富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼及其制造方法
【專利摘要】一種富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼及其制造方法，按重量百分比計其組分如下：C為0～0.2%；Cu為0.5～5%；Ni為0.01～4%；Mn為0.01～4%；Al為0.001～2%；Cr為0～12%；Mo為0～3%，W為0～3%，Mo+W不低于0.05%；V為0～0.5%，Ti為0～0.5%，Nb為0～0.5%，V+Ti+Nb不低于0.01%；Si為0～1%；B為0.0005～0.05%；P不高于0.04%；S不高于0.04%；N不高于0.04%；O不高于0.05%；余量為Fe和不可避免的雜質，經熔煉、鑄造和鍛軋后進行固溶和時效處理，制得以納米團簇強化為主并結合細晶、固溶和位錯強化的鐵素體鋼，獲得優異的強韌性、焊接性和耐腐蝕性。
【專利說明】富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超高強度鐵素體鋼及其制造方法，具體涉及一種富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼及其制造方法。
【背景技術】
[0002]隨著資源、環境壓力日益加大，環保、節能越來越受到鋼鐵工業的重視。開發節能、節材且性能優異的超高強度鋼，來滿足各應用領域的結構和功能要求，是實現鋼鐵工業可持續發展的重要途徑。
[0003]傳統超高強度鋼，如低溫回火馬氏體組織或下貝氏體組織強化低合金鋼，高溫回火合金碳化物析出物、二次硬化組織強化超高強度鋼，金屬間化合物析出強化馬氏體時效鋼等，一定程度上達到了超高強度的要求，但高碳、高合金及熱處理轉變要求快冷等特性使其仍存在焊接性能及塑韌性差、成本高、材料尺寸受限等問題。
[0004]隨著納米科技的發展，利用納米析出相強韌化機制提高超高強度鋼綜合性能已成為開發新型超高強度鋼的重要途徑，特別是與采用傳統馬氏體基體相比，在鐵素體結構基礎上利用納米析出相強化機制開發新型超高強度鋼具有極大的工藝和成本優勢。近來，研究者在Cu納米團簇析出強化鋼方面進行了初步研究。Cu為面心立方結構元素，在體心立方結構鐵素體基體中固溶度非常小，經過適當的熱處理Cu可從鐵素體基體中析出，形成Cu納米團簇析出相，產生析出強化作用提高鋼的強度，且研究表明納米團簇尺寸越小、析出量越多、析出間距越小、分布越均勻，析出強化效果越好。但目前Cu析出強化鋼中的Cu顆粒尺寸大多在50nm以上 ，且析出量少、析出顆粒間距大、顆粒分布不均，使得Cu顆粒的強化作用有限，所得Cu析出強化鋼的強度大都在100MPa以下，如專利CN101328561A中公開了一種納米級Cu析出相強化的鉻鐵素體不銹鋼，其中Cu析出顆粒尺寸為50~200nm，利用Cu相析出強化作用得到的強化鐵素體鋼屈服強度不低于300MPa、抗拉強度不低于450MPa、伸長率不低于25%。
[0005]本發明通過合理調控合金元素的種類和含量以及熱處理工藝，優化Cu納米團簇的成核和長大過程，進而優化納米團簇的析出尺寸、數量和分布，形成濃度高、分布均勻、尺寸細小的富Cu納米團簇，最大程度的發揮富Cu納米團簇的強化作用，同時結合細晶強化、固溶強化和位錯強化等多種強化方式實現復合強化，制成低碳、低成本、綜合性能優異的富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼。
【發明內容】
[0006]本發明的一個目的是提供一種富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼，其中以高濃度、均勻分布、尺寸細小的富Cu納米團簇強化為主，同時結合細晶強化、固溶強化和位錯強化多種方式實現復合強化，制成具有超高強韌性、優良焊接性能和耐腐蝕性能的新型低成本超高強度鐵素體鋼。
[0007]本發明的另一目的是提供一種制造上述富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼的方法。
[0008]一方面，本發明提供一種富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼，按重量百分比計，其化學組分如下:C為O~0.2% ；Cu為0.5~5% ；Ni為0.01~4% ；Mn為0.01~4% ；Al 為 0.001 ~2% ;Cr 為 O ~12% ;Mo 為 O ~3%，W 為 O ~3%，Mo+ff 不低于 0.05% ;V 為 O ~
