專利名稱：：節(jié)鎳型無鈷馬氏體時(shí)效超高強(qiáng)度鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，特別涉及一種節(jié)鎳型無鈷馬氏體時(shí)效超高強(qiáng)度鋼，主要適用于高強(qiáng)度的旋壓薄壁筒體以及彈簧、齒輪等。
背景技術(shù)：
：在現(xiàn)有技術(shù)中，制造高強(qiáng)度旋壓薄壁筒體以及彈簧、齒輪等類似的部件使用的材料大多數(shù)是18Ni含Co馬氏體時(shí)效鋼，是60年代初由國際鎳公司(INC0)首先開發(fā)出來的，其方案是在鐵鎳馬氏體合金中加入不同含量的鈷、鉬、鈦，通過時(shí)效硬化得到屈服強(qiáng)度分別達(dá)到1400、1700、1900Mpa的18Ni(200)、18Ni(250)和18Ni(300)鋼，后來又開發(fā)了18M(350)、13Ni(400)，但由于含有大量的Co元素(7.5-15%)以及大量的Ni，使得其原料成本很高易受資源短缺的制約，因此長時(shí)間以來極大地限制了18Ni系列馬氏體時(shí)效鋼的廣泛應(yīng)用。進(jìn)入80年代以來，由于鈷價(jià)不斷上漲，無鈷馬氏體時(shí)效鋼的開發(fā)取得了很大進(jìn)展，如美國的T-250(18Ni-3Mo_l.4Ti-0.lAl)、韓國的W-250(18Ni-4.5W-1.4Ti-0.1A1)和前蘇聯(lián)的H1606M6(16Ni-6V-6Mo)均相繼問世。這些鋼不僅使生產(chǎn)成本降低了2030%，而且性能也十分接近相應(yīng)強(qiáng)度水平的含鈷馬氏體時(shí)效鋼。但這些鋼中仍然含有大量的Ni，在一些低Ni的馬氏體時(shí)效鋼中性能又達(dá)不到目前18Ni含Co鋼的水平，因此需要開發(fā)無Co低Ni的馬氏體時(shí)效鋼使之性能與T250鋼相當(dāng)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、保持較高的屈服強(qiáng)度和塑韌性，機(jī)加工性能優(yōu)良的節(jié)鎳型無鈷馬氏體時(shí)效超高強(qiáng)度鋼。根據(jù)上述目的，本發(fā)明整體的技術(shù)方案為本發(fā)明是基于Fe-Ni-Cr系合金，在超低碳的無Co馬氏體基體上利用Fe2Mo、Ni3Ti、Ni3Al的時(shí)效析出進(jìn)行強(qiáng)化。在降低M含量的同時(shí)，以Cr代Ni降低成本節(jié)省資源、并使綜合性能達(dá)到與T250馬氏體時(shí)效鋼相當(dāng)?shù)乃健：辖痼w系中，主要元素是Fe、Ni、Cr，三者形成超低碳的板條馬氏體基體組織，同時(shí)含有強(qiáng)化元素Mo、Ti等，這些元素主要與基體中的Ni形成Fe2Mo、Ni3Ti、Ni3Al等強(qiáng)化相進(jìn)行強(qiáng)化達(dá)到高強(qiáng)度；另外鋼中要嚴(yán)格控制C、S、P、Si、Mn、O、N等雜質(zhì)元素的含量，以提高材料的塑性和韌性。根據(jù)上述目的和整體的技術(shù)方案，本發(fā)明具體的技術(shù)方案為該節(jié)鎳型無鈷馬氏體時(shí)效超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)組成成分(重量％)為C《0.03%,Si《0.1%，Mn《0.1%,Ni11.5-14.5%,Cr3.75-5.25%，Mo2.25-3.75%，Ti1.2-1.6%，Al《0.30%，Co《0.50%，S《0.01%，P《0.01%，0《30PPm，N《30PPm，余為Fe。上述化學(xué)組成成分的設(shè)計(jì)依據(jù)如下鎳Ni對(duì)馬氏體時(shí)效鋼的基體并無強(qiáng)化作用，而馬氏體時(shí)效鋼中之所以要含有足夠數(shù)量的Ni，是為了保證固溶或奧氏體化之后的冷卻中(不管冷卻速度如何)都能生成馬氏體，而不生成鐵素體或其它的相。