CN109930069B - 一种兼具超高强度高韧性的轻型钢板的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种兼具超高强度高韧性的轻型钢板的制造方法，涉及超高强韧性钢板制造领域，主要解决传统钢板制造成本高、密度高、强度和韧性不能同时提高的问题。本发明化学成分的重量百分比为：0.30‑0.45wt％C，1.0‑2.0wt％Si，2.0‑4.0wt％Al，6.0‑7.0wt％Mn，0.30‑0.50wt％V，0.02‑0.05wt％Nb，0.001‑0.005wt％B，N≤0.003wt％，P≤0.015wt％，S≤0.005wt％，余量为铁和不可避免的杂质。通过合理的成分配比，成功使超高强韧性轻型钢板的密度降至7.4g/cm³以下；超高强韧性轻型钢板经冶炼、浇铸、热轧、回火处理后获得屈服强度≥1300MPa，抗拉强度≥2000MPa，延伸率≥12％，‑40℃冲击功＞45J，90°冷弯性能完好的优良力学性能；同时可以有效抵御7.62mm钢芯弹820m/s射速的正面垂直射击。该超高强高韧轻型防护钢板可以广泛应用于运钞车、押解车辆、贵宾车辆、防盗门、银行柜台防护板、保险柜、盾牌、钢盔等民用防护领域。

Description

一种兼具超高强度高韧性的轻型钢板的制造方法

技术领域

本发明属于金属材料领域。具体涉及一种兼具超高强度高韧性的轻型钢板的制造方法。

背景技术

超高强韧性钢板作为特殊用途的合金结构钢，它既有合金结构钢的共性又有防护使用要求的特性。超高强韧性钢板可以用于运钞车、押解车辆、贵宾车辆、防盗门、银行柜台防护板、保险柜、盾牌、钢盔等领域。其性能要求同时具备高强度、高韧性和高硬度，高硬度和高强度可以有效抵挡子弹冲击，防止钢板被子弹击穿；高韧性能够最大限度的吸收子弹的动能，防止钢板发生碎裂或者崩裂。所以说它代表着一个国家钢铁生产最先进的技术，也代表着钢铁发展的最新方向。

在一百多年的超高强韧性钢板发展中，逐渐形成了以Cr-Ni-Mo为主要成分的中碳马氏体或贝氏体回火钢。利用高硬度的板条马氏体或贝氏体铁素体和碳化物组成的混合组织提高钢板的强度和硬度，同时拥有一定的韧性。如：中国专利文献CN103510017A(申请号：201210201402.9)公开了一种超高强度轻型防护钢板及其制造工艺，该专利成分设计采用C(0.25-0.33％)、Si(0.20-0.40％)、Mn(1.1-1.50％)，并且添加Cr、Nb、V、Ti和B等合金元素。工艺上采用850-900℃奥氏体化后淬火并在140-220℃温度下保温，获得回火马氏体超高强度钢板。

如：中国专利文献CN104674121B(申请号：201510104925.5)公开了一种高抗弹性的高强度防护钢板及其制造方法，该专利成分设计采用C(0.20-0.28％)、Mn(0.20-0.50％)、Si≤0.10％，添加Cr、Mo和Ti等贵重合金元素。工艺上采用860-900℃奥氏体化淬火并在160-280℃回火，得到回火马氏体高强度钢。

如：中国专利文献CN105369150B(申请号：201410426019.2)公开了一种超高强度防护钢板及其制造方法，该专利成分设计采用C(0.50-0.53％)、Si(1.65-1.85％)、Mn≤0.20％，添加Cr、Ni、Mo、V等合金元素。工艺上采用电炉+精炼→铸造电极→电渣→热轧→退火的生产过程得到超高强度马氏体退火钢。

