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CN113073264B - 一种高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢及其制备方法 - Google Patents

一种高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢及其制备方法 Download PDF

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CN113073264B CN202110316837.7A CN202110316837A CN113073264B CN 113073264 B CN113073264 B CN 113073264B CN 202110316837 A CN202110316837 A CN 202110316837A CN 113073264 B CN113073264 B CN 113073264B
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Abstract

本发明公开一种高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢及其制备方法，解决了现有2000MPa级钢均匀伸长率难达到10％的瓶颈，且制备过程复杂，效率低下的技术问题。所述高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢中化学成分重量百分比为：C为0.3％～0.4％，Ni为8％～9％，Cr为6.5％～10.0％，Mo为3.0％～6.0％，Mn为0％～2％，Si为0％～2％，Cu为0％～2％，V为0.05％～0.15％，Nb为0.05％～0.15％，余量为Fe。本发明的高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢制备方法，包括：对钢板进行预处理，所述预处理包括固溶处理；对步骤1处理的固溶态钢板进行室温轧制处理；对步骤2处理后的钢板进行温轧处理；对步骤3温轧处理后的钢板进行高温短时退火处理；对步骤4高温短时退火处理后的钢板进行中温长时时效处理。本发明具有抗拉强度＞2000MPa，均匀伸长率＞10％且制备效率高等优点。

