专利名称：一种优化合金配置的中合金超高强度钢的制作方法
技术领域：
本发明属于合金钢技术领域，涉及一种优化合金配置的中合金超高强度钢，其中合金元素的合理配置使强韧性水平达到了高合金二次硬化钢的水平，并且材料成本与低合金超高强度钢相当，特别适合在大型结构件上使用。
背景技术：
超高强度钢的技术发展对于社会和经济发展具有重要的地位，现有的三类超高强度钢为低合金超高强度钢、高合金二次硬化超高强度钢和马氏体时效钢，其发展前景如下 低合金超高强度钢越来倾向于多元合金化提高强韧性，如从Cr、Ni、Mo合金化的AISI 4340 超高强度钢演变出Cr、Ni、Mo、Si合金化的300M ；高合金二次硬化超高强度钢依靠材料洁净化提高强韧性，如现有的AF1410、AerMetl00等，除进一步降低有害杂质元素外，将Si、Mn 等也视为杂质元素来控制，因此其强韧性高于早期的HY180、9Ni-4Co和F175 (9Ni-5Co)等， 但在提高强韧性的同时，材料成本也越来越高；传统的含钴18NU250)、ISNi (300)等马氏体时效钢强韧性最好，但因含有较多的Co、Ni和Mo，材料成本十分昂贵，目前主要以降低材料成本为研究目标，如无钴T200、T250马氏体时效钢的开发。总之，传统的三类超高强度钢强韧性潜力已十分有限，即使再有提高也会使材料成本进一步提升。因此，开发多元合金配置的中合金超高强度钢已成为超高强度钢重要的发展方向。上世纪末研制的中合金G50超高强度钢5% Ni、1.9% Si、1.0% Cr、0. 6% Mo)，其强韧性水平超过9Ni-5Co(F17Q高合金二次硬化超高强度钢，但材料成本低50%以上；近期研制的G31超高强度钢(3. 3% CrU. 0% NiU. 4% Si、0. 5% Mo)强韧性水平与G50 钢相当，材料成本进一步下降。本发明研制了 Cr、Ni、Mo、Si和W多元优化配置的中合金超高强度钢，其中W与其它合金元素的合理配置使强韧性水平再提高一个层次，但材料成本仅与AISI 4340、300M和30CrMnSiNi2等低合金超高强度钢相当，因此具有明显的优势。其中，表1为本发明与上述几种现有钢种的主要合金元素表。表1本发明与对比钢主要合金元素(maSS% )
钢种CCoNiCrMoWSiMn9Ni-5Co0. 205. 59. 02. 02. 0///AF14100. 1614. 010. 02. 01. 0///G500. 28/4. 51. 00. 6/1. 90. 6本发明0. 30/1. 03. 40. 50. 71. 40.
发明内容
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本发明的目的是提供一种优化合金配置的超高强度钢，其通过对合金元素Cr、Ni、 Mo,Si和W的合理配置使本发明的超高强度钢的强韧性水平达到了高合金二次硬化钢的水平，并且材料成本仅与低合金超高强度钢相当。本发明的设计思路在于众所周知，碳以间隙原子的方式溶入马氏体内，虽然有效的提高了强度，但其代价是牺牲了韧性，因此，本发明的合金设计考虑用多种置换合金元素通过固溶强化来提高强度，并且这种强化不明显牺牲韧性。所以，本发明在包括Cr、Ni、Mo、 Si的中合金钢基础上添加W，以进一步以置换合金元素通过固溶强化来提高强度。另外， 通过研究得到Cr、Ni、Mo、Si和W之间的合理配置使发明钢的强韧性水平再提高一个层次。 Cr、Si和W的协同作用不仅提高强韧性水平，而且有利于抑制大型构件心部下贝氏体内碳化物的析出，有利于保证大型构件的韧性，因此特别适合于大型结构件使用。发明钢中添加微量的Nb或V阻止锻造和热处理过程中奥氏体晶粒长大，具有间接提高强韧性的作用。为了实现上述发明目的，根据本发明的上述设计思路，本发明提供了如下技术方案一种优化合金配置的中合金超高强度钢，其中，该钢的化学成分按质量百分数为C :0. 20-0. 40 %, Mn :0. 3-2. 0 %, Si 1. 25-2. 25 %, Cr 3. 25-5. 0 %, Ni 0. 5-2. 5 %, Mo 0. 3-1. 0%, W 0. 3-2. 0%, Nb 0. 01-0. 10 %禾口 / 或 V 0. 05-0. 3 %, S ^ 0. 008 %, P
彡0.01%，其余为Fe。该钢的力学性能满足抗拉强度Rm :1730-1850MPa,屈服强度Rpa2 1400-1470MPa, 延伸率A :12-14 %，断面收缩率Z :55-62.5 %，冲击韧性Aku2 :75-83J，断裂韧性Kic 142-167MPa · m1/2。该钢的化学成分按质量百分数满足0. 6%彡Mo+ff彡3%。上述化学成分的设计依据如下C是设计钢的强化元素，但提高碳含量会显著降低韧性，因此，本发明中的碳含量低于现有低合金超高强度钢，要求碳含量在0. 20-0. 40%之间。Cr是设计钢的主要合金元素，具有固溶强化作用。而且Cr可以提高钢的淬透性， 并使贝氏体转变温度下移，有利于提高大型结构件内部的韧性。然而，太高的Cr含量降低钢的热传导性，淬火时引起较大的热应力，考虑到与其它合金元素的合理配置，要求控制在 3. 25-5. 0%oNi作为设计钢的合金元素之一，用以提高淬透性和降低冷脆转变温度。过高的Ni 增加材料成本，降低马氏体相变温度(Ms)、增加孪晶马氏体的比例损害韧性，因此，本发明中Ni的含量控制在0. 5-2. 5%之间。Mo是设计钢的重要合金元素，具有抑制有害杂质原子和非金属夹杂物在晶界偏聚的作用，同时具有固溶强化、提高回火抗力和抑制回火脆性的作用，但过高的Mo会导致淬火加热时残留合金碳化物、损害钢的韧性，而且也影响材料的经济性，因此要求控制在 0. 3-1. 0%之间。Si作为设计钢的合金元素之一，具有显著的固溶强化作用，同时提高钢的回火抗力并且抑制大型结构件内部下贝氏体组织内析出碳化物，有利于提高韧性。但过多的Si降低Mo和W在奥氏体状态的溶解度，导致淬火加热时残留合金碳化物、损害钢的韧性，因此要求控制在1. 25-2. 25%之间。
