專(zhuān)利名稱(chēng)：：強(qiáng)韌性超高強(qiáng)度不銹鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及不銹鋼材料技術(shù)，特別涉及強(qiáng)韌性超高強(qiáng)度不銹鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
：冃前，國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際的航空航天高級(jí)精密機(jī)器，有許多零部件(如高載荷承力部件、滾動(dòng)體部件、高壓殼體、緊固件等等)是采用具有超高強(qiáng)度、足夠的韌性配合的高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能可以滿足要求，然而抗銹蝕能力和抗應(yīng)力腐蝕斷裂韌性卻很差，嚴(yán)重的影響了鋼材、零部件的儲(chǔ)存和使用壽命。此類(lèi)材料有低合金、中合金及高合金結(jié)構(gòu)鋼，各種材料的鉻含量均不超過(guò)5%，沒(méi)有抗腐蝕能力'.高強(qiáng)度不銹鋼，主要是沉淀硬化型(如17—4PH、15—5PH、PH13—8Mo、0Crl2Mn5Ni4Mo3Al、1Crl5Ni4Mo3N、Crl7Ni2或Crl7Ni3)，具有抗腐蝕能力、強(qiáng)韌性匹配良好的不銹鋼，其強(qiáng)度均未超過(guò)1500Mpa，韌性也不十分高。傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋼材料應(yīng)用受到限制，不能滿足新型飛機(jī)的使用要求。以美國(guó)為代表的航空航天工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，經(jīng)長(zhǎng)期潛心研究，開(kāi)發(fā)了幾種材料，展示出美好的前景，在航空航天工業(yè)上使用較成熟的鋼種有AFC-77、CSS-42L等，但其性能都存在致命缺陷，如AFC-77鋼沖擊韌性低，只有2030J;CSS-42L鋼屈強(qiáng)比低，只有0.7左右?，F(xiàn)有美國(guó)類(lèi)似鋼種牌號(hào)AFC-77、CSS-42L化學(xué)成分、機(jī)械性能等相關(guān)的技術(shù)資料如表1、表2。上述專(zhuān)利的鋼種不足之處鋼的制造成本較高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力不足；鋼的熱處理工藝復(fù)雜，增加操作難度。表1化學(xué)成分<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>—
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是在于提供一種強(qiáng)韌性超高強(qiáng)度不銹鋼及其制造方法，通過(guò)采取優(yōu)化化學(xué)成分設(shè)計(jì)、強(qiáng)化雙真空冶煉提高純度及大鍛比鍛造成形的技術(shù)措施，解決現(xiàn)有美國(guó)類(lèi)似材料AFC-77韌性低、CSS-42L屈強(qiáng)比低的難題，使其強(qiáng)度達(dá)到1800Mpa;屈服強(qiáng)度達(dá)到1400MPa;沖擊韌性50J;斷裂韌性達(dá)到100MPaVm以上超高級(jí)強(qiáng)韌性匹配的綜合性能水平。為達(dá)到上述目的，強(qiáng)韌性超高強(qiáng)度不銹鋼，其成分質(zhì)量百分比，C0.050.13、Mn《0.10、Si《0.10、S《0.002、P《0.006、Cr12.014.0、Ni2.06.0、Co11.013.0、Mo3.55.5、V0.150.25、Nb《0.15、W0.81.2、N《0.005、其余為Fe和不可避免雜質(zhì)。在本發(fā)明中碳，含量0.050.13%，首先是保證對(duì)鋼產(chǎn)生一定的強(qiáng)度貢獻(xiàn)，其次，盡量減輕或防止對(duì)鋼的耐蝕能力和韌性產(chǎn)生不良影響；硅、錳、鋁、鈦、硫、磷、氫、氧、氮等殘余元素對(duì)鋼的塑性、韌性、尤其是對(duì)斷裂韌性有不良影響，故控制其含量盡量低；鉻，含量控制在1216%，確保該系列鋼具有不生銹和耐腐蝕性；鉆1113%、鉬3.55.5%及鉤0.81.2%配合，主要作用在于時(shí)效析出第二相強(qiáng)化鋼材；鎳，含量26%，可以有效提高鋼的韌性和塑性；少量釩及鈮的加入能夠細(xì)化晶粒均勻組織使鋼更加強(qiáng)韌。