专利名称：一种高强度中碳纳米结构钢及其制备方法
技术领域：
本发明属于纳米结构钢技术领域。具体涉及一种高强度中碳纳米结构钢及其制备方法。
背景技术：
随着原材料价格的攀升和节能减排要求的提高，钢铁行业越来越重视高强塑积钢的研究与开发，其中纳米结构钢就是研究热点之一。纳米结构钢的强度通常为相应的粗晶粒钢的数倍以上，具有广阔的应用前景，也符合当今低碳排放的发展趋势。制备大块纳米金属的方法包括非晶材料晶化、快速凝固、高能机械研磨、大塑性变形、高能粒子辐照和火花蚀刻等，其中制备纳米结构钢主要是大塑性变形法。日本的Tisuji等人 提出了通过冷轧、退火马氏体起始组织制备低碳纳米钢材的方法(N.Tsuji, R.Ueji, Y.Minamino, Y.Sait0.A new and simple process to obtainnano-structured bulk low-carbon steel with superior mechanical property.Scripta Materialia 46 (2002) 305 - 310)，得到了平均晶粒尺寸为 18(T500nm 的低碳钢(Fe-0.13C-0.37Μη-0.0lSi, wt.%)，其抗拉强度约为870MPa,延伸率也仅为8%，目前这种方法只能适用于低碳钢，同时直接冷轧马氏体组织容易导致钢坯开裂，不利于工业化生产。Wang等米用轧制法(T.S.Wang, Z.Li, B.Zhang, X.J.Zhang, J.M.Deng, F.C.Zhang.High tensile ductility and high strength in ultra ne-grained low-carbon steel.Materials Science and Engineering A 527 (2010) 2798 - 2801),制备出低碳纳米结构钢(Fe-0.12C-1.42Mn-0.24Si，wt.%)，其延伸率虽基本满足要求，但抗拉强度不高，而且在轧制低碳马氏体的过程中同样也会出现开裂的现象，该方法也只能适用于低碳钢。轧制法制备纳米结构钢的工艺为:高温奥氏体化+淬火+冷轧马氏体组织+退火处理，这种工艺制备的纳米结构钢虽然强度高，但直接冷轧马氏体组织，钢材表面容易出现裂纹，尤其是对于中碳钢，这种缺点更突出。国内技术人员对纳米结构钢的研究取得了很大进展，如“块体纳米结构低碳钢及其制备方法”(CN 201010613321.0)采用压缩设备冲击低碳钢块体坯料，使其在102 103/s范围内的高应变速率变形，引起显微结构纳米化，从而制备出块体纳米结构低碳钢，但该技术只能用于体积相对较小的块体纳米钢制备，工艺较为复杂，对设备的要求也比较高，且只适用于低碳钢范围。又如“一种纳米晶粒低碳微合金钢的制备方法”(CN200510047742.0)，该技术采用多道次压缩变形制备微合金钢，其工艺繁琐，对设备要求也比较高，制备出来的纳米结构钢仅限于低碳钢范围。
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、工艺简单和易于工业化生产的高强度中碳纳米结构钢的制备方法，用该方法所制备的高强度中碳纳米结构钢力学性能优良。
为了实现上述目的，具体的技术方案为:先将中碳钢钢坯置于管式炉中，加热至85(Γ950° C，保温3(Γ60分钟，保温过程中通入CO和CO2的混合气体，混合气体中的CO: CO2体积比为1: (3飞)；然后取出钢坯水淬至室温，对水淬后的钢坯进行冷轧，最后将冷轧钢板在45(T650° C条件下进行退火处理，退火时间为30 60分钟。所述中碳钢钢坯的化学成分及其含量是:C为0.4 0.45wt%, Mn为0.63 0.74wt%,Si 为 1.58 1.73wt%, Cr 为 0.65 0.82wt%, V 为 0.03 0.05wt%, Al 为 0.08 0.12wt%,Cu<0.05wt%, P<0.015wt%, S<0.010wt%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。由于采用上述技术方案，本发明将中碳钢钢坯在85(T950° C条件下奥氏体化3(Γ60分钟，在奥氏体化过程中通过CO和CO2的混合气体与钢坯中的碳发生化学反应，对钢坯进行成分梯度处理，钢坯的碳含量从表层到芯部呈抛物线连续变化，表层碳含量低(达到低碳范围)，芯部碳含量高，使得淬火后钢坯表层和芯部分别转变成不同的组织。表层含碳量低将获得贝氏体或铁素体组织，芯部含碳量高将获得马氏体组织。冷轧单一马氏体组织，钢材表面很容易产生裂纹，而贝氏体和铁素体有良好的塑性，冷轧变形时材料表面不会开裂。本发明与现有技术相比，具有显著的优点和积极效果:
