CN103451557A

CN103451557A - 钨、钼复合强化高钴镍高韧性二次硬化超高强度钢

Info

Publication number: CN103451557A
Application number: CN2013103848681A
Authority: CN
Inventors: 王春旭; 厉勇; 刘宪民; 韩顺; 黄顺喆; 邢峰; 田志凌
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-08-29
Also published as: CN103451557B

Abstract

一种钨、钼复合强化高钴镍高韧性二次硬化超高强度钢，属于合金钢技术领域，1、一种钨、钼复合强化高钴镍高韧性二次硬化超高强度钢，其特征在于，化学成分重量百分数为：C0.20-0.40%，Cr0.5-3.0%，Ni8.00-15.0%，Co8.00-15.00%，Mo1.00-5.00%，W1.0-3.0%,V0.05-0.20%,Ti≤0.10%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明与现有技术相比综合性能良好，具有更高的抗拉强度和良好塑韧性的优点，提高了材料回火稳定性。

Description

钨、钼复合强化高钴镍高韧性二次硬化超高强度钢

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，特别涉及一种钨（W）、钼（Mo）复合强化高韧性二次硬化超高强度钢。

背景技术

在此之前，高韧性的二次硬化型超高强度钢一直是研究和应用的重点,经过近半个世纪的发展，其应用越来越广泛，其中具有代表性的有HY180、AF1410、AerMet100等,其化学成分见表1。

表1典型二次硬化型超高强度钢的化学成分（wt.%）

钢种	C	Co	Ni	Mo	Cr	Fe
							HY180	0.11	8.0	10.0	1.0	2.0	其余
AF1410	0.16	14.0	10.0	1.0	2.0	其余
							AerMet100	0.23	13.4	11.1	1.2	3.1	其余

目前实际应用中的二次硬化型超高强度钢的强度均不超过2000MPa，其中AerMet100钢的强度水平最高，达到1965MPa，几种钢的力学性能见表2。并且，几种钢的回火稳定性较差，其回火温度不超过510℃。

表2典型二次硬化超高强度钢的室温力学性能

二次硬化型超高强度钢虽然强韧性配合较好，但目前的强化方式比较单一，其最高强度与实际的需求还存在差距，同时回火稳定性较差，对过时效敏感，给工程应用增添了不少苦难。目前二次硬化型钢的发展主要依靠单一的Mo₂C合金碳化物进行强化，保证材料具有高韧性，其强度很难超过2000MPa。由于其强度严重依赖于合金中的C、Mo和Co的含量，从HY180发展到AerMet100，钢中的C含量由0.11提高到0.23%，但根据研究表明，在单一Mo强化条件下，钢的回火稳定性差，对过时效敏感，同时在低Mo含量条件下，C含量超过0.25%可导致断裂韧性的恶化。因此继续依靠Mo₂C强化提高强度已经基本到了极限，2000MPa以上的二次硬化型超高强度钢探讨新的强化方式非常必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钨（W）、钼（Mo）复合强化高韧性二次硬化超高强度钢，综合性能良好，具有2000MPa以上抗拉强度和良好塑韧性。

根据上述目的，本发明整体的技术方案为：

这种钢采用复合合金碳化物Mo₂C和W₂C复合强化的方式，使其具有超高强度、高塑韧性、高回火稳定性的能力。能够提供2000MPa以上抗拉强度和良好塑韧性的综合性能。

为达到上述目标，在目前的二次硬化钢的合金成份基础上，加入合金元素W并提高Co含量，利用Mo₂C和W₂C复合强化的方式达到高的屈服强度和抗拉强度；同时提高钢中的Ni含量保证足够的韧性。

根据上述目的和整体的技术方案，本发明具体的技术方案为：

该钢的化学成分重量百分数为：C0.20-0.40%，Cr0.5-3.0%，Ni8.00-15.0%，Co8.00-15.00%，Mo1.00-5.00%，W1.0-3.0%,V0.05-0.20%,Ti≤0.10%，余量为Fe和不可避免的杂质。