鉬，3.55.5%，提高鋼的耐腐蝕能力，時(shí)效析出第二相強(qiáng)化鋼材；鴇，0.81.2%，與鉬協(xié)同作用，復(fù)合強(qiáng)化鋼材同時(shí)提高鋼的耐腐蝕性能。上述成分設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于1、由于不含鉻的超高強(qiáng)度鋼沒(méi)有不銹耐腐蝕性能，給制作、使用、存放帶來(lái)許多麻煩和困難，同時(shí)增加制造工序和生產(chǎn)成本。2、鎢是強(qiáng)碳化物形成元素，與鉬特點(diǎn)相近，可以與鉬協(xié)同作用強(qiáng)化鋼的力學(xué)性能，加鎢本身能夠起到固溶強(qiáng)化還可以細(xì)化晶粒進(jìn)一步強(qiáng)化，特別是屈服強(qiáng)度大幅度提高，同時(shí)還可以提高耐腐蝕性。鎢的加入有效提高屈服強(qiáng)度，避免了類(lèi)似鋼種屈強(qiáng)比不足的難題。3、適量鎳的加入、少量釩的加入及最大限度降低氮含量以減少氮及其氮化物對(duì)鋼材韌性的不良影響，同時(shí)最大限度的降低S、P、Si、Mn、C及其氣體含量能夠有效提高沖擊韌性和斷裂韌性。本發(fā)明的強(qiáng)韌性超高強(qiáng)度不銹鋼的制造方法，其包括如下步驟1)母合金制備，其化學(xué)成分重量百分比，C《0.03、Mn《0.10、Si《0.10、S《0.002、P《0扁、Cr6.0~13.0、Al《0.05、Cu《0.10、Ti《0.05、其余為Fe和不可避免雜質(zhì)；冶煉制備母合金；2)真空感應(yīng)爐(VIM)熔煉電極，將母合金與純鐵、鎳、鉬、鈷、鎢、鉻、鈮等金屬原材料調(diào)配，采用真空感應(yīng)爐進(jìn)行真空感應(yīng)冶煉電極，全程采用高真空冶煉，真空度達(dá)到2.7Pa以下；熔煉期以達(dá)到15501600°C,精煉時(shí)間不小于60分鐘、攪拌期為37分鐘、取爐前樣分析冶煉過(guò)程中的成分，然后按設(shè)計(jì)控制目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，成分調(diào)整到位、溫度合適立即取成品樣，帶電澆鑄成電極棒；3)真空電弧重熔(VAR)，熔速為180220Kg/h，冶煉過(guò)程保持極限真空度O.lPa以下；4)鍛造，4.1.鋼錠加熱溫度要求1180±20°C，保溫36小時(shí)以確保透燒，使得可塑性處于最佳狀態(tài)，再燒溫度控制下限，再燒保溫時(shí)間控制在1小時(shí)左右，為使鍛造比大于12，成材前進(jìn)行至少兩次鐓拔，鐓粗強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到鐓后高度不大于鐓前高度的二分之一；4.2.最后一道成材火次控制溫度U20116(TC，鍛造比大于2，終鍛溫度大于850°C。進(jìn)一步，步驟1)母合金制備，為滿足本發(fā)明材料的純度要求，選用高純度鐵料及金屬鉻，采用電爐+氬氧精煉爐(AOD)，去除C、P，鋼包精煉(LF)去除O、S等有害雜質(zhì)，制備高純度母合金以做為真空感應(yīng)爐原材料-，熔煉末期采用臺(tái)階式緩沖充分補(bǔ)縮成錠。本發(fā)明圍繞純度采取諸項(xiàng)措施預(yù)制高純度母合金；真空感應(yīng)爐全程高真空熔煉；真空自耗高真空低熔速重熔；圍繞均勻度所采取的措施有高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱以代替擴(kuò)散消除偏析；大鍛比強(qiáng)化鍛造；末火整支完成；控制末火鍛造溫度等等。母合金制備工藝中，VIM冶煉中采取措施，全程高真空加強(qiáng)脫氣去夾雜操作，確保成分均勻及夾雜物含量符合要求。真空感應(yīng)爐冶煉電極，首先要選擇純度很高的母合金、純鐵、鐵合金及其純金屬原材料，進(jìn)行熔煉，為最大限度的去除有害氣體和易揮發(fā)元素，采取熔煉前期在高真空度下進(jìn)行，而且全程采用高真空(真空度應(yīng)達(dá)到2.7Pa以下)冶煉。為保證爐料均勻的溶入鋼水中，嚴(yán)格按工藝曲線控制"熔煉期、攪拌期、真空度、取樣和溫度"等工藝參數(shù)。冶煉功率與冶煉時(shí)間的關(guān)系曲線，說(shuō)明了冶煉過(guò)程中熔煉期、攪拌期、真空度、取樣調(diào)節(jié)成分和溫度所采用的電力一一時(shí)間冶煉工藝操作圖。