本發(fā)明涉及鋼鐵材料熱處理，具體涉及一種防彈鋼板及其熱處理方法。

背景技術(shù)：

1、隨著民用防彈車輛和警用裝備的迅猛發(fā)展，市場對于防護材料的需求日益增長，特別是那些能夠同時滿足輕量化、高精度和優(yōu)異抗彈性能的材料。當前，防彈鋼板作為主流防護材料，其技術(shù)主要圍繞高碳當量合金體系與淬火工藝的優(yōu)化進行，但在實際應(yīng)用中仍存在顯著技術(shù)瓶頸。

2、現(xiàn)有的防彈鋼板技術(shù)通常采用含有0.24-0.26％碳(c)、1.5～1.8％錳(mn)、0.45-0.55％鉻(cr)和0.5～0.6％鉬(mo)的高合金體系(如防彈鋼板protect?500)，配合分段水-氬氣霧化淬火工藝，以實現(xiàn)抗拉強度≥1500mpa的技術(shù)指標。這種技術(shù)方案在淬火高溫階段(＞400℃)采用150℃/s的快速冷卻，通過高壓水冷打破蒸汽膜，從而達到所需的力學性能。

3、然而，盡管該類技術(shù)能夠在一定程度上保障基礎(chǔ)的防彈性能，但其存在一系列共性缺陷。首先，高碳當量設(shè)計(ce＝0.53-0.61)導致焊接熱影響區(qū)(haz)的硬度高達hrc?47以上，這導致防彈鋼板在焊接后需要額外的退火工序來降低硬度，以避免焊接部位的脆性，增加了生產(chǎn)成本和工藝復雜性。其次，單一的水-氬氣淬火工藝容易造成6mm鋼板的殘余應(yīng)力≥300mpa，以及不平度＞3mm/m，這影響了材料的加工精度和表面質(zhì)量。此外，加熱爐中的氧含量＞0.03％會導致氧化層厚度≥5μm，這不僅增加了后續(xù)表面處理的成本，還可能影響材料的整體性能。

4、為了克服這些問題，行業(yè)近年來進行了多項改進嘗試。例如，通過成分優(yōu)化降低碳含量至0.20-0.22％以改善焊接性，但這卻導致了淬透性不足(臨界直徑＜10mm)，無法滿足某些高強度應(yīng)用的需求。冷卻介質(zhì)的革新，如采用聚合物淬火液，雖然能夠?qū)堄鄳?yīng)力降至200mpa以下，但冷卻速率也驟減至80℃/s，導致強度跌落至1300mpa級，犧牲了部分抗彈性能。而在保護氣體方面的升級，如使用氮氣保護，雖然可以將氧化層厚度壓縮至3μm，但易引發(fā)氮化物夾雜(n含量＞0.004％)，顯著降低材料的韌性。

5、因此，迫切需要一種能夠突破傳統(tǒng)防彈鋼板“高碳當量-高應(yīng)力-高成本”技術(shù)瓶頸的新型解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種防彈鋼板，解決現(xiàn)有防彈鋼板焊接熱影響區(qū)硬度過高，鋼板焊接后需要額外退火工藝來降低硬度，以避免焊接部位的脆性，增加了生產(chǎn)成本和工藝復雜性的問題。

2、進一步，提供了上述防彈鋼板的熱處理方法，解決現(xiàn)有熱處理工藝制得的防彈鋼板，殘余應(yīng)力大，不平整度高以及氧化層過厚增加后續(xù)處理成本的問題。

3、為了解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

4、一種防彈鋼板，按質(zhì)量百分比計，由以下組分構(gòu)成：c：0.20～0.23％，si：0.30～0.40％，mn：1.3～1.5％，al：0.015～0.06％，ni：0.2～0.5％，cr：0.2～0.4％，mo：0.35～0.45％，v：0.03～0.05％，nb：0.01～0.02％，ti：0.015～0.025％，b：0.0015～0.0025％，p≤0.008％、s≤0.0015％、n≤0.0035％、o≤0.0015％，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