Ni對(duì)提高鋼的韌性有積極作用。時(shí)效處理后基體中含Ni量低于10%時(shí)會(huì)引起韌性降低。Ti完全以Ni3Ti金屬間化合物形式存在消耗Ni，以析出強(qiáng)化方式提高強(qiáng)度；Mo有一部分生成N:UMo,也以析出強(qiáng)化方式消耗Ni。馬氏體時(shí)效鋼中的Ni能促進(jìn)N:UMo的時(shí)效沉淀。但減少Ni含量足以使粗大的Laves相析出。馬氏體時(shí)效鋼中含Ni是為了保證固溶和奧氏體化之后的時(shí)效過程中都能生成馬氏體。對(duì)實(shí)用的18Ni馬氏體時(shí)效鋼成分體系，首先析出NiJi和Fe2Mo,然后析出Ni3Mo。Ni含量少時(shí)，Ni3Ti僅限于晶界和板條界上。鉻Cr是鐵素體形成元素，Cr含量的增加，將降低獲得完全馬氏體的能力。在馬氏體時(shí)效鋼中，Cr和Ni—樣固溶在基體中，具有固溶強(qiáng)化作用；Cr還顯著提高鋼的淬透性。Cr與強(qiáng)化元素之間如Ti、Mo等不形成強(qiáng)化相，但Cr卻影響這些強(qiáng)化相的析出動(dòng)力，由于Cr代替了Ni因此使基體中的Ni含量降低，降低了MJi和N"Mo等的析出動(dòng)力，因此過多的Cr含量將降低鋼的強(qiáng)度，最佳的Cr含量應(yīng)控制在一個(gè)合適的水平。對(duì)無Co馬氏體時(shí)效鋼而言，Ni和Cr的含量范圍對(duì)獲得的最佳強(qiáng)度和韌性需要嚴(yán)格控制。為保證韌性來說，需要17%左右的(鎳+鉻)，為保證奧氏體完全轉(zhuǎn)變成馬氏體，(鎳+鉻)不應(yīng)大于21%。鉬Mo生成Fe2M。和Ni3Mo這兩種析出物，可在不降低韌性情況下提高強(qiáng)度。Mo可與Ni生成Ni3Mo金屬間化合物，強(qiáng)化基體，并能抑制P和S在晶界的析出。但如添加Mo過多，則于基體析出Fe2Mo，使基體韌性降低，并在這類析出物于晶界析出時(shí)容易富積H2，使延遲破壞敏感性提高。故取Mo含量控制在3%左右。鈦Ti可通過形成NiJi提高鋼的強(qiáng)度。當(dāng)Ti含量超過1.6%，針狀的Ni3Ti將于晶界析出，使韌性急劇下降。但是，當(dāng)Ti含量達(dá)不到1.2%時(shí)，不僅強(qiáng)度達(dá)不到要求，在時(shí)效過程中抑制奧氏體析出效果減小，因而促進(jìn)時(shí)效中的軟化(過時(shí)效)。故將Ti含量保持在1.21.6呢。Ti對(duì)強(qiáng)度及韌性都有明顯的影響。Ti在時(shí)效過程中形成NiJi強(qiáng)化鋼，但是韌性損失較大，再加上Ti的偏析的影響，使鋼斷裂韌度明顯下降。當(dāng)鋼中存在雜質(zhì)元素C、N奪取部分Ti形成Ti(C、N)，造成對(duì)鋼的脆化，降低鋼的韌性與塑性。Ti可固定鋼中夾雜物S生成TiS，減少晶界偏析。Ti的下限為0.8%。如添加Ti過多，則引起Ni3Ti析出物增加，導(dǎo)致基體韌性下降，所以上限不超過1.601雜質(zhì)元素的控制碳碳對(duì)馬氏體的強(qiáng)度的影響是非常巨大的，即使在碳的含量非常低的情況下，也會(huì)使馬氏體的強(qiáng)度顯著提高。C與Ti生成TiC非金屬夾雜物，不僅降低鋼的韌性，而且多消耗Ti:C是妨礙Ti析出強(qiáng)化的元素，控制在0.005%以下可以消除上述不利影響。故將C量限制在0.01%以下。氮馬氏體時(shí)效鋼通常采用真空熔煉，所以N含量很低，僅為2535ppm。從前人們很少注意微量N的作用。但最近的研究表明，即使微量N對(duì)鋼的韌性也有很大負(fù)面影響，是超高強(qiáng)度鋼韌性發(fā)生變化的原因之一。N在鋼中存在形式幾乎完全屬于TiN:N不僅以TiN的非金屬夾雜物形式使韌性下降，而且TiN呈點(diǎn)序列狀排列，猶如鋼中存在的裂紋缺陷一樣，使鋼韌性變差。因此把N含量控制在30卯m以下。氧0是鋼中非金屬氧化物的形成元素，鋼中的0主要以各種氧化物的形式存在。