一種高強度中碳納米結構鋼及其製備方法
2023-06-14 18:53:51 2
專利名稱：一種高強度中碳納米結構鋼及其製備方法
技術領域：
本發明屬於納米結構鋼技術領域。具體涉及一種高強度中碳納米結構鋼及其製備方法。
背景技術：
隨著原材料價格的攀升和節能減排要求的提高，鋼鐵行業越來越重視高強塑積鋼的研究與開發，其中納米結構鋼就是研究熱點之一。納米結構鋼的強度通常為相應的粗晶粒鋼的數倍以上，具有廣闊的應用前景，也符合當今低碳排放的發展趨勢。製備大塊納米金屬的方法包括非晶材料晶化、快速凝固、高能機械研磨、大塑性變形、高能粒子輻照和火花蝕刻等，其中製備納米結構鋼主要是大塑性變形法。日本的Tisuji等人 提出了通過冷軋、退火馬氏體起始組織製備低碳納米鋼材的方法(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為 18(T500nm 的低碳鋼(Fe-0.13C-0.37Μη-0.0lSi, wt.%)，其抗拉強度約為870MPa,延伸率也僅為8%，目前這種方法只能適用於低碳鋼，同時直接冷軋馬氏體組織容易導致鋼坯開裂，不利於工業化生產。Wang等米用軋製法(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),製備出低碳納米結構鋼(Fe-0.12C-1.42Mn-0.24Si，wt.%)，其延伸率雖基本滿足要求，但抗拉強度不高，而且在軋制低碳馬氏體的過程中同樣也會出現開裂的現象，該方法也只能適用於低碳鋼。軋製法製備納米結構鋼的工藝為:高溫奧氏體化+淬火+冷軋馬氏體組織+退火處理，這種工藝製備的納米結構鋼雖然強度高，但直接冷軋馬氏體組織，鋼材表面容易出現裂紋，尤其是對於中碳鋼，這種缺點更突出。國內技術人員對納米結構鋼的研究取得了很大進展，如「塊體納米結構低碳鋼及其製備方法」(CN 201010613321.0)採用壓縮設備衝擊低碳鋼塊體坯料，使其在102 103/s範圍內的高應變速率變形，引起顯微結構納米化，從而製備出塊體納米結構低碳鋼，但該技術只能用於體積相對較小的塊體納米鋼製備，工藝較為複雜，對設備的要求也比較高，且只適用於低碳鋼範圍。又如「一種納米晶粒低碳微合金鋼的製備方法」(CN200510047742.0)，該技術採用多道次壓縮變形製備微合金鋼，其工藝繁瑣，對設備要求也比較高，製備出來的納米結構鋼僅限於低碳鋼範圍。
發明內容
本發明旨在克服上述技術缺陷，目的是提供一種成本低廉、工藝簡單和易於工業化生產的高強度中碳納米結構鋼的製備方法，用該方法所製備的高強度中碳納米結構鋼力學性能優良。
為了實現上述目的，具體的技術方案為:先將中碳鋼鋼坯置於管式爐中，加熱至85(Γ950° C，保溫3(Γ60分鐘，保溫過程中通入CO和CO2的混合氣體，混合氣體中的CO: CO2體積比為1: (3飛)；然後取出鋼坯水淬至室溫，對水淬後的鋼坯進行冷軋，最後將冷軋鋼板在45(T650° C條件下進行退火處理，退火時間為30 60分鐘。所述中碳鋼鋼坯的化學成分及其含量是:C為0.4 0.45wt%, Mn為0.63 0.74wt%,Si 為 1.58 1.73wt%, Cr 為 0.65 0.82wt%, V 為 0.03 0.05wt%, Al 為 0.08 0.12wt%,Cu<0.05wt%, P<0.015wt%, S<0.010wt%，其餘為 Fe 和不可避免的雜質。由於採用上述技術方案，本發明將中碳鋼鋼坯在85(T950° C條件下奧氏體化3(Γ60分鐘，在奧氏體化過程中通過CO和CO2的混合氣體與鋼坯中的碳發生化學反應，對鋼坯進行成分梯度處理，鋼坯的碳含量從表層到芯部呈拋物線連續變化，表層碳含量低(達到低碳範圍)，芯部碳含量高，使得淬火後鋼坯表層和芯部分別轉變成不同的組織。表層含碳量低將獲得貝氏體或鐵素體組織，芯部含碳量高將獲得馬氏體組織。冷軋單一馬氏體組織，鋼材表面很容易產生裂紋，而貝氏體和鐵素體有良好的塑性，冷軋變形時材料表面不會開裂。本發明與現有技術相比，具有顯著的優點和積極效果:
1)本發明所採用鋼種成分為普通中碳鋼的成分，以價格低廉的C、S1、Mn和Cr元素為主，只有少量的Al和V等元素，因此成本低廉；
2)本發明採用的軋制和熱處理工藝簡單，易操作，不需要額外添加特殊設備，易於實現工業化生產；
3)本發明採用成分梯度處理技術，鋼坯水淬後可獲得表層為貝氏體或鐵素體、芯部為馬氏體的複合組織 ，因此鋼坯在冷軋時表面不會開裂，克服了冷軋馬氏體組織易開裂的缺陷；
