一种低碳超高强韧马氏体钢材料及制备方法与流程

本发明属于金属材料领域，特别涉及一种低碳超高强韧马氏体钢材料及制备方法，具体涉及一种在低碳钢优化添加nb-v元素，调控低碳超高强度马氏体钢中tin析出相形态、尺寸及原始奥氏体晶粒,结合热处理工艺，获得具有超高强韧性低碳马氏体钢。

背景技术：

1、超高强度马氏体钢因超高的强度、耐腐蚀及耐磨性等优异性能，广泛应用于国防、航空航天、医疗、石油、化工、汽车等领域。特别是作为轻量化结构材料是航空航天和汽车产品结构轻量化设计考虑的关键材料，如用于航空发动机轴承、起落架、汽车车身等关键部位部件。由于强度与韧性的权衡机制，即强度的提升不可避免损失一定的韧性，随着强度的提升，超高强度马氏体钢韧性下降，而没有适当断裂韧性的超高强度马氏体钢材料难以应用。

2、目前，我国超高强度马氏体钢产量虽大，但价格廉价，利润低。而先进的、兼备良好强韧性的马氏体钢，主要进口澳大利亚arcelor mittal、瑞典ssab、日本nsc等公司，如航空航天用40crni2si2mova钢和汽车a柱用m1700钢，成本高。因此，开发高韧性的超高强度马氏体钢，代替进口，打破国外技术垄断，满足产品更换及行业升级需求，具有重要的实际和战略意义。

3、马氏体钢材料强化/增韧机理的探索从未停止，如奥氏体晶粒细化、纳米颗粒强化、控制奥氏体含量和稳定性等。研究人员通过合金成分优化设计、轧制时，加大变形量、马氏体组织中保留更多的软相等手段来提高马氏体钢的强韧性，已经取得了显著的效果。但超高强度冷成形马氏体钢的成形复杂且加工度高，对材料的韧性要求高，而在工业生产中，钢冶炼后凝固过程中不可避免地析出四方形tin/ticn坚硬脆性相，导致材料在加工及服役过程中易发生开裂和断裂，因而成为超高强度马氏体钢在实际生产应用中需解决的关键共性技术难题。

4、低碳超高强度马氏体钢中因其粗大的四方形tin颗粒，容易降低材料韧性，造成材料的脆断，严重限制了材料的应用及发展。

技术实现思路

1、本发明针对低碳超高强度马氏体钢延伸率低、韧性差、易开裂等的技术难题，提供了一种低碳超高强韧马氏体钢材料及制备方法，所述材料在低碳钢中优化添加nb-v元素，使材料中弥散析出了一种新相(命名为“ti-nb-n颗粒”)，抑制了ti与n的结合，即基本避免了大尺寸四方形tin有害相出现，同时设计了一种新的淬火工艺，可有效防止原始奥氏体晶粒的长大，使原始奥氏体晶粒得到细化。本发明方法通过对材料析出相及显微组织的调控，从而使材料获得了良好的力学性能，解决了超高强度钢强韧性不匹配、成形过程中易开裂等问题，可用于医疗、石油、化工、汽车等领域。

2、本发明的技术方案是：

3、低碳超高强韧马氏体钢材料，其各组分的重量百分含量为：

4、c：0.25％～0.29％，si：0.10％～0.18％，mn：0.10％～0.40％，al：0.01％～0.035％，cr：0.008％～0.045％，ni：0.040～0.080％，v：0.05％～0.15％，ti：0.037％～0.05％，nb：0.04％～0.10％，cu：0.17％～0.20％，b：0.001～0.004％，p≤0.01％，s≤0.007％，n≤30ppm，余量为fe。

5、进一步的技术方案，所述的材料，其各组分的重量百分含量为：

6、c：0.25％～0.29％，si：0.10％～0.18；mn：0.10％～0.40％，al：0.035％，cr：0.008％～0.045％，ni：0.040～0.080％，v：0.05％-0.15％，ti：0.037％～0.05％，nb：0.04％～0.10％，cu：0.17％～0.20％，b：0.001～0.004％，p：0.001～0.008％，s:0.001～0.004％，n≤30ppm，余量为fe。

7、进一步的技术方案，所述的材料，其各组分的重量百分含量为：c：0.29％，si：0.18％，mn：0.40％，al：0.035％；cr：0.045％，ni：0.040％，v：0.12％，ti：0.040％，nb：0.08％，cu：0.19％，b：0.002％；p≤0.007％，s≤0.004％，n≤30ppm，余量为fe。

8、低碳超高强韧马氏体的制备方法，包括以下步骤：

9、1)取上述材料的各组分，真空熔炼+电渣重熔，得到铸锭；

10、2)轧制

11、所得钢锭经两次热轧，热轧总变形量为97％，得到厚度为4mm～6mm合金钢板；冷轧得到1.5mm～2.0mm钢板；

12、3)热处理

13、淬火工艺：将炉温升至820～900℃，冷轧钢板热装炉，到温计时，保温50～300s后淬火；回火工艺：淬火钢板随炉升温为200℃～235℃，保温时间为30min～60min，空冷；

14、所述材料的原始奥氏体晶粒尺寸为4.5μm～7.5μm，抗拉强度为1705～1876mpa，屈服强度为1431mpa～1689mpa，延伸率为4.2％～6.8％。

