[发明专利]一种超细晶马氏体钢板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，特别是提供了一种超细晶马氏体钢板及其制备方法，一种原奥氏体晶粒尺寸小于5微米的超细晶钢。

背景技术

众所周知，晶粒细化是同时提高金属材料强度和韧性的唯一方法，其它强化方式（如固溶强化、位错强化、沉淀强化等）在提高强度的同时均损害韧性。此外，晶粒细化还有助于提高钢的抗疲劳性能、耐延迟断裂性能等服役性能。因此，如何获得细晶、超细晶组织一直是钢铁界所关注和研发的热点技术问题。目前工业生产马氏体钢板广泛采用淬火处理，即首先将钢板在加热炉中加热到Ac3温度（奥氏体转变终了温度）以上保温一段时间以完成奥氏体化，然后将钢板置入冷却介质中(油或水)实现快速冷却（淬火），冷却过程中发生马氏体相变并最终获得马氏体组织。传统淬火处理获得的奥氏体晶粒尺寸通常大于10微米，典型范围为15~40微米。适当降低加热温度和减少保温时间可在一定程度上细化原奥氏体晶粒，然而由于奥氏体晶粒长大不能被有效阻止，其细化效果也非常有限。为突破马氏体钢的晶粒细化水平，人们又开发循环热处理、快速加热法、低温大变形+短时奥氏体化等新方法，奥氏体晶粒尺寸可以细化到小于5微米。如中国专利ZL00106201.8公布了一种通过循环热处理实现合金结构钢晶粒超细化的方法，通过3~5次的快速盐浴加热和油淬，奥氏体晶粒可细化到2~5微米。该方法的缺点是工艺繁琐，工业生产将面临许多困难；快速加热法是利用快速加热过程中奥氏体形核率的提高而达到细化目的，如已开发出感应快速加热法和电致快速加热法均可实现超细晶组织，但这种方法需要特殊的装置，而且对试样或零件的形状和尺寸有许多限制（参见文献：翁宇庆等著, 超细晶钢-钢的组织细化理论和控制技术，北京：冶金工业出版社, 2003,p.467-520.）；低温大变形+短时奥氏体化法利用低温变形造成的大量缺陷提高奥氏体形核率，同时较短时间保温可使晶粒不至于发生明显长大，从而达到细晶化效果（参见文献：M. Tokizane, N.Matsumura, K. Tsuzaki, T. Maki and I. Tamura. Recrystallization and formation of austenite in deformed lath martensitic structure of low carbon steels, Metallurgical and Materials Transactions A, Volume 13, Number 8, 1379-1388）但低温大变形对于设备能力有很高的要求，同时短时奥氏体化也面临着许多实际困难，因而该方法目前仅限于实验室研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超细晶马氏体钢板及其制备方法，一种原奥氏体晶粒尺寸小于5微米的超细晶马氏体钢板，该钢板采用传统热处理工艺生产，工艺简单、能够适应当前工业化生产装备和流程。

本发明提供的超细晶马氏体钢板的化学成分和含量为：C：0.10~0.50wt.%、Si: 0.1~0.50wt.%、Mn: 0.30~1.50wt.%、V：其含量应满足：（wt.%）：P：<0.02wt.%、S：<0.01wt.%，余量为Fe和不可避免的杂质；w_V为V的重量百分数，w_C为C的重量百分数。在此基础上，可以另外加入以下一种或多种合金元素：Cr：0~0.50wt.%、Ni：0~0.50wt.%、Mo：0~0.50wt.%；Cu：0~0.40wt.%、Nb: 0~0.05wt.%、Ti：0.005~0.04wt.%、B：0.0005~0.003wt.%、Al:0.01~0.06wt.%。

本发明各元素的作用及配比依据如下：

碳：作为最主要的固溶强化元素，对马氏体钢的强度和硬度起决定性的作用；此外，碳还显著提高钢的淬透性。本发明钢的碳含量范围为0.10~0.50wt.%，碳含量低于0.10wt.%，钢的淬透性和强度降低，获得超细晶马氏体需要添加较多合金元素，导致成本明显升高；碳含量高于0.50wt.%，则钢的韧性和焊接性能恶化。

硅：钢中脱氧元素之一，同时具有较强的固溶强化作用，但过量的Si将恶化钢的韧性及焊接性能。综合上述考虑，本发明钢硅含量范围为 0.1~0.50wt.%。

Mn：明显提高钢的淬透性，同时具有一定的固溶强化作用。但Mn含量较高时，其在铸坯中的偏析倾向增加，钢的回火脆性敏感性增大，另外对焊接性能不利。基于上述原因，本发明钢Mn含量范围为: 0.30~1.50wt.%。