5、進一步，鋼板淬火后，鋼板組織中含有2～5％的回火馬氏體和殘余奧氏體。

6、進一步，所述鋼板厚度為2.0～8.0mm。

7、進一步，所述鋼板的ce≤0.50。

8、上述防彈鋼板的熱處理方法，包括以下步驟：

9、(1)在氧含量為0.3～0.5％的氮氣氛圍中，將鋼板加熱至500～600℃，保溫1～3分鐘，使鋼板表面形成1～2μm厚的fe3o4氧化層；氮氣成本較低，以此為保護氣體實現(xiàn)可控氧摻雜更加的經(jīng)濟實惠。

10、(2)將步驟(1)所得鋼板放入氧含量≤0.02％的惰性氣體氛圍中，加熱至870～900℃，保溫x分鐘，x＝鋼板厚度*4.5～5.5min/mm；絕對惰性氛圍能夠保障高溫階段實現(xiàn)零污染，同時規(guī)避氮脆風險；且惰性氣體中氬氣的成本相對較低，因此優(yōu)選使用氬氣。

11、(3)在步驟(2)所得鋼板上下表面均勻噴灑冷卻霧進行淬火，具體為，先噴灑水-氬氣冷卻霧淬火，水壓0.4～0.5mpa，冷卻霧中，氬氣體積占比為5～8％，冷卻時間t1＝鋼板厚度*1.6～3s/mm；再噴灑水-co2冷卻霧淬火，水壓0.3～0.4mpa，冷卻霧中，co2體積占比為8～12％，冷卻時間t2＝鋼板厚度*1.3～1.7s/mm；最后噴灑水-氬氣冷卻霧淬火，氬氣壓力1.0～1.5mpa，水壓0.1～0.2mpa，冷卻時間t3＝鋼板厚度*1.3～2.0s/mm；

12、(4)將步驟(3)所得鋼板置于250～280℃保溫5～10分鐘；然后置于180～200℃保溫y分鐘，y＝鋼板厚度*14～16min/mm。

13、進一步，步驟(3)中，所述co2的注入溫度為-50℃至-30℃。這樣，可以確保防彈鋼板在淬火過程中實現(xiàn)高冷卻效率、低殘余應(yīng)力和細晶組織的協(xié)同優(yōu)化。

14、進一步，所述冷卻霧的霧化粒徑為10～50μm。

15、進一步，步驟(3)中，淬火過程采用多通道霧化噴嘴噴灑冷卻霧，噴嘴輻射角度為100～140°。

16、進一步，所述多通道霧化噴嘴，各通道中的水、氬氣、co2的流量與壓力均獨立控制。

17、相關(guān)成分說明：本發(fā)明防彈鋼板的成分設(shè)計通過精準控制各元素含量及其協(xié)同作用實現(xiàn)性能優(yōu)化：

18、碳(c，0.20～0.23％)的核心作用是作為主要強化元素，與fe形成固溶體，提高強度和硬度；并參與形成碳化物(如vc、nbc)，細化晶粒，提升抗彈性能。控制上限為0.23％是為了避免碳當量(ce)過高導致焊接熱影響區(qū)(haz)硬度過大(＞hrc43)；控制下限為0.20％是為了確保奧氏體充分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，維持抗拉強度≥1480mpa。

19、硅(si，0.30～0.40％)的核心作用是作為脫氧劑，減少鋼中氧化物夾雜，同時抑制滲碳體析出，延緩回火脆性。si過量(＞0.40％)會降低沖擊韌性(-40℃沖擊功＜55j)；si過少(＜0.30％)會導致脫氧不充分，致使氧化物夾雜(o含量超標)，影響鋼板的力學性能。

