一种纳米级球形渗碳体强化的铁素体钢板及其制备方法技术

一种纳米级球形渗碳体强化的铁素体钢板及其制备方法，钢板的成分按质量百分比：Cr：0.95～1.05％，Mo：0.95～1.00％，Mn：0.68～0.75％，Ni：0.57～0.62％，Al：0.37～0.52％，C：0.39～0.45％，余量为Fe和不可避免杂质；铁素体钢板的微观结构为等轴铁素体晶粒，纳米级球形渗碳体弥散分布于铁素体晶界区域，晶粒的直径在0.4～3μm，纳米级球形渗碳体的尺寸是70～150nm；铁素体钢板的厚度为1.4～2.0mm。制备方法：(1)气体保护下熔炼；(2)固溶处理后热轧；(3)热处理后温轧；(4)退火得成品钢板。本发明专利技术钢板，提高了钢板的屈服强度和抗拉强度，具有较好的加工性能和塑性变形能力；本发明专利技术制备方法简单，可工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于冶金
，特别涉及一种纳米球形渗碳体强化的铁素体钢板及其制备方法。
技术介绍
钢是所有金属中用途最广泛的一种材料，在航空、核能、舰船、石化等工业领域广泛应用，钢材的性能与人们的生活安全密切相关。目前，工业用钢的开发主要致力于提高钢的强度并保持其成形性。研发质量轻、耐冲击的运输工具体系的新设计理念要求开发强度高及能量吸收能力优良、比质量轻的材料。提高强度可以减轻重量(满足节能环保需求)，而提高塑性则可满足复杂结构件的形状设计及提高安全性能的需求。但由于我国钢铁企业对一些高附加值钢材产品生产能力不足，长期依赖进口。自上世纪90年代开始，中国造船业大规模进入国际市场并已逐步成为我国支柱产业之一，船舶工业持续呈现强劲的增长势头，占世界造船市场份额不断扩大。为了推动中国造船的持续发展，国家发改委曾提出在2015年打造第一造船国，船舶产量大于2400万载重吨，占世界市场份额的35％左右。随着我国造船事业的蓬勃发展，船用钢板的需求持续增加，而船舶的大型化和轻型化，一般强度船板己不能满足船体的需求，高强度船体结构钢板的比例正在不断提高。研究结构钢微合金化、超细晶化对钢性能的影响，通过试验分析研究高强度船体结构钢板的力学性能，对于探讨未来高强度船体用钢的发展方向具有促进作用。基础理论的突破是新一代船体结构钢发展的关键。发达国家正在加紧研发相当于目前常用钢材强度2倍甚至更高的超级钢。它具有超细化、超洁净、超均质的组织和成分特征，以及高强度高韧性的力学性能特征。我国称它为“新一代钢铁材料”，而日本称它为“超级钢”。“新一代钢铁材料”或“超级钢”的核心理论和技术是实现钢材内部组织的超细化，将目前细晶钢的基体组织细化至微米数量级，使其强度显著提高。它的强化途径完全不同于传统的以合金元素添加为主要手法的强化途径，而是采用了尽量降低合金成分含量，使其碳当量维持在低碳钢的水平上，依靠晶粒超细化来提高强度。超级钢铁材料的研究计划采用了晶粒超微细化、成分合金化或不添加合金元素的途径，可以获得易于焊接的以铁素体为主相组织的钢材。这是在前一时期的理论突破基础上制定并开始实施的计划，对未来高强度结构钢的发展具有指导意义。我国对超细晶粒钢的研究，除了采用强力变形和动态再结晶轧制因素外，主要发展了形变和相变耦合在超细晶钢中的作用。形成了以变形诱导铁素体相变(DIFT)为核心的细晶粒或超细晶粒形成理论和控制技术，实现细晶粒或超细晶粒钢的工业化生产。变形诱导铁素体相变是指在钢的Ac1温度附近施加变形，变形中奥氏体能量升高，稳定性降低，从而导致奥氏体一铁素体相变。由于相变是在变形过程中，而不是在变形之后的冷却过程中发生的，因而又被称为动态相变(DynamicTransformation)。这种相变之所以引起人们的关注，一方面是因为它能够获得超细晶，另一方面是因为它具有较好的工业化前景。高强度高韧性是钢铁材料的主要追求目标。目前所遇到的主要问题是如何在提高其强度的同时能保持良好的韧性。提高钢铁材料强度的途径主要包括利用点缺陷(固溶强化)、线缺陷(位错)、面缺陷(细晶)及体缺陷(第二相)的强化作用等四种。其中，通过细化晶粒使晶粒(或亚结构)减小至超细晶/纳米尺度是同时获得超高强度及高韧性钢的有效方法。但是，晶粒细化到1mm之后，由于屈服强度的提高明显大于抗拉强度的提高，屈服比将迅速增大到0.9以上，对安全性和冷加工性能明显不利。因此，在晶粒细化的同时，对于第二相的微细化及其形状和分布状态的有效控制是未来钢铁材料科学与技术的最重要发展方向。在提高钢铁材料强度的各种措施中，细化晶粒是钢铁材料发展的重要方向。目前，美国、日本、瑞典的纳米结构钢产业化发展较快。正在探索的将晶粒细化至纳米量级的结构钢及合金的制造工艺主要包括：激光熔化和搅拌摩擦处理；相转变诱导纳米/超细晶粒钢；马氏体时效处理和相变诱导塑性(TRIP)效应相结合。