CN101050509A - 高强高韧马氏体时效不锈钢 - Google Patents
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Abstract
本发明属于不锈钢领域，特别涉及一种高强高韧马氏体时效不锈钢，其强度达到1700－1800MPa。该钢化学组成成分为(质量百分数)：C≤0.02％，Si≤0.1％，Mn≤0.1％，S≤0.01％，P≤0.01％，Cr 10.0－11.5％，Ni 11.7－12.5％，Mo 0.5－2.0％，Ti 1.2－1.7％，Al 0.02－0.5％，其余为Fe。本发明与现有技术相比具有低成本、高强度、高断裂韧性、高耐蚀的优点。
Description
技术领域
本发明属于不锈钢领域，特别涉及一种高强高韧马氏体时效不锈钢，其强度达到1700-1800MPa。
背景技术
在现有技术中，随着科学技术发展和人类文明进步，开发具有耐蚀性的金属材料已成为必然的趋势和科技追求的目标。因为腐蚀不仅损失了材料、破坏构件表面，并使材料性能退化。根据2006年报导美国因材料腐蚀造成的直接损失为2790亿美元/年，相当于全国GDP的3.2％，如果考虑镀镉等表面处理成本、对环境的破坏等，材料腐蚀造成损失则更为惊人。
众所周知，强度超过1600MPa的钢主要采用低合金超高强度钢300M和18Ni的马氏体时效钢等钢种，这些钢虽然具有超高的强度和较高的韧性。但不含Cr元素，或Cr含量很低，抗蚀性较差，为改善其抗蚀性必需采用镀镉等表面保护措施，但迫于环境改善的压力，镀液的处理成本一直在提高，因此通过表面处理提高金属材料抗蚀性并非长久之计，因此马氏体时效钢等钢种尽管强韧性很好，但使用仍越来越受到限制。传统的沉淀硬化不锈钢如PH13-8Mo、17-4PH等具有良好的耐蚀性，但强度偏低、韧性不足，严重影响构件的安全性和可靠性，而强度较高的Custom465钢在抗拉强度1700MPa情况下，断裂韧性为80MPa·m1/2左右，韧性偏低。表1列出了上述现有几种钢种的化学成分。
表1上述现有几种钢种的化学成分表
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有低成本、高耐蚀的高强高韧马氏体时效不锈钢。
根据上述目的，本发明整体的技术方案为：
本发明从目前马氏体时效不锈钢的发展和使用现状考虑，通过精确控制本发明从目前马氏体时效不锈钢的发展和使用现状考虑，通过精确控制Cr、Ni和Mo的配比，在不产生过量残余奥氏体的前提下，最大限度地提高Ni的含量，以提高钢的韧性，开发出了强韧性接近18Ni(250)级马氏体时效钢的马氏体时效不锈钢。而且不含Co等昂贵金属元素，原材料成本较低，具有较高的推广应用前景。
根据上述目的和技术方案为，本发明具体的技术方案为：
该低成本耐蚀马氏体时效钢的化学组成成分为(Mass％)：C≤0.02％，Si≤0.1％，Mn≤0.1％，S≤0.01％，P≤0.01％，Cr 10.0-11.5％，Ni 11.7-12.5％，Mo 0.5-2.0％，Ti 1.2-1.7％，Al 0.02-0.5％，其余为Fe。
上述化学成分设计依据如下：
C是控制元素，作为杂质元素混入钢中，但超过0.02％的C容易与Ti和N形成碳氮化物，对钢的韧性不利，因而将碳限定在0.02％以下。
Ni是本发明钢最重要的合金元素之一，Ni在满足主要强化相Ni3Ti和Ni3(Mo，Ti)化学当量的条件下，马氏体基体内残存足够的Ni除保证淬透性和控制马氏体相变温度Ms和Mf外，使韧脆转化温度降到较低的温度、以保证钢足够的韧性，但过高的Ni增加残余奥氏体降低强度，同时也增加原材料成本，因此控制在11.7-12.5％之间。
Cr也是本发明钢最重要的合金元素之一，为了改善耐腐蚀性，Cr是一种有效的元素，要达到良好的耐蚀性，Cr含量应在10％以上，过量的添加将导致钢的韧性下降，因而限定在11.5％以下，因此Cr控制在10.0-11.5之间。
Mo、Ti是本发明钢的主要强化元素，时效后形成Ni3Ti和Ni3(Mo，Ti)金属间相使钢强化，由于Ti的强化效果比Mo强，尤其在不含Co的条件下，而且性价比较高。因此Mo含量比传统的马氏体时效钢低、而Ti高于传统的马氏体时效钢，但过高的Mo、Ti损失韧性。从强韧性平衡考虑Mo和Ti分别控制在：Mo 0.5-2.0％；Ti 1.2-1.7％。
Al是本发明钢的主要强化元素，可与Ni和Ti形成金属间化合物，起到强化的作用，但过高则降低钢的韧性，因此控制在0.02-0.5％。
与此同时为了保证钢的强韧性，需将S、P、Si和Mn等控制在下列水平：Si≤0.1％，Mn≤0.1％，S≤0.01％，P≤0.01％。同时气体含量不高于25ppm。
本发明与现有技术相比具有低成本、高强度、高断裂韧性、高耐蚀的优点。上述具体优点为：本发明设计的马氏体时效不锈钢强度达到1700MPa以上、冲击功达到50J以上，断裂韧性达到100MPa·m1/2以上，强韧性水平高于Custom465，与250级马氏体时效钢相当，其一般耐蚀性接近于304型奥氏体不锈钢。
本发明采用与现有技术相似制备方法：
本发明钢采用真空感应炉熔炼加真空自耗重熔，冶炼坯应在1150-1200℃进行均质化处理，随后在1150-800℃之间进行热加工。锻造坯料在925℃奥氏体化后水冷、-73℃冷处理后强度较低，冷变形能力和切削性能良好，可进行接近净成形加工，在480-510℃时效后变形很小、构件精度得以保证，而且不存在氧化、脱碳问题。