如：中国专利文献CN101624681B(申请号：200910063579.5)公开了一种超高强度贝氏体防护用钢及其制造方法，该专利成分设计采用C(0.70-1.10％)、Si(1.20-1.80％)、Mn(1.60-2.20％)、Al(0.05-1.20％)，并且添加Cr、Mo、Co等合金元素。Si(1.20-1.80％)、Mn(1.60-2.20％)、Al(0.05-1.20％)，并且添加Cr、Mo、Co等合金元素。工艺上采用850-1050℃奥氏体化后在200-500℃氮气气氛中保温10.0-240.0小时，随炉冷却至室温，或在200-500℃、氮气气氛和8-12T强磁场的条件下保温1.0-4.0小时，随炉冷却至室温，得到超高强度贝氏体防护用钢。

由上述分析可以看出以上专利存在如下问题：

一、传统超高强度马氏体和贝氏体钢板都添加了大量合金元素Cr、Ni、Mo，钢水凝固过程中容易发生合金元素偏析，恶化性能，同时大大增加了生产成本。

二、传统的超高强韧性钢板为马氏体或者贝氏体组织，拥有很高的强度，但是延伸率和韧性比较低，不能在满足抗弹性能需求的同时拥有高韧性。

三、对于超高强韧性钢板，碳含量一般高于0.5％，过高的碳含量不仅会使钢板变脆，降低其塑性，还会使焊接性能变差。

四、传统的超高强韧性钢板通过降低钢板厚度实现轻量化的目的，为了不降低钢板的防护能力，必须不断提高钢板的强度，对超高强韧性钢板的要求越发严苛。

面对以上问题，急需开发一种高强度、高韧性、经济节约型、轻量化的超高强韧性钢板，满足防护领域的需求。

发明内容

针对上述技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种兼具超高强度高韧性的轻型钢板及其制造方法，该新型超高强度高韧性的轻型钢板的密度<7.4g/cm³，硬度达560-705HBW，屈服强度≥1300MPa，抗拉强度≥2000MPa，延伸率≥12％，-40℃冲击功＞45J，90°冷弯性能完好；同时可以有效抵御53式7.62mm普通钢芯弹攻击。此超高强度高韧性的轻型钢板成分设计体系简单、原材料价格低廉、加工工艺简便，可以满足轻量化超高强韧性钢板的需求。

本发明的技术方案如下：

一种兼具超高强度高韧性的轻型钢板，其化学成分的重量百分比为：C:0.30-0.45％，Si:1.0-2.0％，Al:2.0-4.0％，Mn:6.0-7.0％，V:0.30-0.50％，Nb:0.02-0.05％，B:0.001-0.005％，N≤0.003％，P≤0.015％，S≤0.005％，余量为铁和不可避免的杂质。

该钢板还可以包括以下Cr:0.5-2.0wt％、Ni:0.5-3.0wt％、Mo:0.1-1.0wt％、Co:0.1-1.0wt％、Cu:0.1-1.0wt％、Ti:0.1-0.5wt％、RE稀土：0.002-0.005wt％或Ca：0.005-0.03wt％中的一种或多种混合。

本发明的兼具超高强度高韧性的轻型钢板，钢板厚度4-6mm。

本发明的兼具超高强度高韧性的轻型钢板的制备工艺

一、按照上述技术方案中的化学成分百分比分别配比原料，通过转炉、电炉或者真空感应炉冶炼并精炼钢液。

二、将步骤一冶炼的钢液，通过连铸生产得到铸坯或模铸生产得到铸锭。

三、将铸坯或铸锭经1050-1200℃加热，经粗轧机进行3-10道次轧制，热轧至40-80厚度规格，在温度为1050-1200℃进入精轧机组进行5-10道次轧制，每道次轧制压下量控制在20-40％之间，精轧阶段总压下率大于90％，最终将热轧板轧制到4-6mm，空冷至室温。

四、将热轧后的钢板在150-300℃罩式退火1-2h，取出后空冷至室温，得到密度<7.4g/cm³，硬度560-705HBW，屈服强度≥1300MPa，抗拉强度≥2000MPa，延伸率≥12％，-40℃冲击功＞45J，90°冷弯性能完好；同时可以有效抵御53式7.62mm普通钢芯弹攻击的兼具超高强度高韧性的轻型钢板。

