设计合金成分有如下特点：合金总含量6.822％，合金含量低，S、P含量低、贵重元素Ni含量低。难溶元素Mo、Nb含量为0.831％。
(2)母合金熔炼
根据(1)成分设计所得到的不同合金元素之间的质量百分比，采用铁合金制备出所需要的合金。在Ar气氛围下，采用采用磁控钨极非自耗真空熔炼炉冶炼母合金锭，冶炼电流为400A，每次熔炼时间为2-4分钟，共熔炼3-5次。
(3)热锻
将母合金锭加热到1100℃下开始锻造，终端温度850℃，热锻成直径为14mm的圆柱后水淬。
(4)低合金超高强度钢的热处理
采用如下工艺进行热处理：680℃/4h/空冷+920℃/2h/油淬+210℃/2h/空冷。
本发明合金经过测试、计算，性能如下：
(1)本发明的合金含量与其他低合金超高强度钢的合金含量相当，含金总量不超过10％，成本低廉。
(2)本低合金超高强度钢的经过奥氏体化后，得到板条马氏体与针状贝氏体以及少量残余奥氏体的复相组织。
(3)本低合金超高强度钢的淬火态洛氏硬度(HRB)为57，回火态洛氏硬度(HRB)为55.2.
(4)本发明经过680℃/4h/空冷+890℃/2h/油淬+200℃/2h/空冷后，抗拉强度达到1900MPa，延伸率11％，断面收缩率为60％。
实施例3
(1)合金成分设计
本发明低合金超高强度钢，按质量百分比计，合金成分如下(％)：0.3C、2.0Si、1.9Mn、0.7Cr、1.0Ni、0.85Mo、0.07Al、0.031Nb、0.007S、0.001P、Fe余量。设计合金成分有如下特点：合金总含量6.851％，合金含量低，S、P含量低、贵重元素Ni含量低。难溶元素Mo、Nb含量为0.881％。
(2)母合金熔炼
根据(1)成分设计所得到的不同合金元素之间的质量百分比，采用铁合金制备出所需要的合金。在Ar气氛围下，采用采用磁控钨极非自耗真空熔炼炉冶炼母合金锭，冶炼电流为400A，每次熔炼时间为2-4分钟，共熔炼3-5次。
(3)热锻
将母合金锭加热到1100℃下开始锻造，终端温度850℃，热锻成直径为14mm的圆柱后水淬。
(4)低合金超高强度钢的热处理
采用如下工艺进行热处理：680℃/4h/空冷+950℃/2h/油淬+190℃/2h/空冷。
本发明合金经过测试、计算，性能如下：
(1)本发明的合金含量与其他低合金超高强度钢的合金含量相当，含金总量不超过10％，成本低廉。
(2)本低合金超高强度钢的经过奥氏体化后，得到板条马氏体与针状贝氏体以及少量残余奥氏体的复相组织。
(3)本低合金超高强度钢的淬火态洛氏硬度(HRB)为54.5，回火态洛氏硬度(HRB)为53.
(4)本发明经过680℃/4h/空冷+890℃/2h/油淬+200℃/2h/空冷后，抗拉强度达到1880MPa，延伸率11.5％，断面收缩率为61％。
实施例4
(1)本发明低合金超高强度钢，按质量百分比计，合金成分如下(％)：0.28C、1.9Si、2.0Mn、0.75Cr、1.25Ni、0.6Mo、0.065Al、0.035Nb、0.007S、0.001P、Fe余量。设计合金成分有如下特点：合金总含量6.88％，合金含量低，S、P含量低、贵重元素Ni含 量低。难溶元素Mo、Nb含量为0.635％。
(2)母合金熔炼
根据(1)成分设计所得到的不同合金元素之间的质量百分比，采用铁合金制备出所需要的合金。在Ar气氛围下，采用采用磁控钨极非自耗真空熔炼炉冶炼母合金锭，冶炼电流为400A，每次熔炼时间为2-4分钟，共熔炼3-5次。
(3)热锻
将母合金锭加热到1100℃下开始锻造，终端温度850℃，热锻成直径为14mm的圆柱后水淬。
(4)低合金超高强度钢的热处理
采用如下工艺进行热处理：680℃/4h/空冷+950℃/2h/油淬+190℃/2h/空冷。
本发明合金经过测试、计算，性能如下：
(1)本发明的合金含量与其他低合金超高强度钢的合金含量相当，含金总量不超过10％，成本低廉。
(2)本低合金超高强度钢的经过奥氏体化后，得到板条马氏体与针状贝氏体以及少量残余奥氏体的复相组织。
(3)本低合金超高强度钢的淬火态洛氏硬度(HRB)为54.2，回火态洛氏硬度(HRB)为53.
(4)本发明经过680℃/4h/空冷+890℃/2h/油淬+200℃/2h/空冷后，抗拉强度达到1885MPa，延伸率11.5％，断面收缩率为61％。
实施例5
(1)本发明低合金超高强度钢，按质量百分比计，合金成分如下(％)：0.28C、2.2Si、2.25Mn、0.65Cr、0.8Ni、0.75Mo、0.06Al、0.02Nb、0.007S、0.001P、Fe余量。设计合金成分有如下特点：合金总含量7.01％，合金含量低，S、P含量低、贵重元素Ni含量低。难溶元素Mo、Nb含量为0.77％。
(2)母合金熔炼
根据(1)成分设计所得到的不同合金元素之间的质量百分比，采用铁合金制备出所需要的合金。在Ar气氛围下，采用采用磁控钨极非自耗真空熔炼炉冶炼母合金锭，冶炼电流为400A，每次熔炼时间为2-4分钟，共熔炼3-5次。
(3)热锻
将母合金锭加热到1100℃下开始锻造，终端温度850℃，热锻成直径为14mm的圆柱后水淬。
(4)低合金超高强度钢的热处理
采用如下工艺进行热处理：680℃/4h/空冷+950℃/2h/油淬+190℃/2h/空冷。
本发明合金经过测试、计算，性能如下：
(1)本发明的合金含量与其他低合金超高强度钢的合金含量相当，含金总量不超过10％，成本低廉。
(2)本低合金超高强度钢的经过奥氏体化后，得到板条马氏体与针状贝氏体以及少量残余奥氏体的复相组织。
(3)本低合金超高强度钢的淬火态洛氏硬度(HRB)为55.4，回火态洛氏硬度(HRB)为53.8.
(4)本发明经过680℃/4h/空冷+890℃/2h/油淬+200℃/2h/空冷后，抗拉强度达到1895MPa，延伸率12％，断面收缩率为60％。
综上所述，在本专利化学成分范围内，合金的抗拉强度≥1880Mpa，延伸率≥11％，断面收缩率≥60％。