专利名称：一种纳米结构的超高强度双相钢及其制造方法
技术领域：
本发明属于超高强度钢技术领域。具体涉及一种纳米结构的超高强度双相钢及其 制造方法。
背景技术：
通常认为，抗拉强度超过1500N/mm2的合金结构钢为超高强度钢。超高强度钢是 在合金结构钢的基础上发展起来的，通过特殊的合金成分和热处理工艺设计，已达到超高 的强度级别，主要用于制造飞机起落架和主梁、固体火箭发动机壳体、高速离心机旋转筒体 和其他承受高应力的结构部件。传统的超高强度钢通常按化学成分和强韧化机制分为(1)低合金超高强度钢，是在合金调质钢基础上发展起来的，其We = 0.30% 0. 45%,wMe = 5%左右。常加入的合金元素有Ni、Cr、Mo、V、Ti、Nb、Al、Si、Mn等，其作用是 提高钢的淬透性、固溶强化、细化晶粒和提高回火马氏体与铁素体的稳定性。通过淬火和回 火或者等温淬火处理，可获得回火马氏体或下贝氏体+回火马氏体的混合组织。这类钢虽 然具有较高的强度和一定的塑性，但由于其中不含残留奥氏体，其塑性远小于TRIP钢(相 变诱导塑性钢)和DP钢(双相钢)。(2) 二次硬化型超高强度钢，系指通过淬火+高温回火后，析出特殊合金碳化物而 达到弥散强化(二次硬化)效果的超高强度钢。主要包括Cr-Mo-V型中碳中合金马氏体热 作模具钢、高韧性9M-4Co型和10M-14CO型高韧性超高强度钢。这类钢含有非常高的贵 重金属Ni、Co等合金元素，合金成本昂贵。(3)马氏体时效钢，即18Ni超低碳马氏体时效钢。它是铁-镍基超低碳高合金超 高强度钢。通过马氏体相变和时效析出金属间化合物而达到强化效果的超高强度钢。这类 钢一般采用真空感应炉熔炼加真空自耗炉重熔的双真空冶炼工艺，该工艺复杂，而且钢中 含有非常高的贵重金属Ni、Mo等合金，合金和生产成本昂贵。(4)超高强度不锈钢，它是在不锈钢基础上发展起来的，具有较高的强度和耐蚀 性。依据其组织和强化机制的不同，也可分为马氏体沉淀硬化不锈钢、半奥氏体沉淀硬化不 锈钢和马氏体时效不锈钢等。这类钢含有很高的Ni、Cr等合金，故其价格也很昂贵。纳米结构的贝氏体钢，由于其显微组织为纳米板条贝氏体，加上存在大量的残留 奥氏体，具有超高的强度、优良的塑性和良好的冲击韧性，其综合机械性能优异。经对现 有的文献和专利检索发现，英国剑桥大学的F. G. Caballero, H. K. D. B. Bhadeshia等人在 "Very Strong Bainite, Current Opinion in Solid and Materials Science,8(2004) p. 251-257. Carbon supersaturation of ferrite in a nanocrystalline bainitic steel, Acta Materialia, 58 (2010) :p. 2338-2343. ”等文章中阐述了纳米贝氏体钢的制备 工艺，获得超高强度纳米结构贝氏体钢。高碳、高硅钢在低温O00 300°C)进行长时间等 温转变可以获得极细小的贝氏体组织，具有超高强度和良好韧性，已经申请多项专利，比如 "METHOD FOR PRODUCING AN IMPROVEDBAINITIC STEEL”(EP 1200638(Al))、“A steel and a heat treatment for steels”(GB2352726(A))、“HIGH STRENGTH BAINITIC STEEL FOR
3OCTG APPLICATIONS” (W02009065432 (Al))等专利技术。但其缺点是热处理时间长(几天 甚至更长)，即使增加增高Y — α自由能的元素Co和(或)Al，也需要数天时间，热处理 工艺周期长。美国科罗拉多矿业大学的J. G. Speer,D. V. Edmonds等人在“Carbon partitioning into austenite after martensite transformation, Acta Materialia,51(2003) p.2611-2622. "Partitioning of carbon from supersaturated plates of ferrite. with application to steel processing and fundamentals of the bainite transformation, Current Opinion in Sol id and Materials Science,8 (2004) p. 219-237. ”等文章中阐述了淬火-碳分配Ο -Ρ)的新型热处理工艺，获得超高强度马氏 体-残留奥氏体钢，淬火到一定温度，然后再进行碳分配处理，利用碳原子从马氏体到残留 奥氏体的分配原理，可以使残留奥氏体富碳，进而在室温下得到稳定的残留奥氏体，具有超 高强度和良好韧性。