W是设计钢的重要合金元素，具有显著的固溶强化作用，W与Mo —样具有净化晶界、提高回火抗力和抑制回火脆性的作用。但过高的W会导致淬火加热时残留合金碳化物， 同时也具有偏析倾向，因此要求控制在0. 3-2. 0%之间。Nb和V均属于微量元素，要求分别控制在0.01-0. 10%和0.05-0. 3%，可以同时加入Nb和V两种元素，也可以加入其中的一种，主要形成(Nb，V) (C, N)阻止锻造和热处理加热过程中的晶粒长大。发明钢中添加Mn，主要是与杂质元素S结合，避免形成低熔点的!^eS等损害钢的强韧性，适当提高Mn也有固溶强化作用，因此发明钢Mn控制在0. 3-2. 0%。发明钢有害杂质元素要求S ^ 0.008%，P 彡0.01%。与现有超高强度钢技术相比，本发明的有益效果在于(1)本发明不再按照传统的方法提高强韧性，而采用以C、Cr、Si和W强化的中合金超高强度钢，W与其它合金元素的合理配置使强度显著提高的情况下，韧性损失很小，因此， 强韧性不仅显著高于现有低合金超高强度钢，已达到和超过部分高合金二次硬化超高强度钢。(2)在现有的冶炼和加工设备条件下即可实现工业化生产，不需任何支撑技术和设备。(3)本发明的材料成本较低，仅与30CrMnSiNi2A等低合金超高强度钢相当。本发明采用与现有冶炼、加工技术相似的制备方法既可用真空感应炉熔炼，也可采用电弧炉熔炼+炉外精炼，必要情况下进行电渣重熔或真空自耗重熔。冶炼坯在1200 850°C之间进行锻造或轧制，锻轧坯经680°C 720°C退火(高温回火)后切削性能良好。本发明的超高强度钢可以在860 950°C较宽的温度范围加热淬火，经200 350°C之间回火后得到高的强韧性配合。
具体实施例方式下面，结合实施例对本发明进行进一步的详细说明。根据本发明所述的多元合金的优化配置的范围，采用真空感应炉冶炼了 2种合金含量不同的本发明钢，分别为发明钢1以及发明钢2，并且采用相同冶炼技术的制备了 4种对比钢，分别为对比钢1、2、3、4，发明钢及对比钢的化学成分见表2。分别采用光滑拉伸试样、U型缺口冲击试样和三点弯曲试样测定了上述发明钢的拉伸性能、冲击韧性和断裂韧性，并与对比钢的力学性能进行了对比，实验数据见表3。由表3中的数据可以看出发明钢强韧性显著高于低合金超高强度钢(即对比钢 1及对比钢2)，也高于G50中合金超高强度钢(对比钢4)和9Ni-5Co高合金二次硬化钢(对比钢3)，特别是发明钢1的强韧性已符合AF1410高合金二次硬化钢的要求(AMS 6527D)。表2发明钢与对比钢化学成分(mass^ )
权利要求
1.一种优化合金配置的中合金超高强度钢，其特征在于该钢的化学成分按质量百分数为C :0. 20-0. 40%, Mn :0. 3-2. 0%, Si :1. 25-2. 25%, Cr :3. 25-5. 0%, Ni :0. 5-2. 5%, Mo :0. 3-1. 0%, W :0. 3-2. 0%, Nb :0. 01-0. 10 %禾口 / 或 V 0. 05-0. 3 %, S ^ 0. 008 %, P 彡0. 01%，其余为狗。
2.根据权利要求1所述的中合金超高强度钢，其特征在于该钢的力学性能满足抗拉强度Rm :!730-1850MPa，屈服强度Rpa2 1400_1470MPa，延伸率A 12-14%，断面收缩率Z 55-62. 5%，冲击韧性 Aku2 :75-83J,断裂韧性 Kic :142_167MPa · m1/2。
3.根据权利要求1所述的中合金超高强度钢，其特征在于该钢的化学成分按质量百分数满足0. 6 %彡Mo+ff彡3 %。
全文摘要
本发明属于合金钢技术领域，具体涉及一种优化合金配置的中合金超高强度钢，其化学成分按质量百分数为C0.20-0.40％，Mn0.3-2.0％，Si1.25-2.25％，Cr3.25-5.0％，Ni0.5-2.5％，Mo0.3-1.0％，W0.3-2.0％，Nb0.01-0.10％和/或V0.05-0.3％，S≤0.008％，P≤0.01％，其余为Fe。本发明钢与现有超高强度钢相比，通过对合金元素Cr、Ni、Mo、Si和W的合理配置使强韧性水平达到了高合金二次硬化钢的水平，并且材料成本与低合金超高强度钢相当，特别适合在大型结构件上使用。
文档编号C22C38/58GK102505100SQ20121000180
公开日2012年6月20日 申请日期2012年1月5日 优先权日2012年1月5日
发明者丁雅莉, 杨卓越, 苏杰, 陈嘉砚 申请人:钢铁研究总院