[发明专利]一种超高强度高韧性多步等温贝氏体钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超高强度钢技术领域。尤其涉及一种超高强度高韧性多步等温贝氏体钢及其制备方法。

背景技术

一般认为，抗拉强度超过1500N/mm²的合金结构钢为超高强度钢。目前，通过合理的合金化和热处理工艺设计已能达到超高强度钢级别，能较好地满足高效率和高安全性的要求，超高强度钢主要用于工程机械、高层建筑、钢轨、装甲车、以及其他承受较大应力的结构部件等。国内外学者对超高强度钢已经做了很多有益的探索与开发，其中主要以马氏体和贝氏体作为主要的基体组织。

低合金超高强度钢，主要是通过淬火和回火处理获得较高的强度和韧性，钢的强度主要取决于钢中马氏体的固溶碳浓度。含碳量增加，钢的强度升高，而塑性和韧性相应降低。因此，在保证足够强度的原则下，尽可能降低钢中含碳量。一般含碳量在0.30~0.45%，钢中合金元素总量约在5%左右，这类钢虽然有较高强度，但是抗腐蚀能力和断裂韧性较差，且不含有残余奥氏体，塑性也受到一定限制。如“低合金超高强度钢种”（CN1390972）、“热轧低合金高强度钢板及其制备方法”（CN1076223）和一种低合金超高强度及其热处理工艺（CN101078088）的专利技术。

马氏体时效钢，主要是以马氏体基体组织作为强化相，经过时效处理后，析出金属间化合物的方式强化，强度可以达到1500MPa以上，但是这类钢冶炼要求较为苛刻，并且合金元素都很高，工艺复杂，成本较高。如“马氏体时效钢及其制造方法”（CN1040626）、“一种无钴高强高韧马氏体时效钢加工方法”（CN1626686）和“马氏体时效钢制品及制备方法”（CN101258259）的专利技术。

二次硬化超高强度钢，这种钢的工艺特点是在480-550℃范围内回火，通过析出合金碳化物产生沉淀强化作用，使强度和硬度明显提高，同时韧性也得到提高。但其中贵重金属Ni、Co等合金元素的含有非常高，使生产成本非常昂贵。如“一种复合强化高韧性超高强度二次硬化钢”（CN101403076）、“一种含W高强高韧二次硬化不锈钢”（CN102031459）和“高强高韧二次硬化钢”（CN1213706）的专利技术。

Q-P-T钢，中国上海交通大学的钟宁、徐祖耀等人提出了淬火-碳分配-回火的热处理工艺，钢坯经奥氏体化后淬火到马氏体开始和终了温度之间，得到一定量的马氏体和残余奥氏体，然后进行碳分配处理。利用碳原子从马氏体到残余奥氏体的分配原理，可以使残留奥氏体富碳。在碳分配后进行回火时，或者是在碳分配过程中，可以析出弥散的复杂碳化物，起到沉淀强化作用。由于马氏体和碳化物的析出强化作用，具有超高的强度，比如“多循环淬火-碳分配-回火工艺”（CN102337085）、“采用碳分配提高钢件表面硬度的方法”（200610029690）和“采用碳分配和回火提高淬火钢件机械性能的热处理方法”（200710045886）的专利技术。但其所得到的残留奥氏体的体积分数小于10%，对韧性和塑性的提高有限。

超高强度低温贝氏体钢，由英国剑桥大学的F. G. Caballero、H. K. D. B. Bhadeshia等人提出来的超级贝氏体钢，由高碳、高硅钢在200~300℃的温度等温淬火，进行长达数小时到几天，甚至10天不等的保温，以纳米结构的贝氏体铁素体板条和板条间富碳的残余奥氏体薄膜。具有超强的抗拉强度，优良的延伸率。如“贝氏体钢”（US6884306）、“一种超高强度贝氏体装甲钢及其制造方法”（CN200910063579）和“贝氏体钢及其制造方法”（CN200980130378）的专利技术。这种无碳化物低温贝氏体钢与传统的上贝氏体和下贝氏体显微组织不同，不含有碳化物。但这些贝氏体钢中，为了保证在较低的温度（200~300℃）进行贝氏体等温反应，通常需要加入高碳含量以降低贝氏体终了和马氏体开始温度，而高的碳含量对韧性往往有很不利的影响，并且生产周期也相对较长。

由上述分析可以看出：现有的超高强度高韧性钢要么抗拉强度稍显不足、要么塑性和韧性不足、要么合金元素较高导致成本偏高。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种高硬度、高强度、高韧性、体积稳定性好和微观组织细密的超高强度高韧性多步等温贝氏体钢及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：将铁水、或将废钢、或将铁水和废钢经炼钢和精炼后，进行模铸或连铸，热轧。先将热轧的钢坯在850~1100℃条件下奥氏体化0.2~5.0小时，然后进行贝氏多步等温转变，即得超高强度高韧性多步等温贝氏体钢。