CN116162766B - 一种装甲钢构件的热成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种装甲钢构件热成形构件及其热成形方法，具体包括以下步骤：首先将切割至合适轮廓的装甲钢板在真空加热炉中加热至900～940℃，保温10～15min，使装甲钢板料内部完全转变为奥氏体组织；其次将完全奥氏体化的高温装甲钢板料从真空加热炉中快速转移至热冲压水冷模具中，在完成冲压成形的同时在模具中注入大量冷却水，使得高温板料在6～8s内降温至300℃以下。监测板料温度，使得板料在低于300℃时以1～2℃/S的冷却速度继续保压9～12S。本发明成形后的构件内部为马氏体+低温贝氏体的复合组织，不仅具有超高的抗拉强度，还具有优良的韧性，最高抗拉强度可达2000～2500MPa，塑性达9～11％。
Description
技术领域
本发明属于热成形工艺技术领域，具体涉及一种装甲钢构件的热成形方法。
背景技术
装甲钢目前广泛应用于现代装甲车辆防护结构的制造中。为了适配于装甲车辆高生存能力、高机动性、轻量化的发展需求，高性能装甲钢研究的重要性被世界各国所认知，高强度、高韧性、高硬度装甲钢的需求越来越紧迫。
动能弹防护能力是目前坦克装甲防护最难攻克的技术难点，需要装甲钢构件具有超高的强度以抵御动能弹的侵入，与此同时需要具有高的韧性以确保装甲可充分吸收动能弹的入侵能量。而强度与韧性是一对物理本质上的矛盾，更高的强度则表现为极低的韧性，而由于韧性的限制也导致了目前应用的装甲板强度一直无法突破 1800MPa。
目前装甲钢的成形工艺是高温淬火与回火相结合，通常将钢板加热到700-900℃，立方铁晶体将从室温形式的铁素体结构转变为其高温形式的奥氏体结构，然后淬火使得奥氏体结构转变为具有较高强度的马氏体结构。硬脆相的马氏体组织保证了成型零部件的超高强度，却使得热成形后的装甲钢构件塑性低成为了一个普遍问题。为了解决装甲钢成形构件“硬脆”的问题，需要对装甲钢构件进行二次热处理工艺-回火，它可以使成形构件的韧性更强，对疲劳裂纹的敏感性降低，但是会显著降低成形构件的强度。有必要开发一种不需要回火的高强度、高韧性装甲钢热成形工艺。
发明内容
本发明目的是解决现有装甲钢成形构件强度高，但是韧性差的问题，在不改变现有成形设备的同时，提供一种制备高强度、高韧性装甲钢构件的热成形工艺。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种装甲钢热成形构件，所述热成形构件内部为马氏体+低温贝氏体的复合组织，其中马氏体组织体积含量大于99%，纳米级低温贝氏体组织含量为0.5%~0.9%，其余为残余奥氏体。
进一步地，所述热成形构件抗拉强度可达2000~2500MPa，塑性达9~11%。
本发明还提供一种装甲钢构件的热成形方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）剪切：选取装甲钢钢板，利用激光切割成合适冲压尺寸；
（2）加热保温：切割好的装甲钢板料在真空加热炉中加热至900~940℃，保温10~15min，使得板料内部完全转变为奥氏体组织；
（3）成形淬火：完全奥氏体化的高温装甲钢板料从真空加热炉中快速转移至热冲压水冷模具中，在完成冲压成形的同时在模具中注入大量冷却水，使得高温板料在6~8s内降温至300℃以下；
（4）等温保压：监测板料温度，使得成形构件在低于300℃时以1~2℃/S的冷却速度继续保压9~12S。
进一步地，步骤（1）中所述的装甲钢化学成分质量百分比为：C：0.45~0.47%; Mn：0.65~0.75%; Si：0.9~1.1%; Cr：0.4~0.45%; Ni：1.95~2.05%；Mo：0.2~0.23%；V：0.05~0.08%；P：≤0.005%; Ti：≤0.02%;S：≤0.003%以及余量的Fe。
