CN101994066B - 一种形变诱发马氏体时效不锈钢及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于铁镍基马氏体沉淀硬化型合金领域，具体涉及到一种具有高强高韧和高耐腐蚀性能的形变诱发马氏体时效不锈钢及其加工工艺，它是主要应用于航空、航天、机械制造、原子能等重要领域的新型材料。钢的成分范围(重量百分比)是，Cr：11.0～13.0％；Ni：11.0～14.0％；Ti：1.5～2.1％；Mo：0.1～1.0％；Cu：0.5～2.0％；Co：1.5～2.2％；Mn：0.5～1.5％；Si：0.1～1.0％；Al：1.0～2.0％；Nb＜0.01％；C＜0.01％；N＜0.01％；V＜0.01％；Fe：余量。加工工艺：(1)奥氏体单相区加热锻造，锻压比为6～9，锻后空冷至室温；(2)锻后热轧，初轧温度为1100～1200℃，终轧温度为800～900℃，轧后空冷至室温。本发明通过形变诱发马氏体相变获得具有高位错密度的马氏体基体，同时通过添加Ni、Ti、Mo、Cu等析出强化元素的适当搭配，获得高的强度、韧性以及耐腐蚀性能。

Description

一种形变诱发马氏体时效不锈钢及其加工工艺

技术领域

本发明属于铁镍基马氏体沉淀硬化型合金领域，具体涉及到一种具有高强高韧和高耐腐蚀性能的形变诱发马氏体时效不锈钢及其加工工艺，它是主要应用于航空、航天、机械制造、原子能等重要领域的新型材料。

背景技术

超高强度马氏体时效钢的研究、发展和改进等都与航空航天等高技术领域对材料提出更高的要求密切相关。现有的超高强度钢30CrMnSiNi2A、300M、18Ni钢等已经大量应用于航空航天飞行器的重要部件，其强度级别在1600MPa以上，断裂韧性K_IC在80MPa·m^1/2以上。但是其耐腐蚀性能，特别是耐海洋环境腐蚀性能较差，不能满足海水等腐蚀介质环境下构件用钢的要求。因此，从现有的不锈钢中寻找可能成为候选钢种的材料，或者进行新型不锈钢钢种的开发尤为重要。马氏体时效不锈钢是不锈钢中强度级别最高的一种，因此其成为研究开发的热点。国内外典型马氏体时效不锈钢的化学成分如表1所示，可以看出，为保证较好的强韧性配合，这些材料的碳含量均在0.05wt％以下，同时还添加适量的Cr、Ni、Co、Mo等重要合金元素，以保证它的综合性能指标。有些钢中也添加了Ti、Al、Cu、Si、Nb等微量元素，以起到强化和耐腐蚀等作用。表2列出了表1中所列钢种的基本力学性能，不难看出马氏体时效不锈钢的强度普遍偏低，当强度较高时，延伸率则严重不足。在航空航天领域，目前应用最广泛的马氏体时效不锈钢包括17-4PH、15-5PH和13-8Mo等。这些材料在经过450～500℃的时效处理后，可以获得良好的抗应力腐蚀性能以及较高的抗拉强度，但是其最高强度也仅达到1500MPa。而一些强度达到2000MPa的马氏体时效不锈钢，如美国用于C5A以及C17等运输机发动机装备材料上的AFC-77，其韧性很低，仅为20MPa·m^1/2。由此可见，如何兼顾强度韧性以及耐腐蚀性能，以使材料满足不断发展对其综合性能指标的更高要求，是冶金和材料工作者改进现有钢种和设计新材料所面临的主要问题。因此，为了发展我国的航空航天等重要领域，需自行研制能具有高强度高韧性同时兼具高耐腐蚀性能的新型马氏体时效不锈钢。

表1国内外典型马氏体时效不锈钢的化学成分

表2国内外典型马氏体时效不锈钢的力学性能

材料牌号	抗拉强度(MPa)	延伸率(％)	硬度(Hv)
				17-4PH	1310	12	425
15-5PH	1310	13	425
				Custom450	1350	14	436
Asteel	1980	1	587
				Almar 362	1330	13	-
12Cr5NiMnMoCu	1640	4.5	-