氧化物對(duì)鋼的塑韌性造成損害，特別是氧化物尤其是表面、次表面的氧化物對(duì)鋼的疲勞性能影響顯著，因此目前此類超高強(qiáng)度鋼多采用真空冶煉工藝進(jìn)行生產(chǎn)，盡可能去除鋼中的O減少氧化物的含量，因此把O含量控制在30卯m以下。鋁Al在煉鋼時(shí)用作脫氧劑，為提高加入Ti的收得率，先用A1脫氧后再加合金元素Ti。Al含量在0.03y。以下時(shí)，鋼中氧含量將超過15ppm，使氧化物顆粒增大，降低鋼的韌性。如Al含量大于0.15%時(shí)，則容易生成使韌性變壞的Ni3Al，所以A1含量取小于0.30°/0。硅、錳對(duì)馬氏體時(shí)效鋼來說，這些元素都是增加氧化物夾雜的原因，該元素合計(jì)如超過0.06%，則對(duì)拉伸強(qiáng)度超過250kgf/mm2級(jí)的材料的韌性帶來有害影響。所以確定Si、Mn、的含量在O.10%以下，降低夾雜物對(duì)力學(xué)性能的影響。硫Ti(C、N)含量對(duì)Kic的影響遠(yuǎn)比S含量的影響為大。因此，S含量對(duì)鋼韌性的影響，往往要和鋼中其它元素綜合影響統(tǒng)一考慮。當(dāng)然S含量對(duì)馬氏體時(shí)效鋼韌性的影響不能忽視。據(jù)報(bào)道，S含量對(duì)馬氏體時(shí)效鋼夏氏沖擊有較大影響。但當(dāng)S小于0.01。/。時(shí)，鋼的沖擊韌性不受S含量的影響，而有些提高。馬氏體時(shí)效鋼中S含量應(yīng)小于0.01%，并認(rèn)為鋼中含S主要以Ti2S(Y相)夾雜物形式存在。呈長條狀，分布于斷口，會(huì)導(dǎo)致沖擊韌性有方向性地下降。磷P在鋼中很少與其他元素形成化合物，但P通常積聚在晶界或板條邊界處，削弱晶界或板條邊界的結(jié)合強(qiáng)度，從而對(duì)鋼的韌性造成危害，雖然Mo的存在可以部分抑制P在晶界或邊界的積聚，但對(duì)于250kgf/mm2級(jí)的材料應(yīng)嚴(yán)格控制鋼中的P的含量，將其限定在O.01%以下。說明書第5/6頁本發(fā)明采用與現(xiàn)有技術(shù)相似的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明鋼采用真空感應(yīng)爐冶煉、真空感應(yīng)+電渣爐重熔或真空感應(yīng)+真空自耗斷重熔的冶煉工藝。熔煉后鋼錠應(yīng)在120(TC下進(jìn)行均質(zhì)化處理，隨后在1180-85(TC范圍內(nèi)進(jìn)行熱加工，熱加工后在830-940。C固溶處理，最后在480-530°C范圍內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有成本低、保持較高的屈服強(qiáng)度和塑韌性，機(jī)加工性能優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，是屬于一種綜合性能優(yōu)良的超高強(qiáng)度鋼。上述具體優(yōu)點(diǎn)為與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不僅不含有短缺金屬Co元素，而且以Cr代替Ni降低了Ni的使用，節(jié)省了成本節(jié)約了資源，綜合性能達(dá)到與C250、T250鋼相當(dāng)，是屬于一種綜合性能優(yōu)良的超高強(qiáng)度鋼。室溫強(qiáng)度Rm》1760Mpa，Rpo.2》1660MPa，A%》8.0%，Z>45%。具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明無鈷節(jié)鎳型馬氏體時(shí)效鋼的化學(xué)成分范圍，在20公斤真空感應(yīng)爐上冶煉3爐本發(fā)明鋼，其具體化學(xué)成分如表1所示。3爐鋼冶煉澆鑄成錠后，進(jìn)行均質(zhì)化熱處理、鍛造成力學(xué)性能試樣，隨后進(jìn)行固溶和時(shí)效處理。