高强度船体结构钢的化学成分设计是采用在C-Mn钢基础上加入适量Cu，Ni，Cr等元素以改善钢的耐大气腐蚀性。其特点为：(1)C，Mn，元素以固溶强化的作用保证钢的基本强度要求；(2)严格控制S，P的含量，确保钢板具有良好的冲击韧性；(3)合金元素Cu，Ni，Cr等可以提高钢的强度，还可以改善钢的抗大气腐蚀性能，Ni还能降低钢的低温脆性转折温度。考虑到大生产的要求以及高强度船板强度与塑性的配比，韧性的储备及可焊性、耐腐性、交货状态等要求，并据此进行成分设计。实际操作中C含量按中下限控制，主要是从“降C提Mn”的角度出发，这样既可以满足强度的要求，又可以改善钢材的韧性和焊接性能。实际冶炼过程中采用Al微合金化，达到细化晶粒提高冲击韧性的目的并避免了因强度过高而造成的延伸率降低。目前，普通的铁素体钢屈服强度约为100MPa，抗拉强度270MPa；在微合金化后屈服强度和抗拉强度可以分别提高另为150MPa、320MPa(景财年，王作成，韩福涛，张文平，衣彦宏，铁素体区热轧Ti-IF钢的组织和性能，特殊钢，卷2，23-25(2006)；李贺杰，赵劲松，韩静涛，刘均贤，IF钢(无间隙原子钢)的发展、应用及展望，唐山学院学报，卷21，3-6(2007))。然而，实践表明，汽车用钢最理想的屈服强度值应该在400～700MPa之间(O.Bouaziz，S.Allain，C.P.Scott，Highmanganeseaustenitictwinninginducedplasticitysteels：Areviewofthemicrostructurepropertiesrelationships.Curr.Opin.SolidStateMater.Sci.Vol.15，141-152(2011))。因此，如何通过适当的成分及加工工艺设计，通过晶界或亚结构对位错的阻碍钉扎作用，提高铁素体钢的屈服强度，同时使其具有一定的塑性变形能力，降低初次使用时的变形量而进一步提高铁素体钢耐冲击性、能量吸收能力而使其成为新一代运输工具材料，成为材料研究工作者的新课题及研究热点之一。在工程应用上，为了强化材料采用细化晶粒法，即利用大量晶界限制或钉轧位错运动来提高材料的强度，可由著名的Hall-Petch关系(σ＝σ0+kd-1/2)来描述。人们已经从各种金属及合金中观察到高强度，大多数金属材料的屈服强度和硬度值随晶粒尺寸的减小表现出增加的趋势，很好地遵从Hall-Petch关系。然而，大量科研实践已经证明，当晶粒尺寸减小到纳米尺度时，钢材的屈服强度和硬度值出现了非线性特征，因此需要寻找新本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米级球形渗碳体强化的铁素体钢板，其特征在于，所述钢板的化学成分按质量百分比为：Cr：0.95～1.05％，Mo：0.95～1.00％，Mn：0.68～0.75％，Ni：0.57～0.62％，Al：0.37～0.52％，C：0.39～0.45％，余量为Fe和不可避免杂质；铁素体钢板的微观结构为等轴铁素体晶粒，纳米级球形渗碳体弥散分布于铁素体晶界区域，晶粒的直径在0.4～3μm，纳米级球形渗碳体的尺寸是70～150nm；铁素体钢板的厚度为1.4～2.0mm。

【技术特征摘要】
1.一种纳米级球形渗碳体强化的铁素体钢板，其特征在于，所述钢板的化学成分按质量百分
比为：Cr：0.95～1.05％，Mo：0.95～1.00％，Mn：0.68～0.75％，Ni：0.57～0.62％，Al：0.37～0.52％，
C：0.39～0.45％，余量为Fe和不可避免杂质；铁素体钢板的微观结构为等轴铁素体晶粒，纳
米级球形渗碳体弥散分布于铁素体晶界区域，晶粒的直径在0.4～3μm，纳米级球形渗碳体的
尺寸是70～150nm；铁素体钢板的厚度为1.4～2.0mm。
2.根据权利要求1所述的纳米级球形渗碳体强化的铁素体钢板，其特征在于，所述钢板的抗
拉强度为1040～1270MPa，屈服强度为1000～1240MPa；拉伸延展率为16～21％。
3.权利要求1所述的纳米级球形渗碳体强化的铁素体钢板的制备方法，其特征在于，包括如
下步骤：
步骤1，熔炼：
按照纳米级球形渗碳体强化的铁素体钢薄板的化学成分配料，在保护气体条件下熔炼，
浇注成铸锭；
步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：申勇峰，王鹏杰，冯晓伟，杨世全，
申请(专利权)人：东北大学，中国工程物理研究院总体工程研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21