0.5%, Ti 為 O ~0.5%,Nb 為 O ~0.5%, V+Ti+Nb 不低于 0.01% ;Si 為 O ~1% ；B 為 0.0005 ~
0.05% ；P不高于0.04% ；S不高于0.04% ；N不高于0.04% ；0不高于0.05% ;余量為Fe和不可避免的雜質。
[0009] 在本發明的一種實施方式中，所述富Cu納米團簇的組成元素為Cu、N1、Mn、Al。
[0010]在本發明的另一種實施方式中，所述富Cu納米團簇的平均尺寸為3nm，平均間距為2~1nm,每立方微米納米團簇數不低于10，000個。
[0011]在本發明的另一種實施方式中，所述富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼中還包含復合納米碳化物(V, Ti, Nb) C,所述納米碳化物的尺寸為5~lOOnm。
[0012]在本發明的另一種實施方式中，所述富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼的基體組織為鐵素體，所述鐵素體的平均晶粒尺寸為I~20 μ m。
[0013]在本發明的另一種實施方式中，所述富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼的屈服強度為900~1200MPa，拉伸強度為1200~1500MPa，伸長率為10~20%，斷面收縮率為 50% ~80%ο
[0014]另一方面，本發明還提供一種制造所述富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼的方法，其步驟如下:
[0015](I)使所述富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼的化學組分構成的原料組合物依次進行熔煉、鑄造和鍛軋；
[0016](2)進行固溶處理，然后冷卻至室溫；
[0017](3)進行時效處理，然后冷卻至室溫。
[0018]在本發明方法的一種實施方式中，所述固溶處理在800~1300°C范圍內進行。
[0019]在本發明方法的另一種實施方式中，所述固溶處理在900°C進行。
[0020]在本發明方法的另一種實施方式中，所述固溶處理進行0.1~3小時。
[0021]在本發明方法的另一種實施方式中，所述固溶處理進行0.5小時。
[0022]在本發明方法的另一種實施方式中，所述時效處理在400~600°C范圍內進行。
[0023]在本發明方法的另一種實施方式中，所述時效處理在550°C進行。
[0024]在本發明方法的另一種實施方式中，所述時效處理進行0.1~20小時。
[0025]在本發明方法的另一種實施方式中，所述時效處理進行2小時。
[0026]本發明通過合理調控合金元素種類和含量以及熱處理工藝，得到濃度高、分布均勻、尺寸細小的富Cu納米團簇，有效發揮了納米團簇的析出強化作用，并結合細晶強化、固溶強化和位錯強化等多種方式進行復合強化，獲得了優異的強韌性，其中以富Cu納米團簇為主強化相，以其析出強化作用為最主要的強化方式，降低了鋼中的碳含量，從而還具有優良的焊接性能和塑韌性，此外添加了適量的Cr和Al元素，可形成穩定的氧化鉻和氧化鋁保護膜，Cu還起到提高鋼在大氣和海水中耐腐蝕性的作用，從而綜合提高了鋼的抗氧化和耐腐蝕性能。本發明綜合優化了納米團簇強化、細晶強化、固溶強化的合金元素種類和含量，使用最少量、最合理的合金元素，并且與現有的超高強度馬氏體鋼相比，本發明的超高強度鐵素體鋼熱處理后可不經淬火等快速冷卻工藝，生產尺寸較大，并且適于連鑄連軋生產，生產成本較低。
[0027]綜上所述，根據本發明的富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼，以所述富Cu納米團簇強化為主，并結合納米碳化物細晶強化、其他固溶合金元素固溶強化以及位錯強化等多種方式實現復合強化，從而獲得強韌性匹配極佳的性能，并具有優良的焊接性、耐腐蝕性且成本低，可廣泛應用于汽車、艦船、橋梁、管線、能源、電站、海洋工程、建筑結構、壓力容器、工程機械、集裝箱及國防裝備等領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]結合附圖參照下述詳細說明本領域技術人員將更好地理解本發明的上述及諸多其他特征和優點，其中:
[0029]圖1是根據本發明實施例1制造的超高強度鐵素體鋼NSF104的基體中富Cu納米團簇的高分辨透射電鏡照片；