进一步地，所述热冲压装甲钢板料厚度为3~6mm。
进一步地，所述步骤（2）中为了防止加热时钢板氧化脱碳，真空加热炉需充入保护器氮气。
进一步地，在步骤（3）中装甲钢板料转移时间为3~7S，转移终了温度不低于550℃。
进一步地，在步骤（3）中装甲钢板料冲压速度为40~80mm/s，摩擦系数为0.1~0.3。
进一步地，在步骤（3）中高温装甲钢板料水淬冷却速率50~100℃/S。
进一步地，步骤（4）中成形构件内部为马氏体+低温贝氏体的复合组织，其中马氏体组织体积含量大于99%，纳米级低温贝氏体组织含量为0.5%~0.9%，其余为残余奥氏体。
与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：
本发明区别于传统的装甲钢热成形工艺，热成形构件高温淬火不进行二次热处理工艺，仅增加短时间等温保压过程，既避免了回火所带来的降低成形构件强度降低的不良后果，也保障了成形构件具有较高的韧性。并且本发明热成形工艺仍可以使用原有热成形设备，仅增加成形构件保温环节，具有工艺简单、效率高，成形构件强度高、韧性高的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明热成形工艺示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明的技术方案。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将结合附图，对本发明进行详细说明，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种装甲钢构件高强韧热成形工艺，具体包括以下步骤：
（1）剪切：选择厚度为4mm的装甲钢钢板，并在激光切割机上成合适的冲压轮廓。
（2）加热保温：切割好的装甲钢板料在真空加热炉中加热至920℃，保温10min，使得板料内部完全转变为奥氏体组织。
（3）成形淬火：完全奥氏体化的高温装甲钢板料从真空加热炉中快速转移至热冲压水冷模具中，转移终了温度为800℃，在完成冲压成形的同时在模具中注入大量冷却水，高温板料在6s内降温至260℃。
（4）等温保压：成形构件继续保压9S，冷却速率为1℃/S。
经过以上工艺步骤，取出成形构件样品，选择3个测点测得结果如下：
| 序号 | 屈服/MPa | 抗拉/MPa | 延伸率 | 冲击韧性/J·cm2 |
| 测点1 | 1450 | 2360 | 11% | 36.2 |
| 测点2 | 1455 | 2362 | 10.8% | 36.0 |
| 测点3 | 1460 | 2364 | 10.7% | 35.9 |
实施例2：
一种装甲钢构件高强韧热成形工艺，具体包括以下步骤：
（1）剪切：选择厚度为4mm的装甲钢钢板，并在激光切割机上成合适的冲压轮廓。
（2）加热保温：切割好的装甲钢板料在真空加热炉中加热至930℃，保温15min，使得板料内部完全转变为奥氏体组织。
（3）成形淬火：完全奥氏体化的高温装甲钢板料从真空加热炉中快速转移至热冲压水冷模具中，转移终了温度为780℃，在完成冲压成形的同时在模具中注入大量冷却水，高温板料在8s内降温至270℃。
（4）等温保压：成形构件继续保压12S，冷却速率为1℃/S。
经过以上工艺步骤，取出成形构件样品，选择3个测点测得结果如下：
| 序号 | 屈服/MPa | 抗拉/MPa | 延伸率 | 冲击韧性/J·cm2 |
| 测点4 | 1600 | 2450 | 9.5% | 24.5 |
| 测点5 | 1605 | 2453 | 9.3% | 24.2 |
| 测点6 | 1610 | 2460 | 9.2% | 23.9 |
实施例3：
一种装甲钢构件高强韧热成形工艺，具体包括以下步骤：
（1）剪切：选择厚度为6mm的装甲钢钢板，并在激光切割机上成合适的冲压轮廓。