但其缺点是没有加入强碳化物析出元素，没有引入碳化物的析出强化。中国上海交通大学的钟宁、徐祖耀等人在“高强度Q&P钢和Q-P-T钢的研究，上海 交通大学博士论文，2009. ”、“钢热处理的新工艺，热处理，22 (2007) :ρ· 1-11. ”等文章中阐 述了淬火-碳分配-回火Ο -Ρ-τ)的热处理工艺，获得超高强度纳米结构马氏体钢，低碳和 中碳合金钢经过Q-P-T热处理，由于碳化物的析出强化作用，比Q-P钢有更高的强度，具有 超高的强度，同时保持良好的塑性和韧性，已经申请多项专利，比如“采用碳分配提高钢件 表面硬度的方法” 000610(^9690)、“采用碳分配和回火提高淬火钢件机械性能的热处理方 法”(200710045886)等专利技术。但其缺点是要进行多次盐浴介质热处理，工艺相对复杂； 而且，所得到的残留奥氏体的体积分数一般都小于10%，对韧性和塑性的提高有限。
发明内容
本发明旨在克服上述技术缺陷，目的是提供一种成本低廉、工艺简单、热处理周期 短、性能优良的超高强度纳米结构双相钢及其制造方法。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是先将钢坯在850 1050°C条件下奥 氏体化0. 2 0. 6小时；再在0 100°C条件下进行水浴淬火，保温1. 0 10. 0分钟；然后 在300 600°C条件下进行碳分配+回火，时间为0. 01 1. 0小时；最后水淬至室温。碳分配+回火的介质为盐浴、惰性气氛和微弱还原气氛中的一种。钢坯的化学成分及其含量是:C为0. 71 1. OOwt%, Si为1. 00 2. OOwt%，Mn为 1. 00 2. 00wt%，Cr 为 1. 00 1. 60wt%，Mo 为 0. 05 1. OOwt%,Al 为 0. 05 1. OOwt%, Nb 为 0. 00 0. 2wt %，Ti 为 0. 00 0. 2wt %，V 为 0. 00 0. 2wt %，P < 0. 015wt %， S < 0. OlOwt %，其余为Fe及不可避免的杂质；其中，Si+Mn+Cr+Mo+Al彡6. OOwt %， Nb+Ti+V ( 0. 30wt%o由于采用上述技术方案，本发明是以价格低廉的C、Si、Mn、Cr元素为主，只有少量 的Mo、Al、Nb、V、Ti等元素，故成本低廉；用水浴淬火，之后在惰性气氛、或微弱还原气氛、或 盐浴的条件下进行碳分配+回火的热处理工艺，故热处理工艺简单，整个热处理过程只需 0.3 1.7小时，热处理周期短。本发明制造的超高强度纳米结构双相钢的显微组织是纳米级( IOOnm厚度)的 马氏体板条为基体，弥散分布着残留奥氏体和纳米尺寸( IOnm直径)的碳化物的超细组织。残留奥氏体的体积分数占较大的比例(10 40vOl%)。纳米结构的板条马氏体组织， 具有超高的强韧度和破断抗力；奥氏体为韧度相，分布在马氏体板条上或板条之间，在受到 外力作用下会发生塑性变形，吸收和消耗能量，延缓裂纹的扩展，对提高板材的韧度极其有 利，应力作用较大时会发生相变诱发塑性效应(TRIP效应)，进一步提高钢的强韧度；纳米 尺寸的碳化物，进一步增加其强度。因碳的固溶强化、位错强化、马氏体板条强化、诱发塑性 强化、碳化物的析出强化等，使该钢可达到超高的强度级别；因残留奥氏体成细条状分布， 且体积含量较大，使该钢达到优良的塑性级别，其综合力学性能优异。本发明所制造的超高强度纳米结构双相钢的抗拉强度为1800 2550MPa、硬度为 550 700HV、延伸率为15 30%、断口韧性为20 35MPamV2。所制造的超高强度纳米结 构双相钢相对于纳米结构贝氏体钢，不仅其热处理时间大大缩短，且其强度、硬度、塑性、韧 性高于或相当于纳米结构贝氏体钢；相对于低碳和中碳的纳米结构马氏体钢，其强度和硬 度显著提高，塑性和韧性也高于类似成分的其他钢种。因此，本发明具有成本低廉、工艺简单和热处理周期短的特点，所制备的钢板性能 优良，可广泛应用于制造飞机起落架和主梁、固体火箭发动机壳体、高速离心机旋转筒体和 其他承受高应力的结构部件。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进一步描述，并非对本发明保护范围的限制。实施例1一种纳米结构的超高强度双相钢及其制造方法。先将钢坯在900 1050°C条件下 奥氏体化0. 2 0. 5小时；然后在50 100°C水浴的条件下淬火，保温4. 0 10. 0分钟； 之后在300 500°C的惰性气氛条件下进行碳分配+回火，时间为0. 4 1. 0小时；最后水