[0030]圖2是根據本發明實施例1制造的超高強度鐵素體鋼NSF104的基體中納米碳化物的高分辨透射電鏡照片；
[0031]圖3是根據本發明實施例1制造的超高強度鐵素體鋼NSF104的顯微組織形貌掃描電鏡照片；
[0032]圖4是根據本發明實施例1制造的超高強度鐵素體鋼NSF108和對比鋼T24的拉伸應力應變曲線。
【具體實施方式】
[0033]下面根據具體實施例對本發明的技術方案做進一步說明。本發明的保護范圍不限于以下實施例，列舉這些實例僅出于示例性目的而不以任何方式限制本發明。
[0034]本發明提供一種富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼，按重量百分比計，其化學組分如下:C為O~0.2% ；Cu為0.5~5% ；Ni為0.01~4% ；Mn為0.01~4% ；A1為
0.001 ~2% ;Cr 為?~12% ;Mo 為 O ~3%，W 為 O ~3%，Mo+W 不低于 0.05% ;V 為 O ~0.5%,Ti 為 O ~0.5%, Nb 為 O ~0.5%, V+Ti+Nb 不低于 0.01% ;Si 為 O ~1% ；B 為 0.0005 ~0.05% ；P不高于0.04% ；S不高于0.04% ；N不高于0.04% ；0不高于0.05% ;余量為Fe和不可避免的雜質。
[0035]以下對所述富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼中各化學組分含量范圍的限定理由進行說明:
[0036]C:與V、Ti和Nb形成穩定的納米碳化物，既能產生析出強化作用，還能有效細化鐵素體晶粒，產生細晶強化作用，從而提高鋼的強度，在本發明中為了保證鋼的優良焊接性能和韌性，僅使用低的碳含量，因此本發明將C的含量限定在O~0.2% ；
[0037]Cu:納米團簇的最主要組成元素，也是本發明中納米團簇強化的最重要元素，利用成本較低的Cu形成納米團簇可有效強化鐵素體鋼，減少碳化物強化的應用，進而可降低鋼中的含碳量，有助于改善鋼的焊接性能和韌性，此外Cu還具有提高鋼在大氣和海水中耐腐蝕性的作用，當Cu含量低于0.5%時，強化效果不明顯，而當Cu含量過高時，會產生熱脆性，對加工性能不利，因此本發明將Cu含量限定在0.5~5% ；
[0038]N1:納米團簇的組成元素之一，參與納米團簇析出強化作用，并能阻礙納米團簇長大，有助于細化納米團簇，Ni還有助于改善鋼的韌性，然而Ni為奧氏體形成元素，其含量過高時，鋼中會殘留奧氏體，造成組織不均勻，且會增加生產成本，因此本發明將Ni含量限定在 0.01 ~4% ；
[0039]Mn:納米團簇的組成元素之一，參與納米團簇析出強化作用，Mn為奧氏體形成元素，具有推遲奧氏體向鐵素體轉變的作用，有利于細化鐵素體晶粒，提高強度和韌性，然而Mn含量過高時，鋼中會殘留奧氏體，造成組織不均勻，并且高的Mn含量會導致鋼坯偏析、韌性變差及可焊性降低，因此本發明將Mn含量限定在0.01~4% ；
[0040]Al:納米團簇的組成元素之一，參與納米團簇析出強化作用，Al還是煉鋼過程中的脫氧劑，有凈化鋼液的作用，然而Al含量過高時，會帶來冶煉澆鑄的困難，因此本發明將Al含量限定在0.001~2% ；
[0041]Cr:抗氧化和抗腐蝕元素，可提高鋼的抗氧化和耐腐蝕性能，同時還是鐵素體形成元素，可增加和穩定鋼的鐵素體組織，然而Cr含量過高會降低鋼的韌性，且會增加生產成本，因此本發明將Cr含量限定在O~12% ；
[0042]Mo和W:鐵素體形成元素，穩定鋼的鐵素體組織，還能起到固溶強化作用，然而Mo和W添加過多，基體會析出Fe2Mo和Fe2W脆性相，使鋼的韌性降低，因此本發明將Mo和W的含量均限定在O~3%，且Mo和W的總量不低于0.05% ；
[0043]V,Ti和Nb:強碳化合物形成元素，與C形成面心立方結構的MC型碳化物(M:V、Ti或Nb)，具有尺寸小、熱穩定性高的特點，可有效阻礙晶粒長大，發揮細晶強化和析出強化的作用，在本發明中為了保證鋼的優良焊接性能和韌性，僅使用低的碳含量，添加0.5%的V、Ti或Nb即可使固碳效果達到飽和，因此本發明將V、Ti和Nb的含量均限定在O~0.5%，且V、Ti和Nb的總量不低于0.01% ；
[0044]S1:提高碳分配，防止滲碳體的形成，還能穩定鋼的鐵素體組織，起到固溶強化作用，然而Si添加過多時，會降低鋼的韌性，因此本發明將Si含量限定在O~1% ；