Description

一种高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及先进高强钢技术领域，具体涉及一种高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢及其制备方法，该钢种具有优异的强度和塑性。
背景技术
获得高强度高塑性一体化的先进高强钢是钢铁研究始终追求的目标。具有高强度和高塑性的高性能钢的发展由它们在汽车、航空、航天和运输中的广泛结构应用驱动。例如，具有高强度的钢在汽车工业中可提供在碰撞保护方面的高乘客安全性、高重量减轻和节能潜力。但是，高强度钢也需要具有良好延性。例如，在汽车工业中用于制造复杂汽车部件的冷冲压技术需要具有良好延性的钢。
传统的先进高强钢的抗拉强度在1500-2000MPa，但是塑性往往达不到10％。例如中国专利公开号为：CN105568151A《一种铝增强马氏体时效钢及其制备方法》中公开的马氏体时效钢具有2000MPa的优异抗拉强度，但是高强度水平下的均匀伸长率不到5％，总伸长率不足10％，难以满足汽车等行业复杂零件的成型需要。
除了强塑性一体化的要求以外，高效率的制备工艺也是先进高强钢研究中至关重要的一环，例如中国专利公开号：CN109790611A《双相钢及其制造方法》公开了一种具有高强度同时也具有良好延性的先进高强钢，该专利中的双相钢的极限拉伸强度为2300MPa，且对应的总伸长率为16％，满足工业应用需要的强塑性要求，但是其制备过程复杂，需要轧制和退火交替进行，增加了制备该过程所需时间，制备工艺效率较低。
截至目前，先进高强钢研究的瓶颈仍在于：开发具有高强度和高塑性一体化的钢种以及相应的高效率制备工艺。
基于先进高强度钢的现状，有必要对其进行改进，以一种更高效的方式获得高强度且具有良好伸长率的钢。
发明内容
本发明针对钢在工程广泛应用中的制约因素，以及现有制备工艺的复杂性，提供一种高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢及其制备方法。
本发明实现的技术方案如下所示：
一种高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢，以重量百分比计，超高强度钢的化学成分为：
C为0.3％～0.4％，Ni为8％～9％，Cr为6.5％～10.0％，Mo为3.0％～6.0％，Mn为0％～2％，Si为0％～2％，Cu为0％～2％，V为0.05％～0.15％，Nb为0.05％～0.15％，余量为Fe。
本发明优选的高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢，所述超高强度钢的化学成分为：
C为0.4％，Ni为8.0％，Cr为8.0％，Mo为4.0％，Mn为1.0％，Si为1.0％，Cu为2％，V为0.1％，Nb为0.1％，余量为Fe。
本发明优选的高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢，所述超高强度钢中的超细片层厚度为10nm～200nm，所述钢板组织结构为马氏体和奥氏体组织，所述马氏体含量为60％～90％，所述奥氏体含量为10％～40％。
本发明优选的高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢，所述超细片层厚度为20nm～50nm，所述马氏体体积分数占比为70％～80％，奥氏体含量为20％～30％。
本发明通过成分改进，获得了一种马氏体和奥氏体双相的结构组织，且含有超细片层结构，其中，马氏体有利于提高钢的强度，而奥氏体为钢的高均匀伸长率提供贡献，而该超细片层结构的厚度较小，利于进一步提高强度。
一种高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：对钢板进行预处理，所述预处理步骤包括固溶处理得到固溶态钢板；
步骤2：对步骤1预处理的固溶态钢板进行室温轧制处理；
步骤3：对步骤2室温轧制处理后的钢板进行温轧处理；
步骤4：对步骤3温轧处理后的钢板进行高温短时退火处理；
步骤5：对步骤4高温短时退火处理后的钢板进行中温长时时效处理。
本发明优选的高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢的制备方法，所述步骤1中的固溶处理，固溶温度范围为900℃～1200℃，固溶时间范围为1h～6h，冷却方式为水冷。
本发明优选的高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢的制备方法，所述步骤2中的轧制温度为室温，所述轧制量为55％～70％，每道次下轧量＜5％。
本发明优选的高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢的制备方法，所述步骤3中的轧制温度为500℃～700℃，所述冷却方式为空冷，所述轧制量为50％～70％，每道次下轧量＜5％。
本发明优选的高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢的制备方法，所述步骤4中的，退火温度范围为600℃～800℃，保温时间范围为10s～600s，冷却方式为空冷。
本发明优选的高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢的制备方法，所述步骤5中时效处理的温度范围为300℃～500℃，保温时间范围为2h～5h，冷却方式为空冷。
本发明制备的高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢，力学特征在于其拉伸屈服强度范围为1800MPa～2000MPa，极限拉伸强度范围为2000MPa～2200MPa，拉伸均匀伸长率范围为10％～16％。
所述高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢的制备方法的超高强度和极优均匀伸长率的原因在于：与固溶处理钢相比，所述高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢的制备方法轧制经步骤2室温轧制后获得大量片层马氏体组织，之后通过双相区温轧处理得到超细片层双相组织结构，进而使得所述钢板获得高强度。进一步通过高温短时退火处理，保证超细片层结构的同时使得轧制处理后的部分马氏体回复成奥氏体结构，提升所述钢板的塑性。再进行中温长时时效处理，获得析出相为M6C碳化物，所述析出相尺寸为200nm～600nm，进一步提升所述钢板的强度。所述多级轧制和多级热处理最终得到的钢板既具有高强度，又具备极优均匀伸长率。本发明有效解决了现有2000MPa级超高强钢均匀伸长率＜10％的工程应用瓶颈，通过简单有效的制备方式获得高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明通过成分改进配合工艺的改进，制备出了均匀伸长率＞10％的2000MPa级超高强度钢。
2、本发明的制备工艺简单高效，仅需要两步轧制就可以实现高强高均匀延长率的超高强度钢。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是实施例1-2所制备的超高强度钢的拉伸工程应力-应变曲线图。