1)本发明所采用钢种成分为普通中碳钢的成分，以价格低廉的C、S1、Mn和Cr元素为主，只有少量的Al和V等元素，因此成本低廉；
2)本发明采用的轧制和热处理工艺简单，易操作，不需要额外添加特殊设备，易于实现工业化生产；
3)本发明采用成分梯度处理技术，钢坯水淬后可获得表层为贝氏体或铁素体、芯部为马氏体的复合组织 ，因此钢坯在冷轧时表面不会开裂，克服了冷轧马氏体组织易开裂的缺陷；
4)本发明采用直接冷轧贝氏体或铁素体组织代替直接轧制马氏体组织的技术，克服了轧制法制备纳米结构钢只能应用于低碳钢范围的缺陷，将其扩大到中碳范围；
5)本发明所制备的中碳纳米结构钢的抗拉强度为100(Tll00MPa，延伸率为8 10%;而化学成分和含量相同的普通碳钢的抗拉强度约为40(T500MPa。故本发明制备的中碳纳米结构钢不仅有马氏体钢的高强度特点，还克服了马氏体钢延伸率低的缺陷，拥有良好的塑性，综合性能优于单一的马氏体或贝氏体或铁素体钢，相对于传统热连轧生产的钢的强度提高了一倍以上。因此，本发明具有工艺简单、成本低廉和易于工业化生产的特点，所制备的高强度中碳纳米结构钢力学性能优良。
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
一种高强度中碳纳米结构钢及其制备方法。先将中碳钢钢坯置于管式炉中，加热至85(Γ900° C，保温5(Γ60分钟，保温过程中通入CO和CO2的混合气体，混合气体中的CO: CO2体积比为1:(3 4);然后取出钢坯水淬至室温，对水淬后的钢坯进行冷轧，最后将冷轧钢板在45(T550° C条件下进行退火处理，退火时间为50 60分钟。
本实施例所述中碳钢钢坯的化学成分及其含量是:C为0.4(T0.42wt%, Mn为
0.63 0.66wt%, Si 为 1.58 1.63wt%, Cr 为 0.65 0.70wt%, V 为 0.03 0.05wt%, Al 为
0.08 0.10wt%, Cu〈0.05wt%, Ρ〈0.015wt%, S〈0.010wt%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。本实施例所制备的高强度中碳纳米结构钢的抗拉强度为100(Tl050MPa，延伸率为9.3 10.0%。实施例2
一种高强度中碳纳米结构钢及其制备方法。先将中碳钢钢坯置于管式炉中，加热至87(Γ920° C，保温45 55分钟，保温过程中通入CO和CO2的混合气体，混合气体中的CO: CO2体积比为1:(4 5);然后取出钢坯水淬至室温，对水淬后的钢坯进行冷轧，最后将冷轧钢板在48(T580° C条件下进行退火处理，退火时间为45 55分钟。本实施例所述中碳钢钢坯的化学成分及其含量是:C为0.4f0.43wt%, Mn为
0.65 0.69wt%, Si 为 1.60 1.66wt%, Cr 为 0.67 0.75wt%, V 为 0.03 0.05wt%, Al 为
0.09 0.llwt%, Cu〈0.05wt%, Ρ〈0.015wt%, S〈0.010wt%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。本实施例所制备的高强度中碳纳米结构钢的抗拉强度为101(Tl060MPa，延伸率为
9.Γ10.0%。实施例3
一种高强度中碳纳米结构钢及其制备方法。先将中碳钢钢坯置于管式炉中，加热至89(Γ940° C，保温35 50分钟，保温过程中通入CO和CO2的混合气体，混合气体中的CO: CO2体积比为1: (4.5^5.5);然后取出钢坯水淬至室温，对水淬后的钢坯进行冷轧，最后将冷轧钢板在51(T610° C条件下进行退火处理，退火时间为35 50分钟。本实施例所述中碳钢钢坯的化学成分及其含量是:C为0.42、.44wt%, Mn为
0.67 0.71wt%，Si 为 1.63 1.70wt%，Cr 为 0.70 0.79wt%，V 为 0.03 0.05wt%，Al 为
0.10 0.12wt%, Cu〈0.05wt%, Ρ〈0.015wt%, S〈0.010wt%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。本实施例所制备的高强度中碳纳米结构钢的抗拉强度为103(Tl080MPa，延伸率为8.3 9.6%。实施例4
一种高强度中碳纳米结构钢及其制备方法。先将中碳钢钢坯置于管式炉中，加热至90(Γ950° C，保温3(Γ45分钟，保温过程中通入CO和CO2的混合气体，混合气体中的CO: CO2体积比为1: (5飞)；然后取出钢坯水淬至室温，对水淬后的钢坯进行冷轧，最后将冷轧钢板在540 650° C条件下进行退火处理，退火时间为30 45分钟。本实施例所述中碳钢钢坯的化学成分及其含量是:C为0.43、.45wt%, Mn为