淬至室温。钢坯的化学成分及其含量是C为0. 71 0. 90wt%,Si为1. 00 1. 50wt%，Mn为 1. 50 2. 00wt%，Cr 为 1. 00 1. 60wt%，Mo 为 0. 05 0. 60wt%,Al 为 0. 05 0. 60wt%, Nb 为 0. 05 0. 2wt %，Ti 为 0. 05 0. 2wt %，V 为 0. 05 0. 2wt %，P < 0. 015wt %， S < 0. OlOwt %，其余为Fe及不可避免的杂质；其中，Si+Mn+Cr+Mo+Al彡6. OOwt %， Nb+Ti+V ( 0. 30wt%o本实施例所制造的超高强度纳米结构双相钢的抗拉强度为1800 2300MPa，硬度 为550 640HV，延伸率为20 30%，断口韧性为25 35MPam〃2的超高强度纳米结构双 相钢。实施例2一种纳米结构的超高强度双相钢及其制造方法。先将钢坯在870 1020°C条件下 奥氏体化0. 25 0. 55小时；然后在20 80°C水浴的条件下淬火，保温3. 0 9. 0分钟； 之后在350 600°C的微弱还原气氛的条件下进行碳分配+回火，时间为0. 2 0. 7小时；
最后水淬至室温。钢坯的化学成分及其含量是C为0. 75 0. 95wt%,Si为1. 50 2. OOwt%，Mn为 1. 00 1. 50wt%，Cr 为 1. 00 1. 60wt%，Mo 为 0. 40 1. OOwt%,Al 为 0. 40 1. OOwt%, Nb 为 0. 05 0. 2wt%, Ti 为 0. 05 0. 2wt%, P < 0. 015wt%, S < 0. 010wt%，其余为！^及不可避免的杂质；其中，Si+Mn+Cr+Mo+Al 彡 6. 00wt%, Nb+Ti 彡 0. 30wt%。本实施例所制造的超高强度纳米结构双相钢的抗拉强度为2100 2500MPa，硬度 为600 680HV，延伸率为17 27%，断口韧性为23 33MPam〃2的超高强度纳米结构双 相钢。实施例3一种纳米结构的超高强度双相钢及其制造方法。先将钢坯在850 1000°C条件下 奥氏体化0. 3 0. 6小时；然后在0 60°C水浴的条件下淬火，保温1. 0 7. 0分钟；之后 在330 530°C的盐浴的条件下进行碳分配+回火，时间为0. 01 0. 65小时；最后水淬至室温。钢坯的化学成分及其含量是C为0. 80 1. OOwt%, Si为1. 20 1. 70wt%，Mn为 1. 30 1. 80wt%，Cr 为 1. 00 1. 60wt%，Mo 为 0. 10 0. 60wt%,Al 为 0. 10 0. 60wt%, Ti 为 0. 05 0. 2wt%，V 为 0. 05 0. 2wt%,P < 0. 015wt%,S < 0. 010wt%，其余为 Fe 及 不可避免的杂质；其中，Si+Mn+Cr+Mo+Al ( 5. OOwt%, Ti+V ( 0. 30wt%o本实施例所制造的超高强度纳米结构双相钢的抗拉强度为2150 2550MPa，硬度 为630 700HV，延伸率为15 25%，断口韧性为20 30MPam〃2的超高强度纳米结构双 相钢。实施例4一种纳米结构的超高强度双相钢及其制造方法。先将钢坯在850 1000°C条件下 奥氏体化0. 3 0. 6小时；然后在10 70°C水浴的条件下淬火，保温1. 0 8. 0分钟；之 后在300 500°C的盐浴的条件下进行碳分配+回火，时间为0. 1 0. 75小时；最后水淬
至室温。钢坯的化学成分及其含量是C为0. 78 1. OOwt%, Si为1. 20 1. 80wt%，Mn为 1. 20 1. 80wt%，Cr 为 1. 00 1. 60wt%，Mo 为 0. 20 0. 80wt%,Al 为 0. 20 0. 80wt%, Ti为0. 05 0. 2wt%，P < 0. 015wt%, S < 0. OlOwt%，其余为！^及不可避免的杂质；其 中，Si+Mn+Cr+Mo+Al ( 6. OOwt % 本实施例所制造的超高强度纳米结构双相钢的抗拉强度为2100 M50MPa，硬度 为610 680HV，延伸率为18 25%，断口韧性为22 30MPam〃2的超高强度纳米结构双 相钢。由于采用上述技术方案，本具体实施方式