图2是实施例2所制备的超高强度钢的透射电子显微镜(TEM)明场照片。
图3是实施例3-5所制备的超高强度钢的拉伸工程应力-应变曲线图。
图4是实施例4所制备的超高强度钢的透射电子显微镜(TEM)明场照片。
图5是实施例5所制备的含有析出相超高强度钢的透射电子显微镜(TEM)明场照片。
具体实施方式
下面通过实施例和附图，对本发明做出进一步详细说明。这些实施例仅是对本发明的目的、技术方案和有益效果进行解释，对本发明的范围没有任何限制。
本发明实施例的化学元素成分及重量占比如表1所示：
表1 实施例钢的化学成分
编号 C Ni Cr Mo Mn Si Cu V Nb
实施例1 0.3 8 8 4 2 1 0 0.1 0.1
实施例2 0.3 9 8 4 1 2 0 0.1 0.1
实施例3 0.4 8 8 4 1 1 1 0.1 0.1
实施例4 0.4 9 8 4 2 2 2 0.1 0.1
实施例5 0.4 9 8 4 0 0 2 0.1 0.1
实施例1和实施例2
高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢的制备方法，具体制备步骤流程如下：
步骤1：对所述钢板进行固溶处理；
选用厚度10mm的初始钢板进行固溶处理，固溶温度为1100℃，保温时间为2h，冷却方式为水冷。
步骤2：对步骤1所得的固溶处理钢板进行室温轧制处理；
将步骤1所得钢板进行室温轧制处理得到厚度为3mm的钢板，每道次下轧量＜5％，总累积下轧量约为70％。
步骤3：对步骤2所得室温轧制钢板进行二次温轧；
对步骤2所得的室温轧制钢板再进行温轧，温轧温度为600℃，冷却方式为空冷，得到厚度为1mm的钢板，每道次下轧量＜5％，总累积下轧量约为67％。
步骤4：对步骤3所得钢板进行高温短时退火处理；
将步骤3所得厚度1mm的钢板在箱式炉中进行高温短时退火，退火温度为650℃，退火时间为300s，后空冷至室温。
图1中的虚线为实施例1在轧制方向上的工程应力应变曲线，其力学特征为：屈服强度为1800MPa，抗拉强度为2030MPa，均匀伸长率为10.5％。
图1中的实线为实施例2在轧制方向上的工程应力应变曲线，其力学特征为：屈服强度为1788MPa，抗拉强度为2120MPa，均匀伸长率为12.1％。
图2是实施例2完成步骤4高温短时退火之后所得板材侧面的TEM明场像照片，观察到明显的奥氏体和马氏体组织，奥氏体的存在，为材料的延展性提供了保障，同时还可以发现大量的超细片层组织结构，片层厚度约为23nm。
实施例3、实施例4
步骤1：对所述钢板进行固溶处理；
选用厚度5mm的初始钢板进行固溶处理，固溶温度为1100℃，保温时间为2h，冷却方式为水冷。
步骤2：对步骤1所得的固溶处理钢板进行室温轧制处理；
将步骤1所得钢板进行室温轧制处理得到厚度为2mm的钢板，每道次下轧量＜5％，总累积下轧量约为60％。
步骤3：对步骤2所得室温轧制钢板进行二次温轧；
对步骤2所得的室温轧制钢板再进行温轧，温轧温度为650℃，冷却方式为空冷，得到厚度为1mm的钢板，每道次下轧量＜5％，总累积下轧量约为50％。
步骤4：对步骤3所得钢板进行高温短时退火处理；
将步骤3所得厚度1mm的钢板在箱式炉中进行高温短时退火，退火温度为600℃，退火时间为300s，后空冷至室温。
图3中的点虚线为实施例3在轧制方向上的工程应力应变曲线，其力学特征为：屈服强度为1814MPa，抗拉强度为2017MPa，均匀伸长率为12.1％。
图3中的实线为实施例4在轧制方向上的工程应力应变曲线，其力学特征为：屈服强度为1710MPa，抗拉强度为2023MPa，均匀伸长率为15.2％。
图4是实施例4完成步骤4高温短时退火之后所得板材侧面的TEM明场像照片，同样可以观察到明显的超细片层奥氏体和马氏体组织，其片层厚度约为20nm。
实施例5
本实施例与实施例4的区别在于，在实施例4完成的基础上进行时效处理获得时效相。将实施例4在箱式炉中进行时效处理，时效温度为450℃，时效时间为2.5h，后空冷至室温。
图3中的虚线是本实施案例完成时效之后在轧制方向上的工程应力应变曲线，其力学特征为：屈服强度为1812MPa，抗拉强度为2169MPa，均匀伸长率为11.6％。
图5是本实施案例完成时效之后所得板材侧面的TEM明场像照片，观察与图4时效前相比，马氏体和奥氏体以及超细片层组织结构保留完好，同时存在明显的第二相M6C碳化物。
将上述实施例的性能检测结果汇总于下表2中。
表2.不同实施例的力学性能检测结果
Figure BDA0002991199270000061
通过观察图2和图4的微观组织结构发现，本发明通过二次轧制后高温短时退火处理，材料内部马氏体与奥氏体并存，同时整体呈现明显的超细片层组织结构，从而使得本发明能在保证高强度的同时，还具有优异的塑性。而对比图4和图5，明显发现时效处理后存在析出相，进一步改善材料的强度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢的制备方法，其特征在于，
超高强度钢的制备方法为：
步骤1：对钢板进行预处理，所述预处理步骤包括固溶处理得到固溶态钢板；固溶处理中，固溶温度范围为900℃～1200℃，固溶时间范围为1h～6h，冷却方式为水冷；
步骤2：对步骤1预处理的固溶态钢板进行室温轧制处理；轧制温度为室温，轧制量为55％～70％，每道次下轧量＜5％；
步骤3：对步骤2室温轧制处理后的钢板进行温轧处理；轧制温度为500℃～700℃，冷却方式为空冷，轧制量为50％～70％，每道次下轧量＜5％；
步骤4：对步骤3温轧处理后的钢板进行高温短时退火处理；退火温度范围为600℃～800℃，保温时间范围为10s～600s，冷却方式为空冷；
步骤5：对步骤4高温短时退火处理后的钢板进行中温长时时效处理；时效处理的温度范围为300℃～500℃，保温时间范围为2h～5h，冷却方式为空冷；
以重量百分比计，制得的超高强度钢的化学成分为：
C为0.3％～0.4％，Ni为8％～9％，Cr为6.5％～10.0％，Mo为3.0％～6.0％，Mn为0％～2％，Si为0％～2％，Cu为0％～2％，V为0.05％～0.15％，Nb为0.05％～0.15％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢的制备方法，其特征在于，所述超高强度钢的化学成分为：
C为0.4％，Ni为8.0％，Cr为8.0％，Mo为4.0％，Mn为1.0％，Si为1.0％，Cu为2％，V为0.1％，Nb为0.1％，余量为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的一种高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢的制备方法，其特征在于，所述超高强度钢中的超细片层厚度为10nm～200nm，钢板组织结构为马氏体和奥氏体组织，所述马氏体含量为60％～90％，所述奥氏体含量为10％～40％。
4.根据权利要求3所述的一种高均匀伸长率2000MPa级超高强度钢的制备方法，其特征在于，所述超细片层厚度为20nm～50nm，所述马氏体体积分数占比为70％～80％，奥氏体含量为20％～30％。
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