0.69 0.74wt%, Si 为 1.65 1.73wt%, Cr 为 0.75 0.82wt%, V 为 0.03 0.05wt%, Al 为
0.10 0.12wt%, Cu〈0.05wt% , Ρ〈0.015wt%, S〈0.010wt%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。本实施例所制备的高强度中碳纳米结构钢的抗拉强度为105(Tll00MPa，延伸率为
8.0 9.1%。本具体实施方式
将中碳钢钢还在850 950° C条件下奥氏体化30 60分钟,在奥氏体化过程中通过CO和CO2的混合气体与钢坯中的碳发生化学反应，对钢坯进行成分梯度处理，钢坯的碳含量从表层到芯部呈抛物线连续变化，表层碳含量低(达到低碳范围)，芯部碳含量高，使得淬火后钢坯表层和芯部分别转变成不同的组织。表层含碳量低将获得贝氏体或铁素体组织，芯部含碳量高将获得马氏体组织。冷轧单一马氏体组织，钢材表面很容易产生裂纹，而贝氏体和铁素体有良好的塑性，冷轧变形时材料表面不会开裂。本具体实施方式
与现有技术相比，具有显著的优点和积极效果:
1)本具体实施方式
所采用钢种成分为普通中碳钢的成分，以价格低廉的C、S1、Mn和Cr元素为主，只有少量的Al和V等元素，因此成本低廉；
2)本具体实施方式
采用的轧制和热处理工艺简单，易操作，不需要额外添加特殊设备，易于实现工业化生产；
3)本具体实施方式
采用成分梯度处理技术，钢坯水淬后可获得表层为贝氏体或铁素体、芯部为马氏体的复合组织，因此钢坯在冷轧时表面不会开裂，克服了冷轧马氏体组织易开裂的缺陷；
4)本具体实施方式
采用直接冷轧贝氏体或铁素体组织代替直接轧制马氏体组织的技术，克服了轧制法制备纳米结构钢只能应用于低碳钢范围的缺陷，将其扩大到中碳范围；
5)本具体实施方式
所制备的中碳纳米结构钢的抗拉强度为100(Tll00MPa，延伸率为8^10% ;而化学成分和含量相同的普通碳钢的抗拉强度约为40(T500MPa。故本具体实施方式
制备的中碳纳米结构钢不仅有马氏体钢的高强度特点，还克服了马氏体钢延伸率低的缺陷，拥有良好的塑性，综合性能优于单一的马氏体或贝氏体或铁素体钢，相对于传统热连轧生产的钢的强度提高了一倍以上。因此，本具体实施方式
具有工艺简单、成本低廉和易于工业化生产的特点，所制备的高强度中碳纳米结构钢力 学性能优良。
权利要求
1.一种高强度中碳纳米结构钢的制备方法； 其特征在于先将中碳钢钢坯置于管式炉中，加热至85(Γ950° C，保温3(Γ60分钟，保温过程中通入CO和CO2的混合气体，混合气体中的CO = CO2体积比为1: (3飞)；然后取出钢坯水淬至室温，对水淬后的钢坯进行冷轧，最后将冷轧钢板在45(T650° C条件下进行退火处理，退火时间为3(Γ60分钟，制得高强度中碳纳米结构钢； 所述中碳钢钢坯的化学成分及其含量是=C为0.4^0.45wt%,Mn为0.63 0.74wt%, Si为1.58 1.73wt%, Cr 为 0.65 0.82wt%, V 为 0.03 0.05wt%, Al 为 0.08 0.12wt%, Cu〈0.05wt%,Ρ〈0.015wt%, S<0.010wt%，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.一种高强度中碳纳米结构钢，其特征在于所述高强度中碳纳米结构钢是根据权利要求I所述的高强度中碳纳米结构钢制备方法所制备的高强度中碳纳米结构钢。
全文摘要
本发明具体涉及一种高强度中碳纳米结构钢及其制备方法。其技术方案是先将中碳钢钢坯置于管式炉中，加热至850~950°C，保温30~60分钟，保温过程中通入CO和CO2的混合气体，混合气体中的CO:CO2体积比为1:(3~6)；然后取出钢坯水淬至室温，对水淬后的钢坯进行冷轧，最后将冷轧钢板在450~650°C条件下进行退火处理，退火时间为30~60分钟。所述中碳钢钢坯的化学成分及其含量是C为0.4~0.45wt%，Mn为0.63~0.74wt%，Si为1.58~1.73wt%，Cr为0.65~0.82wt%，V为0.03~0.05wt%，Al为0.08~0.12wt%，Cu<0.05wt%，P<0.015wt％，S<0.010wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明工艺简单、成本低廉和易于工业化生产，所制备的中碳纳米结构钢力学性能优良。
文档编号C22C38/34GK103173684SQ20131011453
公开日2013年6月26日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者徐光 , 胡海江, 刘峰, 薛正良, 张云祥 申请人:武汉科技大学