本发明制造的兼具超高强度高韧性的轻型钢板的显微组织是由纳米马氏体板条基体、少量细长的δ铁素体与残留的奥氏体组成的细晶组织。在基体和晶界上分布着细小的析出相，进一步提高钢的屈服强度。细小的铁素体和残留的奥氏体在受到外力作用时会首先发生塑性变形，吸收和消耗能量，延缓裂纹的扩展，可以有效提高钢的韧性；当外力继续增大时奥氏体会发生相变诱发塑性效应(TRIP效应)，进一步提高钢的抗拉强度和塑性。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)、本发明的化学成分体系设计中没有添加Cr、Ni、Mo、Co等贵重合金元素，只是通过合理调整C、Mn、Si、Al及合金元素V、Nb、B的添加量，利用马氏体相变强化，细晶强化，析出强化来强化基体。与传统马氏体钢通过贵重合金元素提高钢的淬透性不同，利用增加的锰含量达到同样提高钢的淬透性且残留适当奥氏体的目的，既降低了生产成本又避免了成分偏析。

(2)、传统超高强韧性钢板通过降低钢板的厚度来实现轻量化的目的，这无疑降低了钢板的防护能力并对钢板的强度和韧性水平提出了更加苛刻的要求。本发明在不降低钢板厚度的前提下，通过适量添加轻量化元素Si、Al来降低钢板的密度，同样达到钢板轻量化的目的。本发明成功的使超高强韧性钢板的密度降低至7.4g/cm³以下。在不降低超高强韧性钢板防护能力的前提下提升了车辆的机动性。

(3)、传统超高强度防护钢板的制备工艺相对复杂，涉及到钢水冶炼、精炼、连铸、热轧、重新奥氏体化、回火或者外加强磁场工艺，操作复杂而且耗时、耗能。本发明的兼具超高强度高韧性的轻型钢板采用热轧板直接进行低温回火处理，确保钢板性能的同时简化工序，节省时间和能源。

附图说明

图1为本发明生产的热轧钢板150℃回火2h后的钢板抗弹试验照片，钢芯弹，直径7.62mm，射速820m/s，垂直射击，两发弹的弹坑正面照，未穿未裂。

图2为本发明生产的热轧钢板200℃回火1h后的显微组织扫描电镜照片。

图3为本发明生产的热轧钢板200℃回火1h后，-40℃冲击断口显微形貌扫描电镜照片。

图4为本发明生产的热轧钢板200℃回火1h后，90°冷弯样品照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。

实施例1

一种兼具超高强度高韧性的轻型钢板的制造方法，铸坯的化学成分及其成分重量百分比为：

C:0.35％，Si:1.35％，Al:2.45％，Mn:6.47％，V:0.32％，Nb:0.034％，B:0.0021％，N≤0.003％，S≤0.005％，P≤0.015％，余量为Fe及其他不可避免杂质。

本发明提供的兼具超高强度高韧性的轻型钢板的制造方法包含以下步骤：

(1)、冶炼浇铸：采用实施例1所示化学成分百分比称取原料，通过真空感应炉冶炼并浇铸成钢锭后，热锻成50mm厚的板坯；

(2)、热轧：将热锻后的板坯在1150℃固溶2小时，开轧温度1100℃，经8-9道次轧至5mm厚，终轧温度800℃，轧后空冷至室温。

(3)、回火：将热轧后的钢板在150-300℃罩式回火1-2小时，然后空冷至室温。冷后截取400mm长钢板进行防弹试验；加工25mm标距样品进行拉伸实验；纵向切割200mm长弯曲试样进行90°冷弯实验。

实施例2

一种兼具超高强度高韧性的轻型钢板的制造方法，铸坯的化学成分及其成分重量百分比：

C:0.41％，Si:1.67％，Al:3.53％，Mn:6.89％，V:0.45％，Nb:0.044％，B:0.0035％，N≤0.003％，S≤0.005％，P≤0.015％，余量为Fe及其他不可避免杂质。