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高强高韧和高耐腐蚀性能的形变诱发马氏体时效不锈钢及其加工工艺，兼顾传统马氏体时效不锈钢的强度韧性以及耐腐蚀性能，以使材料满足不断发展对其综合性能指标的更高要求。

本发明的技术方案是：

本发明经过大量实验研究，提出了一种新型具有高强高韧和高耐腐蚀性能的形变诱发马氏体时效不锈钢，其包含C、Cr、Ni、Ti、Mo、Co、Cu、Mn、Si等10种元素和不可避免的杂质元素，其特征在于在钢中：

(1)同时加入了Ni、Ti、Mo、Cu等4种析出强化元素；

(2)严格控制Cr和C的含量，稳定材料的耐腐蚀性能；

(3)严格控制杂质元素O、N、H的含量。

根据本发明的上述构思所提出的高强高韧和高耐腐蚀性能的形变诱发马氏体时效不锈钢，其合金成分及重量百分比为：

Cr：11.0～13.0％；Ni：11.0～14.0％；Ti：1.5～2.1％；Mo：0.1～1.0％；Cu：0.5～2.0％；Co：1.5～2.2％；Mn：0.5～1.5％；Si：0.1～1.0％；Al：1.0～2.0％；Nb＜0.01％；C＜0.01％；N＜0.01％；V＜0.01％；Fe：余量。

在同类马氏体时效不锈钢的研究中，研究者认识到了Mo、Ni以及Ti等元素在马氏体时效不锈钢中所起到的作用，然而在他们所披露的实施例中，马氏体时效不锈钢的马氏体基体均为热效应诱发马氏体，极少见到通过获得奥氏体基体后，再通过冷变形获得的形变诱发马氏体基体。本发明的创新点就在于：通过合金成分的优化设计，加入Ni、Ti、Mo、Cu等4种析出强化相元素，在固溶状态获得奥氏体组织后，通过冷轧等冷加工工艺获得具有一定比例的奥氏体和马氏体基体组织(该奥氏体含量小于20％，可以在变形过程中利用“形变诱发塑性”效应提高材料的强度和塑性)。同时，在保证Cr含量满足耐腐蚀性能要求的情况下，提出多元强化相协同强化的方法来提高马氏体时效不锈钢的强度和韧性。本发明所述的马氏体时效不锈钢，其抗拉强度和屈服强度在分别达到1600MPa和1400MPa以上的同时，其断裂韧性仍保持在80MPa·m^1/2级别。耐点蚀失重试验测试表明，其失重率为5.67g/dm²·天，与其他同类马氏体时效不锈钢相比，具有更优的耐腐蚀性能，更具有优异的冷加工成型性能。

本发明成分范围内的马氏体时效不锈钢铸锭可采用如下方式生产：

原材料均采用合金元素以纯金属或中间合金的形式加入，经配料、混料后，放入真空冶炼炉中熔炼，浇铸成合金铸锭。铸锭在切除帽口、扒除表面氧化皮后，在1200℃左右开坯，开坯后沿长度方向下料，进入下一步热加工工序。

确定了材料的成分后，热加工工工艺和热处理制度也很重要，它决定了材料的显微组织并影响到性能指标。本发明还提出了用于达到上述最佳力学性能指标相应的热加工和热处理工艺：

(1)奥氏体单相区加热锻造，锻压比为6～9，锻后空冷至室温；

(2)锻后热轧，初轧温度为1100～1200℃，终轧温度为800～900℃，轧后空冷至室温；

热轧过程中，每道次压下量为5～13％，热轧累积压下量达到80％～90％；

(3)热轧后材料的基体组织为奥氏体组织，再通过冷轧，使材料的变形量在40％～60％之间，从而获得具有马氏体基体的材料。

(4)热处理制度：将冷轧后材料在1100～1150℃固溶处理1～3h，油淬至室温后，再经450～550℃时效处理6min～24h，空冷至室温。优选为：1150℃固溶处理2h，油淬至室温后，再经550℃时效处理0.5～24h，空冷至室温。