20、錳(mn，1.3～1.5％)的核心作用是提高淬透性，擴大奧氏體相區(qū)；并與s結(jié)合形成mns，減少硫的熱脆性。過量mn(>1.5％)會增加ce值(每0.1％mn提高ce約0.017)，導致haz硬度上升；但為了保障淬透性，避免臨界直徑＜10mm，從而避免6mm鋼板芯部硬度需<hrc40(6mm鋼板芯部硬度需≥hrc40)，mn含量也不易過低(>1.3％)。

21、鋁(al，0.015～0.06％)的核心作用是作為脫氧劑，形成al2o3細化晶粒；并與n結(jié)合生成aln，抑制奧氏體晶粒長大。當al含量過多(＞0.06％)：al2o3夾雜增多，會降低疲勞壽命(＜1×106次)；al含量過少(＜0.015％)會導致脫氧不足，氧含量＞0.0015％，氧化層不均勻。

22、鎳(ni，0.2～0.5％)的核心作用是提高基體韌性，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度；并抑制回火脆性，改善焊接性能。上限0.5％：出于成本(ni價格＞$20,000/噸)控制，ni的含量不宜過高；下限0.2％：同時為了確保-50℃沖擊功≥50j(實測ni＜0.2％時沖擊功下降30％)ni的含量也不宜過低。

23、鉻(cr，0.2～0.4％)的核心作用是提高淬透性和耐蝕性；同時形成cr2o3，增強氧化層致密性。當鉻添加量過大(＞0.4％)與mo協(xié)同時易生成m6c型碳化物，降低韌性；當鉻添加量過小(＜0.2％)時，鋼板耐鹽霧腐蝕性能不足(腐蝕速率＞0.04g/m2·h)。

24、鉬(mo，0.35～0.45％)的核心作用是提高高溫強度，抑制回火軟化；同時細化碳化物，提升抗彈性能。過量mo會導致碳當量上升(ce每增加0.1％，haz硬度+hrc2)；為了確保回火抗力(190℃回火后硬度下降≤hrc3)，mo含量也不宜過少。

25、釩(v，0.03～0.05％)的核心作用是形成納米級vc(5～20nm)，釘扎位錯和晶界，提高強度；并抑制奧氏體再結(jié)晶，細化晶粒。v含量過高(＞0.05％)會導致vc粗化(＞50nm)，韌性下降；v含量過低(＜0.03％)會導致析出強化不足，抗拉強度＜1480mpa。

26、鈮(nb，0.01～0.02％)的核心作用是形成nbc，細化原始奧氏體晶粒(尺寸≤15μm)；并抑制形變奧氏體再結(jié)晶，提升加工硬化率。nb含量過高(＞0.02％)會導致成本過高且易形成大尺寸nbc(＞1μm)；nb含量過低(＜0.01％)會導致晶粒粗化(＞20μm)，不平度＞1.0mm/m。

27、鈦(ti，0.015～0.025％)的核心作用是固定鋼中游離n，形成tin，防止氮脆；并細化焊接熱影響區(qū)晶粒。ti含量過高(＞0.025％)會導致tin夾雜增多，疲勞壽命下降；ti含量過低(＜0.015％)導致n含量＞0.0035％，沖擊功波動增大。

28、硼(b，0.0015～0.0025％)的核心作用是提高淬透性，促進表面至芯部均勻硬化；并偏聚于奧氏體晶界，抑制鐵素體形核。b含量過高(＞0.0025％)會導致晶界偏聚過量，引發(fā)晶界脆性(-40℃沖擊功＜50j)；b含量過低(＜0.0015％)會導致淬透性不足，6mm鋼板芯部硬度＜hrc38。

29、雜質(zhì)元素控制：磷(p)≤0.008％：避免晶界偏聚引發(fā)冷脆(p＞0.008％時，-50℃沖擊功下降≥10j)。硫(s)≤0.0015％：減少mns夾雜(s＞0.0015％時，疲勞壽命＜1×106次)。氮(n)≤0.0035％：防止tin粗化(n＞0.0035％時，tin尺寸＞0.5μm)。氧(o)≤0.0015％：降低氧化物夾雜(o＞0.0015％時，鹽霧腐蝕速率上升50％)。