4)本發明採用直接冷軋貝氏體或鐵素體組織代替直接軋制馬氏體組織的技術，克服了軋製法製備納米結構鋼只能應用於低碳鋼範圍的缺陷，將其擴大到中碳範圍；
5)本發明所製備的中碳納米結構鋼的抗拉強度為100(Tll00MPa，延伸率為8 10%;而化學成分和含量相同的普通碳鋼的抗拉強度約為40(T500MPa。故本發明製備的中碳納米結構鋼不僅有馬氏體鋼的高強度特點，還克服了馬氏體鋼延伸率低的缺陷，擁有良好的塑性，綜合性能優於單一的馬氏體或貝氏體或鐵素體鋼，相對於傳統熱連軋生產的鋼的強度提高了一倍以上。因此，本發明具有工藝簡單、成本低廉和易於工業化生產的特點，所製備的高強度中碳納米結構鋼力學性能優良。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發明作進一步描述，並非對本發明保護範圍的限制。實施例1
一種高強度中碳納米結構鋼及其製備方法。先將中碳鋼鋼坯置於管式爐中，加熱至85(Γ900° C，保溫5(Γ60分鐘，保溫過程中通入CO和CO2的混合氣體，混合氣體中的CO: CO2體積比為1:(3 4);然後取出鋼坯水淬至室溫，對水淬後的鋼坯進行冷軋，最後將冷軋鋼板在45(T550° C條件下進行退火處理，退火時間為50 60分鐘。
本實施例所述中碳鋼鋼坯的化學成分及其含量是:C為0.4(T0.42wt%, Mn為
0.63 0.66wt%, Si 為 1.58 1.63wt%, Cr 為 0.65 0.70wt%, V 為 0.03 0.05wt%, Al 為
0.08 0.10wt%, Cu〈0.05wt%, Ρ〈0.015wt%, S〈0.010wt%，其餘為 Fe 和不可避免的雜質。本實施例所製備的高強度中碳納米結構鋼的抗拉強度為100(Tl050MPa，延伸率為9.3 10.0%。實施例2
一種高強度中碳納米結構鋼及其製備方法。先將中碳鋼鋼坯置於管式爐中，加熱至87(Γ920° C，保溫45 55分鐘，保溫過程中通入CO和CO2的混合氣體，混合氣體中的CO: CO2體積比為1:(4 5);然後取出鋼坯水淬至室溫，對水淬後的鋼坯進行冷軋，最後將冷軋鋼板在48(T580° C條件下進行退火處理，退火時間為45 55分鐘。本實施例所述中碳鋼鋼坯的化學成分及其含量是:C為0.4f0.43wt%, Mn為
0.65 0.69wt%, Si 為 1.60 1.66wt%, Cr 為 0.67 0.75wt%, V 為 0.03 0.05wt%, Al 為
0.09 0.llwt%, Cu〈0.05wt%, Ρ〈0.015wt%, S〈0.010wt%，其餘為 Fe 和不可避免的雜質。本實施例所製備的高強度中碳納米結構鋼的抗拉強度為101(Tl060MPa，延伸率為
9.Γ10.0%。實施例3
一種高強度中碳納米結構鋼及其製備方法。先將中碳鋼鋼坯置於管式爐中，加熱至89(Γ940° C，保溫35 50分鐘，保溫過程中通入CO和CO2的混合氣體，混合氣體中的CO: CO2體積比為1: (4.5^5.5);然後取出鋼坯水淬至室溫，對水淬後的鋼坯進行冷軋，最後將冷軋鋼板在51(T610° C條件下進行退火處理，退火時間為35 50分鐘。本實施例所述中碳鋼鋼坯的化學成分及其含量是:C為0.42、.44wt%, Mn為
0.67 0.71wt%，Si 為 1.63 1.70wt%，Cr 為 0.70 0.79wt%，V 為 0.03 0.05wt%，Al 為
0.10 0.12wt%, Cu〈0.05wt%, Ρ〈0.015wt%, S〈0.010wt%，其餘為 Fe 和不可避免的雜質。本實施例所製備的高強度中碳納米結構鋼的抗拉強度為103(Tl080MPa，延伸率為8.3 9.6%。實施例4
一種高強度中碳納米結構鋼及其製備方法。先將中碳鋼鋼坯置於管式爐中，加熱至90(Γ950° C，保溫3(Γ45分鐘，保溫過程中通入CO和CO2的混合氣體，混合氣體中的CO: CO2體積比為1: (5飛)；然後取出鋼坯水淬至室溫，對水淬後的鋼坯進行冷軋，最後將冷軋鋼板在540 650° C條件下進行退火處理，退火時間為30 45分鐘。本實施例所述中碳鋼鋼坯的化學成分及其含量是:C為0.43、.45wt%, Mn為
0.69 0.74wt%, Si 為 1.65 1.73wt%, Cr 為 0.75 0.82wt%, V 為 0.03 0.05wt%, Al 為