制造的超高强度纳米结构双相钢的显微 组织是纳米级( IOOnm厚度)的马氏体板条为基体，弥散分布着残留奥氏体和纳米尺 寸( IOnm直径)的碳化物的超细组织。残留奥氏体的体积分数占较大的比例(10 40vol%)o纳米结构的板条马氏体组织，具有超高的强韧度和破断抗力；奥氏体为韧度相， 分布在马氏体板条上或板条之间，在受到外力作用下会发生塑性变形，吸收和消耗能量， 延缓裂纹的扩展，对提高板材的韧度极其有利，应力作用较大时会发生相变诱发塑性效应 (TRIP效应)，进一步提高钢的强韧度；纳米尺寸的碳化物，进一步增加其强度。因碳的固溶 强化、位错强化、马氏体板条强化、诱发塑性强化、碳化物的析出强化等，使该钢可达到超高 的强度级别；因残留奥氏体成细条状分布，且体积含量较大，使该钢达到优良的塑性级别， 其综合力学性能优异。本具体实施方式
所制造的超高强度纳米结构双相钢的抗拉强度为1800
62550MPa、硬度为550 700HV、延伸率为15 30%、断口韧性为20 35MPam1/2。所制造的 超高强度纳米结构双相钢相对于纳米结构贝氏体钢，不仅其热处理时间大大缩短，且其强 度、硬度、塑性、韧性高于或相当于纳米结构贝氏体钢；相对于低碳和中碳的纳米结构马氏 体钢，其强度和硬度显著提高，塑性和韧性也高于类似成分的其他钢种。
因此，本具体实施方式
具有成本低廉、工艺简单和热处理周期短的特点，所制备的 钢板性能优良，可广泛应用于制造飞机起落架和主梁、固体火箭发动机壳体、高速离心机旋 转筒体和其他承受高应力的结构部件。
权利要求
1. 一种纳米结构的超高强度双相钢的制造方法，其特征在于先将钢坯在850 1050°C 条件下奥氏体化0. 2 0. 6小时；再在0 100°C条件下进行水浴淬火，保温1. 0 10. 0分 钟；然后在300 600°C条件下进行碳分配+回火，时间为0. 01 1. 0小时；最后水淬至室钢坯的化学成分及其含量是C为0. 71 1.00wt%，Si为1.00 2. OOwt %, Mn为 1. 00 2. OOwt%,Cr ^ 1. 00 1. 60wt%,Mo 为 0. 05 1. 00wt%，Al 为 0. 05 1. OOwt%, Nb 为 0. 00 0. 2wt %，Ti 为 0. 00 0. 2wt %，V 为 0. 00 0. 2wt %，P < 0. 015wt %， S < 0. OlOwt %，其余为Fe及不可避免的杂质；其中，Si+Mn+Cr+Mo+Al彡6. OOwt %， Nb+Ti+V ( 0. 30wt%o
2.根据权利要求1所述的纳米结构的超高强度双相钢的制造方法，其特征在于所述的 碳分配+回火的介质为盐浴、惰性气氛和微弱还原气氛中的一种。
3.根据权利要求1 2项中任一项所述的纳米结构的超高强度双相钢的制造方法所制 造的纳米结构的超高强度双相钢。
全文摘要
本发明涉及一种纳米结构的超高强度双相钢及其制造方法。其方案是先将钢坯在850～1050℃条件下奥氏体化0.2～0.6小时；再在0～100℃条件下进行水浴淬火，保温1.0～10.0分钟；然后在300～600℃条件下进行碳分配+回火，时间为0.01～1.0小时；最后水淬至室温。碳分配+回火的介质为盐浴、惰性气氛和微弱还原气氛中的一种。钢坯的化学成分及其含量是C为0.71～1.00wt％，Si为1.00～2.00wt％，Mn为1.00～2.00wt％，Cr为1.00～1.60wt％，Mo为0.05～1.00wt％，Al为0.05～1.00wt％，Nb为0.00～0.2wt％，Ti为0.00～0.2wt％，V为0.00～0.2wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余为Fe及不可避免的杂质；其中，Si+Mn+Cr+Mo+Al≤6.00wt％，Nb+Ti+V≤0.30wt％。本发明具有成本低廉、工艺简单和热处理周期短的特点，所制备的钢板性能优良、用途广泛。
文档编号C21D1/18GK102127711SQ20111004203
公开日2011年7月20日 申请日期2011年2月22日 优先权日2011年2月22日
发明者万进, 吴开明, 胡锋, 邱金鳌, 郑花 申请人:武汉科技大学