达到本发明上述目的和优点的钢，采用一种复合强化二次硬化型马氏体钢，利用中碳的Fe-Ni-Co马氏体基体上弥散析出的Mo₂C和W₂C复合强化。

上述各化学元素的配比依据如下：

C：产生间隙固溶强化，获得板条马氏体，形成碳化物并增加碳化物数量，减少碳化物质点间距，增加二次硬化峰值，获得高屈服强度。研究表明：C含量自0.09％增加到0.19％，Fe-10Ni-2Cr-1Mo-8Co钢的屈服强度和硬度不断升高。C含量继续升高到0.29％仍显示出所有回火温度下的硬度普遍升高。随着C含量的增加，其抗拉强度提高，但合金冲击韧性降低。过高的C含量降低Ms点，增加残余奥氏体和孪晶马氏体，而孪晶马氏体损伤韧性，同时过高的C含量将会损伤焊接性能。因此，为保证有足够的形成碳化物所需的碳含量，同时形成低碳板条位错马氏体基体，保证钢具有满意的的强度水平，C含量控制在0.20～0.40%。

Cr：提高淬透性，产生固溶强化；取代M₂C中的Mo形成(Mo、Cr)₂C，促进二次硬化反应，形成细小弥散沉淀。Cr含量的增加会加速Mo₂C过时效，降低Mo₂C析出温度和回溶温度，提高硬度和屈服强度。随着Cr含量的继续增加，抗拉强度逐渐降低，但少于3％Cr时能提高冲击韧性的作用还与Mo含量有关。对0.16C-10Ni-14Co合金的研究表明：Cr取代Mo₂C中的部分Mo，由于减少了Mo₂C中的Mo含量，导致Mo₂C共格应变降低，因而抗拉强度、屈服强度降低。但如果C含量相应提高，却会因沉淀相体积分数增加而得到更高的抗拉强度和屈服强度。因此，根据合金中的C含量，Cr含量控制在不大于3.0%。

Mo：是主要的强化元素，Mo₂C碳化物的主要形成元素，强烈的产生二次硬化反应，是形成二次硬化峰的原因。随着Mo含量的增加，二次硬化峰值硬度提高，屈服强度提高。同时Mo还有增加淬透性，产生固溶强化，抑制回火脆性的作用。Mo与Cr的适当配合，可以使合金得到良好的韧性。为获得足够的二次硬化效果，本发明钢中的Mo含量不应少于1.0%。根据强度的需要和合金中C的含量控制，本发明钢中Mo含量控制在1.0-5.0%。

Ni:提高淬透性，产生固溶强化，高Ni含量保证马氏体基体具有高的本征抗解理断裂能力，提高钢的强韧性以及耐应力腐蚀性，Ni还可以促进Fe₃C回溶，从而为M₂C的形成提供足够的碳含量，因而Fe-C-Mo-Cr-Ni-Co系二次硬化型超高强度钢中添加Ni含量在10％或更高。而高Ni含量和细小弥散分布的碳化物沉淀也正是这类钢具有高强度、高韧性的基本原因。因此，合金中控制Ni含量不小于8.0%，最好控制在8.0-15.0%。

Co：虽然Co与合金体系中的其他元素不形成化合物，但其强烈促进二次硬化反应，添加Co可以抑制延缓马氏体位错亚结构回复，保持马氏体板条的高位错密度，从而为随后的沉淀相M₂C的析出提供更多的形核位置。而Co提高C原子在铁素体中的激活能，降低C原子在铁素体中的扩散系数，增加M₂C碳化物的形核率。因而，可以促进形成细小弥散分布的M₂C碳化物，并且减少沉淀析出碳化物粒子间距；Co能降低Mo在马氏体中的固溶度和Cr在M₃C渗碳体中的固溶度，从而促进M₂C沉淀相的形成；促进奥氏体完全转变为马氏体，提高Ms点，减少马氏体转变为逆转变奥氏体的倾向。此外，Ni、Co共同添加会相互加强促进Fe₃C回溶和M₂C碳化物的形成以及增强Co的促进硬化作用。因此在本合金中Co的含量较高，控制在8.0-15.0%。