具体实施方式
采用真空感应炉熔炼加真空自耗重熔冶炼了本发明钢和对比钢，化学成分示于表2中。表3为本发明钢与对比钢的力学性能及腐蚀率的对比表。上述列表，1-4#为本发明实施例，5#对比钢为PH13-8Mo，6#对比钢为17-4PH，7#对比钢是Custom465，8#对比钢为18Ni马氏体时效钢(250级)，9#对比钢为300M。将钢锭锻造成直径为60mm的钢棒，本发明钢经过925℃×1h的固溶热处理后，再进行510℃×4h的时效处理，而比较钢分别在适合的条件下进行正常的热处理。分别进行了平滑拉伸试验，U型缺口冲击以及断裂韧性试验。耐蚀性采用盐雾试验，试验条件：浓度为50±5g/L氯化钠溶液；PH值为6.5-7.2；盐雾箱内温度为35±2℃；喷雾方式为连续喷雾；时间为480小时。
表2本发明钢和对比钢的化学成分对比表
| 钢种及编号 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Co | Mo | Ti | Al | Fe | |
| 发明钢 | 1 | 0.002 | 0.05 | 0.01 | 0.003 | 0.002 | 12.4 | 10.1 | - | 0.8 | 1.4 | 0.08 | 余 |
| 2 | 0.003 | 0.06 | 0.021 | 0.003 | 0.0012 | 12.0 | 10.5 | - | 1.0 | 1.5 | 0.02 | 余 | |
| 3 | 0.008 | 0.08 | 0.07 | 0.005 | 0.002 | 11.7 | 11.5 | - | 1.5 | 1.7 | 0.05 | 余 | |
| 4 | 0.005 | 0.05 | 0.06 | 0.002 | 0.004 | 11.9 | 10.8 | - | 0.7 | 1.2 | 0.3 | 余 | |
| 对比钢 | 5 | 0.03 | 0.06 | 0.04 | 0.005 | 0.002 | 8.2 | 12.5 | - | 2.3 | - | 1.2 | 余 |
| 6 | 0.05 | 0.6 | 0.7 | 0.01 | 0.008 | 4.3 | 16.8 | - | 0.30 | Cu3.8 | - | 余 | |
| 7 | 0.005 | 0.08 | 0.07 | 0.005 | 0.004 | 11.0 | 11.7 | - | 1.0 | 1.6 | - | 余 | |
| 8 | 0.003 | 0.01 | 0.01 | 0.006 | 0.002 | 18.03 | 0.01 | 8.01 | 4.98 | 0.41 | 0.080 | 余 | |
| 9 | 0.41 | 1.72 | 0.75 | 0.004 | 0.003 | 1.81 | 0.76 | - | 0.42 | - | V0.07 | 余 | |
表3本发明钢与对比钢的力学性能及腐蚀率的对比表
| 试样 | RmMPa | RP0.2MPa | A％ | Z％ | AKU2J | KICMPa·m1/2 | 腐蚀率(g/m2·h) | |
| 本发明钢 | 1 | 1740 | 1650 | 9.5 | 60 | 61 | 108 | 0.004 |
| 2 | 1760 | 1670 | 9.5 | 58 | 59 | 105 | 0.0035 | |
| 3 | 1810 | 1700 | 8.5 | 55 | 52 | 100 | 0.003 | |
| 4 | 1720 | 1630 | 10.0 | 65 | 65 | 120 | 0.0025 | |
| 对比钢 | 5 | 1620 | 1482 | 12 | 45 | 50 | 82 | 0.003 |
| 6 | 1365 | 1262 | 15 | 52 | 60 | 80 | 0.004 | |
| 7 | 1700 | 1610 | 9.0 | 55 | 45 | 82 | 0.002 | |
| 8 | 1800 | 1750 | 9.0 | 56 | 50 | 110 | 不耐蚀 | |
| 9 | 1960 | 1580 | 10 | 50 | 46 | 71 | 不耐蚀 | |
从表3中可以看到，本发明钢在抗拉强度达到1810MPa时，断裂韧性仍可达到100MPa·m1/2，具有极高的强韧性配合，同时，具有很好的耐蚀性，在强度和韧性方面均高于PH13-8Mo和17-4PH，与Custom465和250级马氏体时效钢具有同等水平的强度，但韧性高于Custom465，250级马氏体时效钢虽具有较高的强度和韧性，但耐蚀性很差。与300M钢相比，虽钢的强度略低，但具有良好的韧性和耐蚀性。
Claims (1)
1、一种高强高韧马氏体时效不锈钢，其特征在于该钢化学组成成分为(Mass％)：C≤0.02％，Si≤0.1％，Mn≤0.1％，S≤0.01％，P≤0.01％，Cr10.0-11.5％，Ni 11.7-12.5％，Mo 0.5-2.0％，Ti 1.2-1.7％，Al 0.02-0.5％，其余为Fe。
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