本发明的有益效果是：

1、本发明实质上是一种选择性的发明，发明人经过深入研究合金元素对马氏体时效不锈钢的组织、强韧性以及腐蚀性能的影响后，得出了对于合金元素加入量的新的选择。其结果是设计出一种通过冷变形获得高强度基体，再通过时效的方法获得一种具备高耐腐蚀性能，同时具有更高强度和更高韧性的马氏体时效不锈钢。

2、本发明马氏体时效不锈钢包含有：C、Cr、Ni、Ti、Mo、Co、Cu、Mn、Si等种元素和不可避免的杂质元素，通过Ni、Ti、Mo、Cu等4种析出强化相元素间的适当搭配，利用奥氏体在形变过程中的相变提高强度和塑性，最终获得高的强度、韧性以及耐腐蚀性能。

3、本发明这种通过冷加工成型方法和时效处理获得的马氏体时效不锈钢，可以根据要求冷轧至不同尺寸，且后续的低温时效处理对材料的尺寸和形状不产生任何影响。

附图说明

图1为本发明马氏体时效不锈钢在实施例1中的冷轧后的金相组织。

图2为本发明马氏体时效不锈钢在实施例1中的力学性能结果；

图3为本发明马氏体时效不锈钢在实施例1中500℃/24h时效后的断口形貌。其中，(a)图为该状态下材料的拉伸断口宏观形貌；(b)图为断口裂纹源处的形貌；(c)图为断口放射区的局部形貌。

图4为本发明马氏体时效不锈钢在实施例2中的冷轧后的金相组织。

图5为本发明马氏体时效不锈钢在实施例2中的力学性能结果；

图6为本发明马氏体时效不锈钢在实施例2中500℃/24h时效后的断口形貌。其中，(a)图为该状态下材料的拉伸断口宏观形貌；(b)图为断口裂纹源处的形貌；(c)图为(b)图的高倍图像。

具体实施方式

实施例1

按下述名义成分(重量百分比)：C：0.005％、Cr：11.96％、Ni：13.3％、Ti：2.07％、Mo：0.51％、Cu：0.54％、Co：1.72％、Nb：0.006％、Mn：0.60％、Si：0.32％、V：0.005％、Al：1.4％、N：0.004％以及Fe：余量。混料后，装入真空感应炉中进行熔炼。熔炼后的铸锭，再按下述工艺条件进行热加工和热处理：

(1)奥氏体单相区加热锻造，锻压比为7，锻后空冷至室温；

(2)锻后热轧，初轧温度为1150℃，终轧温度为800℃，轧后空冷至室温，热轧累积压下量达到84％；本实施例中，分七道次进行热轧，每道次压下量为12％。

(3)将热轧后板材进行冷轧，冷轧变形量为60％；

(4)热处理制度：将冷轧后样品1150℃固溶处理/2h/油淬至室温+550℃时效处理/24h/空冷至室温。

材料经冷轧和热处理后加工成试样，分别测试其室温拉伸性能、断裂韧性以及耐蚀性能，并对拉伸断口进行扫描电镜观察。冷轧后金相组织如图1所示，拉伸结果如图2所示，典型断口形貌如图3所示。

拉伸断口结果显示，该合金成分的材料为延性断裂，且由于冷轧后产生了织构而发现了分层现象，经过长时间24h的时效处理后，其强度达到1500MPa，其最高强度对应的断裂韧性为95.4MPa·m^1/2，其失重率为5.56g/dm²·天。