W：是主要的强化元素，W₂C碳化物的主要形成元素，强烈的产生二次硬化反应，是形成二次硬化峰的原因。随着W含量的增加，二次硬化峰值硬度提高，屈服强度提高,同Mo相比W可以显著降低合金碳化物的过时效敏感性，提高合金回火稳定性。为获得足够的二次硬化效果，本发明钢中的W含量不应少于1.0%。根据强度特别是韧性的需要，本发明钢中W含量控制在1.0-3.0%。

合金中其他元素，可以包括不损害性能的附加元素。例如，Mn含量可达0.1%，最好小于0.05%，Si、Ti含量都可达到0.1%，这些附加元素是合金在冶金过程中的常用脱氧剂。

本发明超高强度钢中其余元素为铁，合金中的杂质元素必须控制，例如P限制不超过0.008%，S限制不超过0.005%。

本发明采用与现有技术相近似的制备方法：

本发明超高强度钢易于采用真空感应+真空自耗重熔或真空感应+电渣重熔冶炼工艺，其具体工艺参数如下：

钢锭进行1200+10℃均匀化处理，时间≥3小时。装炉温度≤650℃。

合金在1180-850℃区间均能够热加工，加热温度：1160－1180℃，开锻温度≥1100℃，终锻温度≥850℃。

成品退火制度：正火：1050±15℃，保温≥1小时；回火：680±20℃，保温≥6小时。

最终热处理：淬火处理：加热到1050±15℃，热透后保温1小时，油淬。也允许空冷或者用惰性气体进行真空热处理，二者比油淬冷却速率慢。随后进行深冷处理，在-73℃保温≥1小时然后在空气中升到室温。

回火处理：加热到510～530℃，热透后保温5-8小时，空冷。也可进行二次回火处理。

本发明的优点在于，与现有技术相比，本发明综合性能优良，具有高塑韧性和超高强度的优点，具有较高的回火稳定性，强度能够稳定达到2000MPa以上。

具体实施方式

根据本发明钢的化学成分范围，采用25公斤真空感应炉制备21公斤的合金锭10炉，其具体化学成分见表3，炉号为1^#～10^#。

10炉钢冶炼浇铸成钢锭后，锻前首先进行高温均质化处理制度为：1200℃保温6小时后，降温锻造，锻造加热温度为1150℃。锻造试棒尺寸为：φ15×2000mm、15×15×2000mm及25×45×L。

锻后试棒首先进行正火、退火热处理：正火处理1050℃×1h，空冷、退火处理680℃×6h，空冷。然后送试样段加工拉伸、冲击及断裂韧性试样毛坯。最后的热处理进行淬火、深冷和回火热处理：淬火处理1050℃×1h，油淬、随后-73℃冷处理，空气中升到室温。回火处理515℃×5h，空冷。试样毛坯磨削加工成力学性能试样成品，测得力学性能见表4。

为了对比，在表3和表4中列入了AerMet100、AF1410钢的化学成分和力学性能。

表3看出，与AerMet100、AF1410钢这些二次硬化型超高强度钢相比，本发明的主要技术方案是在中碳的马氏体基体上，通过复合添加Mo、W，利用Mo₂C和W₂C碳化物共同强化达到高强度；更高的Co含量可以提高Ms点，有利于板条马氏体的形成，更可以减缓位错的恢复，促进强化相的析出，有利于提高强度；更高的Ni含量提高钢的淬透性，特别可以获得足够的奥氏体提高钢的韧性。

由表4看出，本发明钢与对比例AerMet100、AF1410钢相比，在保持较高的塑韧性同时具有更高的的抗拉强度，可以达到2000MPa以上。

表3本发明实施例与对比例AerMet100、AF1410钢化学成分（wt%）对比表

续表3本发明实施例与对比例AerMet100、AF1410钢化学成分（wt%）对比表

表4本发明实施例与对比例AerMet100、AF1410钢力学性能对比表

Claims

1.一种钨、钼复合强化高钴镍高韧性二次硬化超高强度钢，其特征在于，化学成分重量百分数为：C0.20-0.40%，Cr0.5-3.0%，Ni8.00-15.0%，Co8.00-15.00%，Mo1.00-5.00%，W1.0-3.0%,V0.05-0.20%,Ti≤0.10%，余量为Fe和不可避免的杂质。