15、所述真空熔炼+电渣重熔的方法：

16、a.将ni、cr装入坩埚，将c、ti、mn、fe、al、nb、v、cu、b原料依次装入加料斗；

17、b.真空熔炼，两次精炼，熔炼时间：30min；第一次精炼功率：25kv，加热温度为1600～1620℃，时间15min，精炼末期真空度优于2.5pa，充入ar至8kpa，依次加入c、ti，搅拌、振荡；

18、第二次精炼，功率25kw，时间10min，精炼末期真空度优于2.5pa；

19、c.依次加入mn、fe、si、al、nb、v、cu、b搅拌、振荡；

20、d.静置，调至中低温1550℃，慢速连续浇铸，破真空出炉。

21、所述两次热轧的方法：第一次热轧的温度为1100℃～1200℃，终轧温度为940℃～1100℃；第二次热轧的温度为960℃～1100℃，终轧温度为880℃～900℃。

22、步骤3)所述淬火介质为盐水。

23、本发明所述材料相对于低碳钢：

24、降低了c含量，将c含量控制为0.25％～0.29％，获得有利于拉伸性能的稳定残余奥氏体，因为较高的碳含量虽然对马氏体钢强提升有明显影响，但不利于材料的焊接性能；

25、增加了nb、v元素，提升了ti元素含量，达到晶粒细化和弥散析出更多相的目的；

26、降低了al、mn、si、cr元素含量，al元素含量过高，容易造成材料在凝固过程中的偏析，形成al2o3夹杂，mn含量过高，容易升高材料的氢脆敏感性，si元素主要达到固溶强化效果，但不利于材料的韧性；cr元素容易在晶界偏析，形成硬质相，不利于材料的韧性；

27、提升了ni、cu元素含量，ni元素稳定奥氏体相区，增加材料中残留奥氏体含量，达到提高韧性的目的，cu可形成氢陷阱，捕捉材料中的氢原子，降低材料氢脆名感性。

28、采用本发明所述方法制备的材料，其nb-v-ti复合圆形颗粒尺寸为10nm～50nm，原始奥氏体晶粒尺寸为4.4μm～7.5μm，相比nb-v添加之前尺寸减少27％；马氏体板条厚度为90nm～160nm，相比nb-v添加之前减51％；nb-v-ti复合圆形颗粒尺寸20±6nm，体积占比为15％；tin尺寸为100nm，体积占比为0.8％，tin尺寸降低3.9μm。本发明所述材料抗拉强度为1705mpa～1876mpa，屈服强度为1431mpa～1721mpa，延伸率为4.2％～6.8％。

29、本发明的有益效果：

30、发明所述材料通过调整低碳钢的合金组成，在制备过程中，钢铸锭在凝固过程中ti容易发生凝固偏析，且大量微量元素的存在又加重了这种偏析，同时在最后凝固的枝晶间区域形成四方形tin有害相。复合添加nb-v后，凝固过程中nb-v易与ti结合产生一种新相，称为nb-v-ti复合颗粒，同时这种新相析出与tin存在一种竞争机制，又可抑制四方形tin相析出，最终会在基体中弥散析出大量的nb-v-ti纳米颗粒，且降低了tin颗粒的数量及尺寸。通过本发明所述方法，尤其是热处理方法，可有效防止原始奥氏体晶粒的长大，实现对低碳冷成形马氏体钢析出相形态的调控，促进了圆形纳米颗粒析出，细化了原始奥氏体晶粒、马氏体板条、马氏体群等亚结构，显著提升钢的强韧性，为实现开发超高强度钢合金成分优化和热处理工艺调控具有重要的工程应用价值。

31、本发明根据n与nb-v对ti亲和力的差异，即nb-v与ti的亲和力更强的特性，在低碳钢中优化nb-v元素含量，在材料中弥散析出了一种新相(命名为“nb-v-ti颗粒”)，抑制了tin颗粒析出，调控了低碳超高强度马氏体钢析出相形态、尺寸，细化了马氏体钢原始奥氏体晶粒和马氏体组织亚结构，可以有效抑制材料中四方形tin相析出，解决了低碳超高强度钢强韧性不匹配、成形过程中易开裂等问题。申请人实验表明：本方法所述材料的原始奥氏体晶粒尺寸为4.5μm～7.5μm，抗拉强度为1705～1876mpa，屈服强度为1431mpa～1689mpa，延伸率为4.2％～6.8％，大幅度提高了超高强韧马氏体钢力学性能；抗拉强度及韧性的提高是细小原始奥氏体晶粒、马氏体亚结构及弥散析出的nb-v-ti圆形颗粒综合作用结果，本发明所述材料，通过优化添加nb-v元素，避免了四方形tin相析出，且实现了显微组织的调控，材料获得了良好的机械性能。发明解决了低碳超高强度马氏体钢在外加应力下易开裂、易发生脆断的技术难题，从图3、图5及图6可以证明，采用本发明方法，基本消除了材料中大尺寸四方形tin(～4μm)颗粒，使材料中弥散析出一种新相(nb-v-ti圆形颗粒，～20nm)，显著提升了材料的韧性，材料由原来tin引起的解理断裂(脆性断裂)变为韧性断裂，满足了其使用要求。