0.10 0.12wt%, Cu〈0.05wt% , Ρ〈0.015wt%, S〈0.010wt%，其餘為 Fe 和不可避免的雜質。本實施例所製備的高強度中碳納米結構鋼的抗拉強度為105(Tll00MPa，延伸率為
8.0 9.1%。本具體實施方式
將中碳鋼鋼還在850 950° C條件下奧氏體化30 60分鐘,在奧氏體化過程中通過CO和CO2的混合氣體與鋼坯中的碳發生化學反應，對鋼坯進行成分梯度處理，鋼坯的碳含量從表層到芯部呈拋物線連續變化，表層碳含量低(達到低碳範圍)，芯部碳含量高，使得淬火後鋼坯表層和芯部分別轉變成不同的組織。表層含碳量低將獲得貝氏體或鐵素體組織，芯部含碳量高將獲得馬氏體組織。冷軋單一馬氏體組織，鋼材表面很容易產生裂紋，而貝氏體和鐵素體有良好的塑性，冷軋變形時材料表面不會開裂。本具體實施方式
與現有技術相比，具有顯著的優點和積極效果:
1)本具體實施方式
所採用鋼種成分為普通中碳鋼的成分，以價格低廉的C、S1、Mn和Cr元素為主，只有少量的Al和V等元素，因此成本低廉；
2)本具體實施方式
採用的軋制和熱處理工藝簡單，易操作，不需要額外添加特殊設備，易於實現工業化生產；
3)本具體實施方式
採用成分梯度處理技術，鋼坯水淬後可獲得表層為貝氏體或鐵素體、芯部為馬氏體的複合組織，因此鋼坯在冷軋時表面不會開裂，克服了冷軋馬氏體組織易開裂的缺陷；
4)本具體實施方式
採用直接冷軋貝氏體或鐵素體組織代替直接軋制馬氏體組織的技術，克服了軋製法製備納米結構鋼只能應用於低碳鋼範圍的缺陷，將其擴大到中碳範圍；
5)本具體實施方式
所製備的中碳納米結構鋼的抗拉強度為100(Tll00MPa，延伸率為8^10% ;而化學成分和含量相同的普通碳鋼的抗拉強度約為40(T500MPa。故本具體實施方式
製備的中碳納米結構鋼不僅有馬氏體鋼的高強度特點，還克服了馬氏體鋼延伸率低的缺陷，擁有良好的塑性，綜合性能優於單一的馬氏體或貝氏體或鐵素體鋼，相對於傳統熱連軋生產的鋼的強度提高了一倍以上。因此，本具體實施方式
具有工藝簡單、成本低廉和易於工業化生產的特點，所製備的高強度中碳納米結構鋼力 學性能優良。
權利要求
1.一種高強度中碳納米結構鋼的製備方法； 其特徵在於先將中碳鋼鋼坯置於管式爐中，加熱至85(Γ950° C，保溫3(Γ60分鐘，保溫過程中通入CO和CO2的混合氣體，混合氣體中的CO = CO2體積比為1: (3飛)；然後取出鋼坯水淬至室溫，對水淬後的鋼坯進行冷軋，最後將冷軋鋼板在45(T650° C條件下進行退火處理，退火時間為3(Γ60分鐘，製得高強度中碳納米結構鋼； 所述中碳鋼鋼坯的化學成分及其含量是=C為0.4^0.45wt%,Mn為0.63 0.74wt%, Si為1.58 1.73wt%, Cr 為 0.65 0.82wt%, V 為 0.03 0.05wt%, Al 為 0.08 0.12wt%, Cu〈0.05wt%,Ρ〈0.015wt%, S<0.010wt%，其餘為Fe和不可避免的雜質。
2.一種高強度中碳納米結構鋼，其特徵在於所述高強度中碳納米結構鋼是根據權利要求I所述的高強度中碳納米結構鋼製備方法所製備的高強度中碳納米結構鋼。
全文摘要
本發明具體涉及一種高強度中碳納米結構鋼及其製備方法。其技術方案是先將中碳鋼鋼坯置於管式爐中，加熱至850~950°C，保溫30~60分鐘，保溫過程中通入CO和CO2的混合氣體，混合氣體中的CO:CO2體積比為1:(3~6)；然後取出鋼坯水淬至室溫，對水淬後的鋼坯進行冷軋，最後將冷軋鋼板在450~650°C條件下進行退火處理，退火時間為30~60分鐘。所述中碳鋼鋼坯的化學成分及其含量是C為0.4~0.45wt%，Mn為0.63~0.74wt%，Si為1.58~1.73wt%，Cr為0.65~0.82wt%，V為0.03~0.05wt%，Al為0.08~0.12wt%，Cu<0.05wt%，P<0.015wt％，S<0.010wt％，其餘為Fe和不可避免的雜質。本發明工藝簡單、成本低廉和易於工業化生產，所製備的中碳納米結構鋼力學性能優良。
文檔編號C22C38/34GK103173684SQ20131011453
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月3日 優先權日2013年4月3日
發明者徐光 , 胡海江, 劉峰, 薛正良, 張雲祥 申請人:武漢科技大學