（2）加热保温：切割好的装甲钢板料在真空加热炉中加热至940℃，保温15min，使得板料内部完全转变为奥氏体组织。
（3）成形淬火：完全奥氏体化的高温装甲钢板料从真空加热炉中快速转移至热冲压水冷模具中，转移终了温度为820℃，在完成冲压成形的同时在模具中注入大量冷却水，高温板料在7s内降温至280℃。
（4）等温保压：成形构件继续保压12S，冷却速率为1.5℃/S。
经过以上工艺步骤，取出成形构件样品，选择3个测点测得结果如下：
| 序号 | 屈服/MPa | 抗拉/MPa | 延伸率 | 冲击韧性/J·cm2 |
| 测点7 | 1615 | 2495 | 9.2% | 28.1 |
| 测点8 | 1620 | 2500 | 9.0% | 27.8 |
| 测点9 | 1618 | 2496 | 9.1% | 28.0 |
综上，本发明区别于传统的装甲钢热成形工艺，热成形构件高温淬火不进行二次热处理工艺，仅增加短时间等温保压过程，既避免了回火所带来的降低成形构件强度降低的不良后果，也保障了成形构件具有较高的韧性。完全奥氏体化的高温装甲钢板料成形后淬火会产生大量的马氏体组织和残余奥氏体组织，300℃以下的低冷却速率保压使得成形构件内部产生纳米级低温贝氏体。经过本工艺成形后的构件内部为马氏体+低温贝氏体的复合组织，其中马氏体组织含量大于99%，纳米级低温贝氏体组织含量为0.5%~0.9%，其余为残余奥氏体。成形构件不仅具有超高的抗拉强度，还具有优良的韧性，最高抗拉强度可达2000~2500MPa，塑性达9~11%。
装甲板构件的常用厚度可达 3mm 以上，而目前工业生产的热冲压构件一般在2mm以下，钢板厚度的增加将导致升温速率降低并影响完全奥氏体化及合金均匀化的过程。本发明所使用的装甲钢合金含量高于22MnB5，该系列2mm钢板的奥氏体化温度在810℃左右，因此，需要更长的时间和更高的温度使合金元素均匀化。随着加热温度的升高，铁素体和珠光体向奥氏体转变，当加热到一定温度保温时，板料内部可以完全奥氏体化，继续提高加热温度，高温板料内部会形成粗大的奥氏体组织，淬火后会形成粗大的马氏体组织，从而导致成形构件的强度有所下降，既要保证板料加热后可以完全奥氏体化，也要避免粗大的马氏体组织的形成，合适的加热温度为900~940℃。
不同厚度的钢板升温速率不同，所需奥氏体化时间也有所差异，4mm厚钢板在 920℃加热 3min时，钢板微观组织主要为马氏体，说明高温时已基本完成奥氏体化，但还有少量渗碳体未溶解。而随着加热时间延长，未溶解的渗碳体含量逐渐减少，加热时间为7min时，渗碳体完全溶解，钢板完成奥氏体化。而 5mm和6mm厚钢板在920℃加热3min时，钢板微观组织由马氏体和铁素体组成，还有少量渗碳体未溶解，当加热时间增至7min时，铁素体消失，而加热时间为10min时，渗碳体完全溶解，钢板完成奥氏体化。加热保温时间也影响了淬火后产生的马氏体组织，保温时间的延长导致了高温时的奥氏体尺寸长大，淬火后的马氏体尺寸也变大，降低了构件成形后的强度，合适的加热保温时间为10-15min。
冷速速率对抗拉强度的影响不大，但对低温冲击韧性的影响较大。采用水淬时，钢板具有最高的韧性，其原因是在马氏体相变温度范围内降温速率最慢，促进了自回火的发生，有利于形成细小弥散的碳化物，促进C向奥氏体的配分和残余奥氏体的稳定，并释放相变内应力，减少脆性孪晶马氏体的生成，同时冷却时间的减少使得成形构件本身的奥氏体组织只发生再结晶，而不产生回复现象，晶粒较细，合适的淬火速率应大于50-100℃/S。