30、本發(fā)明在進行鋼板熱處理的過程中，先將鋼板在較低的溫度下進行預氧化，既可以形成致密氧化層，保護基材性能，又可以避免生成的氧化層過厚，增加后續(xù)的處理成本；再將預氧化的鋼板加熱到淬火溫度保溫直至鋼板內(nèi)外溫度均勻(避免內(nèi)部應(yīng)力)，以為后續(xù)淬火階段做準備，同時確保加熱階段氧含量足夠低，避免鋼板過度氧化；之后進行三階段復合冷卻淬火，提升鋼板硬度和強度的同時，減少殘余應(yīng)力，并提高沖擊韌性；首先使用水-氬氣冷卻霧快速冷卻使鋼表面形成馬氏體，提高硬度，然后使用水-co2冷卻霧進一步冷卻，防止馬氏體轉(zhuǎn)變不完全，同時減少應(yīng)力集中；之后恢復使用水-氬氣冷卻霧緩慢冷卻減少殘余應(yīng)力，防止變形和開裂。最后進行雙梯度回火，第一次回火，快速消除淬火應(yīng)力，防止變形和開裂；第二次回火，進一步穩(wěn)定組織，提升韌性和塑性，確保鋼板綜合性能。此外，在采用水-co2冷卻霧進行淬火時，co2在高溫鋼板表面部分分解產(chǎn)生的活性碳原子還會與鋼板中v、nb結(jié)合，促進vc、nbc析出，從而提升鋼板的韌性。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

32、1、本發(fā)明提供了一種防彈鋼板，通過優(yōu)化成份配比(c?0.20-0.23％、mn?1.3-1.5％、v0.03-0.05％)，減少碳當量(ce≤0.50)，顯著降低了焊接熱影響區(qū)的硬度(haz硬度≤hrc?43)，使得鋼板焊接后，無需額外的退火工序來降低硬度，提高了焊接性能，降低了生產(chǎn)成本和工藝復雜性。

33、2、本發(fā)明還提供了上述防彈鋼板的熱處理方法，通過對防彈鋼板進行預氧化處理，再結(jié)合液態(tài)co2輔助冷卻技術(shù)，有效減少了氧化層厚度(≤2μm)和鋼板不平度(≤1.0mm/m)，使制得的鋼板適用于輕型防彈車輛的高精度需求，且避免了因氧化層過厚增加后續(xù)處理成本的問題；并通過三階段復合冷卻工藝(水/氬氣/co2協(xié)同)，顯著降低了鋼板的殘余應(yīng)力(≤100mpa)，提高了鋼板的沖擊韌性(-40℃沖擊功≥55j)，增強了防彈鋼板的抗彈性能和在復雜環(huán)境下的長效服役能力。

34、3、本發(fā)明通過成分設(shè)計與工藝創(chuàng)新的協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)了防彈鋼板性能的全面提升。在成分方面，精準控制c、mn、cr、mo、v含量，減少碳當量，從源頭降低焊接熱影響區(qū)硬度(≤hrc43)，免除傳統(tǒng)退火工序；同時添加適量al、cr促進預氧化形成1-2μm致密fe3o4氧化層，結(jié)合低氧硫含量減少應(yīng)力集中。在工藝上，創(chuàng)新采用預氧化與液態(tài)co2協(xié)同冷卻技術(shù)，配合水/氬氣/co2三階段復合淬火及雙梯度回火工藝，實現(xiàn)氧化層厚度≤2μm、不平度≤1.0mm/m的超高平整度，并將殘余應(yīng)力壓制至≤100mpa，最終在保持超高強度(≥1480mpa)基礎(chǔ)上，突破性提升低溫韌性(-40℃沖擊功≥55j)和焊接性能，兼顧抗彈效能與加工經(jīng)濟性，為輕型防彈裝備提供了高精度、輕量化且耐環(huán)境的長效防護解決方案。