其具體工藝參數(shù)如下鋼錠均質(zhì)化熱處理溫度120(TC,時(shí)間6小時(shí)。熱加工加熱溫度1150-1180。C，加熱時(shí)間1小時(shí)。固溶溫度830~900°C,加熱時(shí)間1小時(shí)，空冷時(shí)效溫度50(TC,時(shí)間5小時(shí)。處理后進(jìn)行試問的力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見表2。為了對(duì)比，在表1和表2中加入了C250、T250鋼的成分和性能數(shù)據(jù)。從表l可以看出，與C250鋼相比，本發(fā)明不含有Co，節(jié)約了戰(zhàn)略資源。與T250鋼相比，本發(fā)明以Cr代Ni降低了Ni含量降低了成本。從表2看出，本發(fā)明與對(duì)比鋼C250、T250相比，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與C250和T250鋼相當(dāng)，延伸率也相當(dāng)，但發(fā)明鋼的斷面收縮率要高于C250和T250鋼，可能與發(fā)明鋼的性能取自小尺寸試樣有關(guān)。綜合看，發(fā)明鋼的性能與對(duì)比鋼C250、T250的性能相當(dāng)，但不含有Co，降低了Ni含量，因此節(jié)約了資源降低了成本。表l本發(fā)明實(shí)施例與對(duì)比例鋼的化學(xué)成分表(重量％)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2本發(fā)明實(shí)施例與對(duì)比例鋼的力學(xué)性能對(duì)比表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1.一種節(jié)鎳型無鈷馬氏體時(shí)效超高強(qiáng)度鋼，其特征在于該鋼的化學(xué)組成成分(重量％)為C≤0.03％，Si≤0.1％，Mn≤0.1％，Ni11.5-14.5％，Cr3.75-5.25％，Mo2.25-3.75％，Ti1.2-1.6％，Al≤0.30％，Co≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.01％，O≤30PPm，N≤30PPm，余為Fe。全文摘要本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，特別涉及一種節(jié)鎳型無鈷馬氏體時(shí)效超高強(qiáng)度鋼，主要適用于高強(qiáng)度的旋壓薄壁筒體以及彈簧、齒輪等。該節(jié)鎳型無鈷馬氏體時(shí)效超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)組成成分(重量％)為C≤0.03％，Si≤0.1％，Mn≤0.1％，Ni11.5-14.5％，Cr3.75-5.25％，Mo2.25-3.75％，Ti1.2-1.6％，Al≤0.30％，Co≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.01％，O≤30PPm，N≤30PPm，余為Fe。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有成本低、保持較高的屈服強(qiáng)度和塑韌性，機(jī)加工性能優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，是屬于一種綜合性能優(yōu)良的超高強(qiáng)度鋼。文檔編號(hào)C22C38/52GK101100728SQ20071012051公開日2008年1月9日申請(qǐng)日期2007年8月21日優(yōu)先權(quán)日2007年8月21日發(fā)明者蕤劉,劉憲民,劉樹勛,勇厲,張景海,李建新,王春旭,峰邢申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院