[0045]B:可顯著凈化晶界，改善鋼的強度和韌性，然而B含量過高時，晶界會析出過多硼化物，降低鋼的韌性，因此本發明將B含量限定在0.0005~0.05% ；
[0046]P和S:鋼中不可避免的雜質元素，含量高時會與Cu形成脆性化合物，危害鋼的韌性和焊接性能，因此P和S的含量均控制在0.04%以下；
[0047]N和O:鋼中不可避免的雜質元素，危害鋼的韌性和焊接性能，因此N和O的含量分別控制在0.04%和0.05%以下；
[0048]上述以外的成分為Fe及其他不可避免的雜質，在不損害本發明效果的范圍內，不排除還含有上述以外的成分。
[0049]本發明還提供一種制造所述富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼的方法，其步驟如下:
[0050](I)使所述富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼的化學組分構成的原料組合物依次進行熔煉、鑄造和鍛軋；
[0051](2)進行固溶處理，然后冷卻至室溫；
[0052](3)進行時效處理，然后冷卻至室溫。
[0053]根據本發明的方法，可于電弧爐、轉爐、感應爐中進行冶煉，然后可采用連鑄方式生產鑄坯或采用模鑄方式生產鑄錠，所述鑄坯或鑄錠具有良好的冷、熱加工性能，接著可進行冷軋、溫軋或者在800~1300°C范圍內進行鍛造或熱軋，經軋制或鍛造后將板材在800~1300°C范圍內進行固溶處理，處理時間為0.1~3小時，隨后冷卻，冷卻方式可為空冷、風冷、油淬或水淬，可冷卻至室溫或直接冷卻至時效溫度進行時效處理，時效處理在400~600°C范圍內進行，處理時間為0.1~20小時，隨后冷卻，冷卻方式同樣可為空冷、風冷、油淬或水淬，最終得到本發明的富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼。
[0054]本發明通過鍛軋等冷熱變形工藝，可細化晶粒，還可引入大量位錯和空位等缺陷，為高濃度納米團簇成核提供良好條件，還可實現位錯強化。隨后根據本發明進行熱處理，即在特定溫度下先后進行一定時長的固溶處理和時效處理，經過固溶處理得到鐵素體過飽和固溶體，通過合理控制時效溫度和時效時間有效控制納米團簇的析出和長大。就固溶處理而言，Cu元素在面心立方結構的奧氏體中具有很大固溶度，根據本發明在800~1300°C進行固溶處理，可保證所添加的Cu元素能夠完全固溶于基體之中，而溫度過高晶粒則會嚴重粗化，鋼的強度和韌性均會下降。就時效處理而言，Cu元素在鐵素體中的固溶度很低，而且固溶度會隨溫度的下降而下降，若采用過高的時效溫度，納米團簇將會粗化，若采用過低的時效溫度，納米團簇則析出不足。根據本發明經過上述固溶處理后再于400~600°C進行時效處理之后，經高分辨透射電鏡照片證實，鐵素體基體中共格析出了濃度高、分布均勻、尺寸細小的富Cu納米團簇。根據納米析出相強化機制，位錯與析出相交互作用，析出相有效阻礙位錯移動，從而實現強化，在析出相數量多、尺寸小、分布均勻的情況下可獲得最大的強化效果。本發明通過合理調控合金化元素和熱處理工藝獲得濃度高、分布均勻、尺寸細小的富Cu納米團簇，最大限度的發揮了富Cu納米團簇的強化作用。此外，在本發明中，除Cu元素外還有其它元素(N1、Mn和Al)也是納米團簇的重要組成，不僅影響納米團簇的成核，而且能夠阻礙納米團簇長大，有助于細化納米團簇。
[0055] 此外，本發明的富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼中還包含碳化物形成元素(V、Ti和Nb)和微量碳元素(C)，經上述熱處理之后，在鐵素體基體中以界面析出形式析出少量復合納米碳化物，在不危害焊接性能和韌性的情況下，這些細小、熱穩定性高的納米碳化物起到了細晶強化作用。同時本發明通過優化各種合金元素種類和含量，積極發揮了合金元素(例如Mo和W)的固溶強化作用，并通過合理的冷熱變形和熱處理工藝，實現了位錯強化，從而達到以富Cu納米團簇強化為主并結合細晶強化、固溶強化和位錯強化實現復合強化的效果。
[0056]除非另作限定，本發明所用術語均為本領域技術人員通常理解的含義。
[0057]以下結合附圖，通過實施例對本發明作進一步地詳細說明。
[0058]實施例1