本发明提供的兼具超高强度高韧性的轻型钢板的制造方法包含以下步骤：

(1)、冶炼浇铸：采用实施例2所示化学成分百分比称取原料，通过真空感应炉冶炼并浇铸成钢锭后，热锻成70mm厚的板坯；

(2)、热轧：将热锻后的板坯在1200℃固溶2小时，开轧温度1150℃，经7-8道次轧至4.5mm厚，终轧温度850℃，轧后空冷至室温。

(3)、回火：将热轧后的钢板在150-300℃罩式回火1-2小时，然后空冷至室温。空冷后截取400mm长钢板进行抗弹试验；加工25mm标距样品进行拉伸实验；纵向切割200mm长弯曲试样进行90°冷弯实验。

表1实施例及对比例的力学性能

对比例1～4力学性能数据来源于瑞典SSAB公司官网介绍，网址：www.ssab.com。

由表1可以看出，本实施例制造的兼具超高强度高韧性的轻型钢板的硬度和抗拉强度高于传统高强度防护钢，并且延伸率也高于传统超高强度防护钢的延伸率，表明本发明的兼具超高强度高韧性的轻型钢板的力学性能优于传统的防护钢，防弹性能更加优越。同时由于本发明的超高强韧性钢板拥有更低的密度和更简单的成分设计体系，所以可以广泛应用于运钞车、押解车辆、贵宾车辆、防盗门、银行柜台防护板、保险柜、盾牌、钢盔等民用防护领域。

Claims (4)

1.一种兼具超高强度高韧性的轻型钢板的制造方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

(1)冶炼：通过转炉、电炉或真空感应炉获得具有如下基本成分体系的钢水，其化学成分的重量百分比为：C:0.30-0.45wt％，Si:1.0-2.0wt％，Al:2.0-4.0wt％，Mn:6.0-7.0wt％，V:0.30-0.50wt％，Nb:0.02-0.05wt％，B:0.001-0.005wt％，N≤0.003wt％，P≤0.015wt％，S≤0.005wt％，余量为铁和不可避免的杂质；

(2)铸造：将步骤(1)所获得的钢液，通过连铸生产得到铸坯或模铸生产得到铸锭；

(3)热轧：将上述铸坯或铸锭经1050-1200℃加热，经粗轧机进行3-10道次轧制，热轧至40-80mm厚度规格，在温度为1050-1200℃进入精轧机组进行5-10道次轧制，每道次轧制压下量控制在20-40％之间，精轧阶段总压下率大于90％，最终将热轧板轧制到4-6mm，空冷至室温；

(4)回火：轧制后的钢板进行回火处理，空冷至室温，得到成品板；

钢板的密度<7.4g/cm³，热处理后钢板的屈服强度≥1300MPa，抗拉强度≥2000MPa，延伸率≥12％，-40℃冲击功＞45J，90°冷弯性能完好；同时能有效抵御53式7.62mm普通钢芯弹的攻击。

2.根据权利要求1所述的兼具超高强度高韧性的轻型钢板的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，热轧终轧温度控制在800-900℃。

3.根据权利要求1所述的兼具超高强度高韧性的轻型钢板的制造方法，其特征在于，步骤(4)中，回火温度150-300℃，回火时间1-2h。

4.一种采用权利要求1所述制造方法制备而获得的兼具超高强度高韧性的轻型钢板，其特征在于，在步骤(2)所制得的铸坯或铸锭中还能另加以下一种或多种元素，进一步提高性能：Cr:0.5-2.0wt％、Ni:0.5-3.0wt％、Mo:0.1-1.0wt％、Co:0.1-1.0wt％、Cu:0.1-1.0wt％、Ti:0.1-0.5wt％、RE稀土：0.002-0.005wt％或Ca：0.005-0.03wt％中的一种或多种混合。