著重強(qiáng)調(diào)高真空度下冶煉足夠長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行精煉，以保證去除氣體及其有害雜質(zhì)元素的有效性。真空自耗重熔(VAR)，VAR重熔應(yīng)嚴(yán)格控制平均熔速約180Kg/h，保證鋼錠具有優(yōu)良的結(jié)晶狀態(tài)和表面質(zhì)量，充分的補(bǔ)縮效果。真空自耗冶煉工藝，圍繞自耗重熔速度，后部主要是為了鋼錠頭部的補(bǔ)縮充填，保持極限真空度主要是為了進(jìn)一步去除氣體和易揮發(fā)有害雜質(zhì)元素。冶煉過(guò)程保持極限真空度(O.lPa以下)進(jìn)一步去除氣體和易揮發(fā)有害雜質(zhì)元素以獲得高純度材質(zhì)，同時(shí)可以滿足鋼錠均質(zhì)化的要求。鍛造工藝鍛造過(guò)程中采用均勻化處理及兩次鐓拔工藝，鍛比大于12，以保證鋼材內(nèi)在組織結(jié)構(gòu)的精細(xì)和均勻。鍛造工藝重點(diǎn)在于加熱，鋼錠加熱溫度要求1180士20C，保溫3小時(shí)以確保透燒，使得可塑性處于最佳狀態(tài)，再燒溫度控制下限，再燒保溫時(shí)間控制在l小時(shí)，為使鍛造比大于12，成材前進(jìn)行兩次墩拔，最后一道成材火次控制加熱溫度11201160°C，鍛造比大于2，終鍛溫度大于850C，整支完成以保持其均勻性。為確保鋼材性能均勻、穩(wěn)定，尤其是不同方向的力學(xué)性能，高水平的強(qiáng)韌性匹配，鍛造變形前后的截面比控制在12以上，與常規(guī)材料鍛造比大于4、傳統(tǒng)的高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼材鍛造比大于6比較具有很大的創(chuàng)新。當(dāng)鍛造比不足采取墩拔工藝及成型尺寸不到位而進(jìn)行的再燒加熱溫度控制在溫度區(qū)間下限如1160°C附近較為合理。本發(fā)明的有益效果通過(guò)嚴(yán)格的冶煉工藝技術(shù)的操作，獲得的強(qiáng)韌性超高強(qiáng)度不銹鋼純度很高；經(jīng)鍛造開(kāi)坯成形后，獲得高品質(zhì)的鋼材。與傳統(tǒng)的類(lèi)似材料比較，本發(fā)明的強(qiáng)韌性超高強(qiáng)度不銹鋼強(qiáng)度達(dá)到1800Mpa，屈服強(qiáng)度達(dá)到1400Mpa;沖擊韌性50J,斷裂韌性達(dá)到lOOMPaVm以上超高級(jí)強(qiáng)韌性匹配的綜合性能水平。具體實(shí)施例方式本發(fā)明一實(shí)施例如下，1.母合金制備，選用高純度鐵料及金屬鉻，采用電爐+氬氧精煉爐(AOD)十鋼包精煉(LF)復(fù)合精煉方式制備母合金以做為真空感應(yīng)爐原材料；2.真空感應(yīng)爐(VIM)熔煉電極，精選純度較好的金屬鎳、金屬鉻、金屬鈷、金屬鈮或鈮鐵，金屬鉬或鉬鐵、金屬鉤或鎢鐵及礬鐵等爐料，同時(shí)選用母合金；爐料嚴(yán)格按控制H標(biāo)的中限配入；特別注意Si、Al、Cu的帶入，防止超限；澆注0290電極，大于6小時(shí)脫?？绽?；電極精整后轉(zhuǎn)場(chǎng)重熔；3.真空電弧重熔(VAR)自耗重熔工藝結(jié)晶器為0360，底墊、車(chē)屑本鋼種；重熔過(guò)程加強(qiáng)熔速和縮孔充填的技術(shù)操作，鋼錠進(jìn)行剝皮后轉(zhuǎn)場(chǎng)鍛造；4.鍛造鋼錠，《45(TC裝爐，不能燒急火，緩慢升溫，1180。C高溫均透；開(kāi)鍛溫度》110(TC，終鍛溫度^85(TC，冷卻方式空冷。為確保鍛比》12，鐓拔二次；鋼材空冷6-10小時(shí)內(nèi)立即裝爐退火。本發(fā)明實(shí)施例化學(xué)成分參見(jiàn)表3，力學(xué)性能，宏觀、微觀質(zhì)量分別見(jiàn)表4、表5。綜上所述，本發(fā)明采取優(yōu)化化學(xué)成分設(shè)計(jì)、強(qiáng)化雙真空冶煉提高純度及大鍛比鍛造成形的技術(shù)措施，解決現(xiàn)有美國(guó)類(lèi)似材料AFC-77韌性低、CSS-42L屈強(qiáng)比低的難題，使其強(qiáng)度達(dá)到1800Mpa;屈服強(qiáng)度達(dá)到1400MPa;沖擊韌性50J;斷裂韌性達(dá)到lOOMPaVm以上超高級(jí)強(qiáng)韌性匹配的綜合性能水平。