[0059]根據本發明富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼的組成范圍，冶煉了 9種發明鋼NSFlOl~109，同時冶煉了電站應用的T24鋼作為比較。按照表1所示NSFlOl~109和T24的合金成分組成，在電弧熔煉爐中進行冶煉和澆鑄，將制得的鑄錠以每次5~10%的壓下量進行軋制處理，得到總變形量為70%左右的板材。將軋制后的板材在900°C下進行0.5小時固溶處理，隨后以氬氣淬冷方式冷卻至室溫，然后在550°C下進行2小時時效處理，隨后同樣以氬氣淬冷方式冷卻至室溫，從而制得發明鋼NSFlOl~109和對比鋼T24。
[0060]表1.發明鋼NSFlOl~109和對比鋼T24的合金成分組成
[0061]
【權利要求】
1.一種富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼，按重量百分比計，其化學組分如下:
C 為 O ~0.2% ；Cu 為 0.5 ~5% ；Ni 為 0.01 ~4% ；Mn 為 0.01 ~4% ；A1 為 0.001 ~2% ；Cr為O~12% ;Mo為O~3%，W為O~3%，Mo+ff不低于0.05% ;V為O~0.5%, Ti為O~0.5%, Nb 為 O ~0.5%, V+Ti+Nb 不低于 0.01% ;Si 為 O ~1% ；B 為 0.0005 ~0.05% ;P 不高于0.04% ；S不高于0.04% ；N不高于0.04% ；0不高于0.05% ;余量為Fe和不可避免的雜質。
2.根據權利要求1的富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼，所述富Cu納米團簇的組成元素為Cu、N1、Mn、Al。
3.根據權利要求1的富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼，所述富Cu納米團簇的平均尺寸為3nm，間距為2~10nm，每立方微米納米團簇數不少于10，000個。
4.根據權利要求1的富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼，其中還包含復合納米碳化物(V, Ti, Nb) C，所述復合納米碳化物(V, Ti, Nb) C的尺寸為5~10nm0
5.根據權利要求1的富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼，其基體組織為鐵素體，所述鐵素體的平均晶粒尺寸為I~20 μ m。
6.根據權利要求1至5中任一項的富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼，其屈服強度為 900 ~1200MPa。
7.根據權利要求1至5中任一項的富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼，其拉伸強度為 1200 ~1500MPa。
8.根據權利要求1至5中任一項的富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼，其伸長率為10~20%ο
9.根據權利要求1至5中任一項的富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼，其斷面收縮率為50%~80%。
10.一種制造前述任一項權利要求的富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼的方法，其步驟如下: (1)使所述富Cu納米團簇強化的超高強度鐵素體鋼的化學組分構成的原料組合物依次進行熔煉、鑄造和鍛軋； (2)進行固溶處理，然后冷卻至室溫； (3)進行時效處理，然后冷卻至室溫。
11.根據權利要求10的方法，其中所述固溶處理在800~1300°C范圍內進行。
12.根據權利要求11的方法，其中所述固溶處理在900°C進行。
13.根據權利要求11或12的方法，其中所述固溶處理進行0.1~3小時。
14.根據權利要求13的方法，其中所述固溶處理進行0.5小時。
15.根據權利要求10的方法，其中所述時效處理在400~600°C范圍內進行。
16.根據權利要求15的方法，其中所述時效處理在550°C進行。
17.根據權利要求15或16的方法，其中所述時效處理進行0.1~20小時。
18.根據權利要求17的方法，其中所述時效處理進行2小時。
【文檔編號】C22C38/58GK104046917SQ201310081053
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年3月13日 優先權日:2013年3月13日
【發明者】劉錦川, 焦增寶 申請人:香港城市大學