[发明专利]低成本2.4GPa抗拉强度钢及组织性能调控热处理方法

说明书

一种低成本2.4GPa抗拉强度钢及组织性能调控热处理方法，属于钢铁材料强韧化技术领域。成分重量百分比为：C:0.45％–0.60％,Si：0.20‑1.50％，Mn：0.20％‑1.50％，Cr：1.00‑2.00％，S：≤0.01％，P：≤0.02％，Mo:≤0.50％，Nb：≤0.10％，V：≤0.10％、Ti：0‑0.10％，余量为铁和不可避免的杂质；在此基础上，添加稀土(Ce、La)：≤0.10％，Al：≤2.0％和Cu：≤1.0％。优点在于，该钢具有低成本、高强度、高塑性和高强韧等优异性能，为航空航天等高端装备的结构件、安全件及轴承齿轮用钢提供了一种低成本超高强度钢铁材料。

技术领域

本发明属于钢铁材料强韧化技术领域，特别是涉及一种低成本2.4GPa抗拉强度钢及多步组织性能调控热处理方法，低成本高强钢的成分设计及其制备工艺，本发明低成本、高强度、高塑性和高韧性钢，为航空航天等高端装备的结构件、安全件及轴承齿轮用钢提供了一种低成本高性能钢铁材料。

背景技术

超高强度钢是高端装备制造关键材料。超高强度钢一般是指屈服强度大于1200MPa，抗拉强度超过1400MPa且具有一定塑性和韧性的结构钢。高强度包括拉伸强度Rm和屈服强度Rp0.2，是零件减重设计基础；塑性和韧性包括拉伸塑性和冲击韧性，是保证零部件服役安全性的重要指标。由于超高强度钢相比于其它材料的高强度及优异综合性能而被大量应用于航空航天及其他高端装备领域。

伴随着材料科学持续发展和高端装备轻量化要求，钢铁材料强度极限随着新钢种的出现而不断得到突破。这些发展体现在了从低于1000MPa的普通铁素体(IF)和奥氏体(ASS316和ASS304)的低碳钢、到不高于2.0GPa的高合金马氏体钢(低合金中碳钢、高合金低碳钢和高合金不锈钢)，到强度高于4000MPa的珠光体高强钢丝的发展历程。鉴于高端装备轻量化、高安全与长寿命发展要求，优异强塑性和强韧性匹配的高强钢在近50年来得到快速发展。中合金或高合金钢钢是目前高强钢的主流，支撑了高端装备发展。但该类钢铁材料合金元素添加量多、含有Co、Mo等较为昂贵的合金元素，从而导致了超高强度钢对能源资源的高度消耗，也大幅度提升了超高强度钢生产成本，未来需要大力发展低合金高强钢，实现抗拉强度超过现有高合金高强钢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本2.4GPa抗拉强度钢及多步组织性能调控热处理方法，通过合理的合金化设计和制备技术组合，大幅降低了传统超高强钢材成本，解决了现有高强钢难以突破2.4GPa抗拉强度的困境，保障了强度、塑性和韧性的有效匹配。实现了低合金钢的高强化、高塑性和高韧性。其中Si、Cr、Mn和Mo等主体元素合金含量总和不高于5.0％，而且不含Co和Ni等高成本元素。其它辅助合金元素如Nb、V、Ti为微合金化元素，不会大幅提升发明钢成本。其次有别于传统超高强度钢需要电渣或双真空冶炼，本发明钢通过电炉或转炉冶炼+炉外精炼+连铸或模铸，即可满足方高强韧的冶金质量要求。另外热处理是实现高强度、高塑性和高韧性的关键工序，通过调质处理、淬火处理和低温回火处理，实现2.4GPa的高强度、不低于12％的高塑性以及室温U型冲击韧性不低于40J/cm²。

1、化学成分设计

本发明所述2.4GPa钢，通过C、Cr、Si、Al、Mo、Nb、V和Ti等合金化设计，实现合金元素不高于5％的低成本合金化设计。具体钢成分重量百分比为：C:0.45％–0.60％,Si：0.20-1.50％，Mn：0.20％-1.50％，Cr：1.00-2.00％，S：≤0.01％，P：≤0.02％，Mo:≤0.50％，Nb：≤0.10％，V：≤0.10％、Ti：0-0.10％，余量为铁和不可避免的杂质；在此基础上，可以添加稀土(Ce、La)：≤0.10％，Al：≤2.0％和Cu：≤1.0％。

本发明各元素的作用及配比依据主要有三点：一是通过C、Si、Mn、Cr和Mo配合，实现低密度高淬透性和淬硬性，二是通过C、Si、Mn、Cr和Mo等主体合金元素含量不高于5％实现低成本，三是通过Nb、V、和Ti的合金化实现组织细化和稳定化。