表3鋼的化學(xué)成分單位質(zhì)量巨分比<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表4鋼的力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)表<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表5<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>權(quán)利要求1.強(qiáng)韌性超高強(qiáng)度不銹鋼，其成分質(zhì)量百分比，C0.05～0.13Mn≤0.10Si≤0.10S≤0.002P≤0.006Cr12.0～14.0Ni2.0～6.0Co11.0～13.0Mo3.5～5.5V0.15～0.25Nb≤0.15W0.8～1.2N≤0.005其余為Fe和不可避免雜質(zhì)。2.如權(quán)利要求1所述的強(qiáng)韌性超高強(qiáng)度不銹鋼的制造方法，其包括如下步驟1)母合金制備，其化學(xué)成分重量百分比，C《0.03、Mn《0.10、Si《0.10、S《0.002、P《0.006、Cr6.013.0、Al《0.05、Cu《0.10、Ti《0.05、其余為Fe和不可避免雜質(zhì)；冶煉制備母合金；2)真空感應(yīng)爐熔煉電極，將母合金與純鐵、鎳、鉬、鈷、鴇、鉻、鈮等金屬原材料調(diào)配，采用真空感應(yīng)爐進(jìn)行真空感應(yīng)冶煉電極，全程采用高真空冶煉，真空度達(dá)到2.7Pa以下；熔煉期溫度達(dá)到15501600°C，精煉時(shí)間不小于60分鐘、攪拌37分鐘、取爐前樣分析冶煉過(guò)程中的成分，然后按權(quán)利要求1所設(shè)計(jì)控制目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，成分調(diào)整到位、溫度合適立即取成品樣，帶電澆鑄成電極棒；3)真空自耗重熔，熔速為180220Kg/h，冶煉過(guò)程保持極限真空度O.lPa以下；4)鍛造，4.1鋼錠加熱溫度要求1180±20°C，保溫36小時(shí)，再燒溫度控制下限，再燒保溫時(shí)間控制在1小時(shí)土20分鐘，為使鍛造比大于12，成材前進(jìn)行至少兩次鐓拔，鐓粗強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到鐓后高度不大于鐓前高度的二分之一；4.2.最后一道成材火次控制溫度11201160°C，鍛造比大于2，終鍛溫度大于850°C。3.如權(quán)利要求2所述的強(qiáng)韌性超高強(qiáng)度不銹鋼的制造方法，其特征是，步驟1)母合金制備采用電爐+氬氧精煉爐+鋼包精煉復(fù)合精煉方式制備母合金，以做為真空感應(yīng)爐原材料。4.如權(quán)利要求2所述的強(qiáng)韌性超高強(qiáng)度不銹鋼的制造方法，其特征是，熔煉末期采用臺(tái)階式緩沖充分補(bǔ)縮成錠。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種強(qiáng)韌性超高強(qiáng)度不銹鋼及其制造方法，其包括如下步驟1)母合金制備，其化學(xué)成分重量百分比，C≤0.03、Mn≤0.10、Si≤0.10、S≤0.002、P≤0.006、Cr6.0～13.0、Al≤0.05、Cu≤0.10、Ti≤0.05、余Fe和不可避免雜質(zhì)；2)真空感應(yīng)爐熔煉電極，將母合金與純鐵、鎳等金屬原材料調(diào)配進(jìn)行冶煉電極；3)真空自耗重熔，熔速為180～220Kg/h；4)鍛造，鋼錠加熱溫度1180±20℃，保溫3～6小時(shí)，成材前進(jìn)行至少兩次鐓拔；終鍛溫度大于850℃。本發(fā)明的不銹鋼強(qiáng)度達(dá)到1800Mpa，屈服強(qiáng)度達(dá)到1400Mpa；沖擊韌性50J，斷裂韌性達(dá)到100MPa√m以上超高級(jí)強(qiáng)韌性匹配的綜合性能水平。文檔編號(hào)C22C38/52GK101205595SQ20061014777公開(kāi)日2008年6月25日申請(qǐng)日期2006年12月22日優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日發(fā)明者劉金生,權(quán)衛(wèi),姚長(zhǎng)貴,廖洪軍,徐惠松,方靜賢,樺楊,敏王,輝羅,杰陳,陳志輝申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司