实施例2

与实施例1不同之处在于：调整了部分合金元素含量，改变析出相的种类和数量，以获得不同于实施例1的力学性能。

按下述名义成分(重量百分比)：C：0.0065％、Cr：11.90％、Ni：11.9％、Ti：1.62％、Mo：0.52％、Cu：2.09％、Co：2.11％、Nb：0.003％、Mn：0.61％、Si：0.82％、Al：2.0％、V：0.0024％、N：0.005％以及Fe：余量。混料后装入真空感应炉中进行熔炼。熔炼后的铸锭，再按实施例1所述工艺条件进行热加工和热处理。

材料经冷轧和热处理后加工成试样，分别测试其室温拉伸性能、断裂韧性以及耐蚀性能，并对拉伸断口进行扫描电镜观察。冷轧后金相组织如图4所示，拉伸结果如图5所示，典型断口形貌如图6所示。

拉伸断口结果显示，该合金成分的材料在450℃以及500℃均为脆性断裂，但是经过550℃24h时效处理后，其强度为1540MPa，而延伸率依然高达13％，断裂韧性保持为106.1 MPa·m^1/2，其失重率为4.93g/dm²·天。

实施例3

与实施例1以及实施例2不同之处在于：综合前两个实施例的经验，调整了冷变形压下量，以获得优于实施例1和实施例2的力学性能。

按实施例1以及实施例2所述的材料，按实施例1所述工艺条件进行热轧后，在冷轧时将压下量由60％减少至40％，随后将冷轧后样品1150℃固溶处理/2h/油淬至室温，再在550℃进行24小时的时效处理后，空冷。

材料经热处理后加工成试样，分别测试其室温拉伸性能。

拉伸结果显示，该实施例1中的材料在室温下力学性能为：抗拉强度为1410MPa，屈服强度为1320MPa，延伸率为24.3％，断裂韧性保持在100MP·m^1/2水平。耐点蚀失重试验测试表明，材料的失重率为5.43g/dm²·天，该材料依然具有良好的抗拉强度以及延伸率，同时具有优异的断裂韧性和耐蚀性能。该实施例2中的材料在室温下力学性能为：抗拉强度为1390MPa，屈服强度为1240MPa，延伸率为23.8％，断裂韧性保持在110MP·m^1/2水平。耐点蚀失重试验测试表明，材料的失重率为5.61g/dm²·天，该材料依然具有良好的抗拉强度以及延伸率，同时具有优异的断裂韧性和耐蚀性能。

实验研究表明，特别从实施例1-3的材料综合性能可以看出，按照本发明所给出的成分(实施例1-3)，马氏体时效不锈钢具有高的强度和塑性，以及高的断裂韧性和耐腐蚀性能。

Claims (4)

1.一种形变诱发马氏体时效不锈钢，其特征在于，其合金成分及重量百分比为：

Cr：11.0～13.0％；Ni：11.0～14.0％；Ti：1.5～2.1％；Mo：0.1～1.0％；Cu：0.5～2.0％；Co：1.5～2.2％；Mn：0.5～1.5％；Si：0.1～1.0％；Al：1.0～2.0％；Nb＜0.01％；C＜0.01％；N＜0.01％；V＜0.01％；Fe：余量。

2.一种适合于权利要求1所述的形变诱发马氏体时效不锈钢的加工工艺，其特征在于，按如下步骤进行：

(1)奥氏体单相区加热锻造，锻压比为6～9，锻后空冷至室温；

(2)锻后热轧，初轧温度为1100～1200℃，终轧温度为800～900℃，轧后空冷至室温；

(3)热轧后材料的基体组织为奥氏体组织，再通过冷轧，使材料的变形量在40％～60％之间，从而获得具有马氏体基体的材料；

(4)热处理制度：将冷轧后材料在1100～1150℃固溶处理1～3h，油淬至室温后，再经450～550℃时效处理6min～24h，空冷至室温。

3.按照权利要求2所述的形变诱发马氏体时效不锈钢的加工工艺，其特征在于，所述步骤(2)中，热轧累积压下量达到80％～90％。

4.按照权利要求2所述的形变诱发马氏体时效不锈钢的加工工艺，其特征在于，所述步骤(2)热轧过程中，每道次压下量为5～13％。 

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