[发明专利]一种高韧性超高强度钢的成分及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种高韧性超高强度钢的成分及其制备工艺，属于合金钢技术领域。

背景技术

超高强度钢的主要特点是具有很高的强度和一定的韧性，主要用于制造承受高应力、大冲击载荷且对疲劳性能要求较高的重要构件。在民用和军用方面均有广泛的应用，如高压容器、液压和机械压力机部件、车辆关键部件、桥梁结构架、高强度螺栓、冷挤和冷冲模具、飞机大梁和起落架、航空发动机轴、火箭发动机壳体、深侵彻弹体、枪械部件、装甲板等。但是，随着应用技术的发展和经济可承受性的重视，要求超高强度钢在不断提高强度的同时兼具高韧性和低成本。

目前传统工艺中，为得到具有较高强韧性的超高强度钢，合金成分中必须采用大量的Co和Ni，二者除固溶强化外，Co能提高钢的再结晶温度(T_再)使位错结构保存下来，以便增加细小碳化物的形核点，析出更多的细小碳化物，这对于二次析出强化钢的超高强韧性起到了关键性作用，Ni能使基体中的螺型位错不易发生分解，保证了交滑移的发生，这对提高的钢韧性也起到了一定作用。AerMet100、AF1410、M250、F175、G99等皆属于此类高合金钢。但是Co、Ni均为我国稀缺的贵重战略性元素，导致其成本十分昂贵，难以获得大量应用，仅用于部分国防尖端武器。而AISI4340、300M钢和30CrMnSiNi2等低成本超高强度钢，由于只含有少量Ni，而导致韧塑性较差，无法满足关键结构件的使用要求。因此，有效合理利用国内资源，开发出一种兼具超高强度和高韧性，并具有相对较低使用成本的超高强度钢是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统超高强度钢加工时，为提高韧塑性必须大量使用Co和Ni高成本材料的技术难题，而提供一种高韧性超高强度钢及其制备工艺，兼具超高强度和高韧性的同时，又具有相对较低制造成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种高韧性超高强度钢，其各组分的质量百分比为：C：0.25～0.45％，Si：0.4～1.2％，Mn：0.3～1.5％，Cr：2.0～3.5％，Ni：2.5～4.0％，W：2.0～4.5％，Mo：0.4～0.8％，V：0.1～0.4％，P≤0.005％，S≤0.003％，O≤0.002％，N≤0.0015％，Cu≤0.05％，余量：Fe。

C作为间隙固溶强化元素，能够有效提高钢的强度，但是，如C含量过高，合金钢的韧塑性很差，热加工变形及焊接等工艺性也较差，难以应用；如含碳量过低，通常合金钢的强度达不到超高强度要求。因此，本发明钢的含C量要求控制在0.25～0.45％wt之间。

Si在具有固溶强化作用的同时，还能够有效增强钢的回火稳定性。更为重要的是，Si的加入可抑制渗碳体形成，使部分富碳奥氏体首先析出ε碳化物和未转变的奥氏体一起沿着铁素体边界分布，可显著提高钢的韧性。但是，过高的Si加入，会促进C的石墨化，反而降低钢的韧性，同时，Si对钢的表面质量有害，会限制钢材在镀锌产品中的应用。因此，本发明钢将Si含量确定在0.4～1.2wt％之间。

Mn不但是良好的脱氧剂和脱硫剂，而且可以显著增加钢的淬透性。Mn的加入还具有固溶强化、形成位错马氏体和残余薄膜奥氏体的综合作用，尤其是，形成残余薄膜奥氏体对提高钢的韧性非常有利。此外，Mn还能够抑制网状渗碳体的形成，也对提高钢的韧性有利。但是，Mn含量过高会降低马氏体相变温度Ms点。综合考虑，将Mn含量范围定在0.3～1.5wt％之间。

Cr与Fe能够形成连续固溶体，具有固溶强化作用，而且Cr的添加还可以提高淬透性和耐蚀性。同时，Cr也可形成合金碳化物，产生二次强化作用。Cr含量对二次强化反应温度和合金碳化物粗化行为有显著影响，Cr含量较高会促进合金碳化物粗化而降低钢的塑韧性，反之则会使二次强化反应温度过高，易于形成逆转奥氏体，使钢的强度下降。综合考虑，将Cr含量范围定在2.0～3.5wt％之间。

由于材料韧性取决于塑性变形时位错交滑移的难易程度，Ni能使螺型位错不易发生分解，保证了交滑移的发生，所以，钢中加入Ni能够显著提高韧性，如M250和Aermet100具有良好韧性皆基于此。此外，Ni的加入还可以提高钢的淬透性、降低韧脆转变温度。但是，如果Ni含量过高，不但会显著增加钢的成本，而且会使马氏体相变温度Ms点下降。综合考虑，将Ni的成分范围定在2.5～4.0wt％之间。