该装甲钢中淬火产生的马氏体形成温度为270~425℃，贝氏体产生的温度为250~550℃，其中上贝氏体形成温度为350~550℃，下贝氏体产生的温度为250~350℃，下贝氏体组织转变温度较低，碳的扩散困难，故碳化物弥散度高，强化作用大。等温处理中初始温度高于300℃时，不稳定的残余奥氏体易向马氏体转变，不易得到所需的低温贝氏体组织。纳米级贝氏体组织的含碳量低于马氏体组织，其固溶强化作用较马氏体组织较低，因此等温淬火产生的低温贝氏体组织会使成形构件的强度降低，但是韧性有所提高。研究表明，马氏体与少量下贝氏体的复相组织可以在不明显降低材料强度的条件下，改善材料的韧性。等温淬火处理可获得以下贝氏体为主的显微组织，虽然材料的强度略有下降，但是韧性却有较大的提高。相较于单相的马氏体组织，马氏体＋下贝氏体的复合组织的成形构件具有更好的强度和塑性，且不论下贝氏体数量多少，其强度均高于混合定则计算的结果，并非两种组织强度的简单组合。贝氏体组织的转变量与等温时间成正比，要获得高含量的纳米贝氏体组织需要长时间的低温等温处理，短时间的等温保压可以获得较低含量的低温贝氏体，锰钢在300℃等温转变10-100s时，贝氏体组织相对体积分数可达到0.5-1%，因本发明装甲钢碳含量高于正常锰钢，因此生产下贝氏体组织所需要的等温转变时间更短。因此装甲钢在300℃以下以1-2℃/s冷却时，可以获得一种组织及其细小的纳米级贝氏体组织，这种组织超细的贝氏体组织被称为低温贝氏体。因其贝氏体铁素体的厚度达到了纳米级，这种细小的组织极大的提升了成形构件的韧性，少量低温贝氏体+马氏体的复合组织使得成形构件既具有很高的强度，还有优良的韧性。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的干旱区田间暗管布局及淋洗定额的优化方法和装置并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
Claims (7)
1.一种装甲钢构件的热成形方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）剪切：选取装甲钢钢板，利用激光切割成合适冲压尺寸；
步骤（1）中所述的装甲钢化学成分质量百分比为： C：0.45~0.47%; Mn：0.65~0.75%;Si：0.9~1.1%; Cr：0.4~0.45%; Ni：1.95~2.05%；Mo：0.2~0.23%；V：0.05~0.08%；P：≤0.005%; Ti：≤0.02%;S：≤0.003%以及余量的Fe；
（2）加热保温：切割好的装甲钢板料在真空加热炉中加热至900~940℃，保温10~15min，使得板料内部完全转变为奥氏体组织；
（3）成形淬火：完全奥氏体化的高温装甲钢板料从真空加热炉中快速转移至热冲压水冷模具中，在完成冲压成形的同时在模具中注入大量冷却水，使得高温板料在6~8s内降温至300℃以下；
（4）等温保压：监测板料温度，使得成形构件在低于300℃时以1~2℃/S的冷却速度继续保压9~12S。
2.根据权利要求1所述的一种装甲钢构件的热成形方法，其特征在于：所述热冲压装甲钢板料厚度为3~6mm。
3.根据权利要求1所述的一种装甲钢构件的热成形方法，其特征在于：所述步骤（2）中为了防止加热时钢板氧化脱碳，真空加热炉需充入保护器氮气。
4.根据权利要求1所述的一种装甲钢构件的热成形方法，其特征在于：在步骤（3）中装甲钢板料转移时间为3~7S，转移终了温度不低于550℃。
5.根据权利要求1所述的一种装甲钢构件的热成形方法，其特征在于：在步骤（3）中装甲钢板料冲压速度为40~80mm/s，摩擦系数为0.1~0.3。
6.根据权利要求1所述的一种装甲钢构件的热成形方法，其特征在于：在步骤（3）中高温装甲钢板料水淬冷却速率50~100℃/S。
7.根据权利要求1所述的一种装甲钢构件的热成形方法，其特征在于：步骤（4）中成形构件内部为马氏体+低温贝氏体的复合组织，其中马氏体组织体积分数含量大于99%，纳米级低温贝氏体组织含量为0.5%~0.9%，其余为残余奥氏体。
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