CN104451343A

CN104451343A - 一种马氏体时效钢的制备方法

Info

Publication number: CN104451343A
Application number: CN201310416944.2A
Authority: CN
Inventors: 杨军; 刘维民; 康永海; 马吉强; 毕秦岭; 李斐; 符立才; 朱圣宇
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2015-03-25

Abstract

本发明公开了一种马氏体时效钢的制备方法。材料通过燃烧合成熔化技术制备，得到的马氏体时效钢成分为原子百分含量，13-15%Ni，1-5%Cu，余量为Fe。本发明所需设备简单、有效节约钴、钼等稀缺资源，降低生产成本，制备的材料具有优异的力学性能，性能接近相应强度水平的含钴马氏体时效钢。

Description

一种马氏体时效钢的制备方法

技术领域

本发明涉及到一种马氏体时效钢的制备方法，该方法所需设备简单、耗能低、周期短、成本低，制备的材料具有优异的力学性能，可用作工程结构件，具有良好的应用前景。

技术背景

马氏体时效钢依靠马氏体组织和时效过程中析出金属间化合物等第二相强化而获得超高强度。该类材料强度高，韧性好，硬化指数低，成形性良好，热处理工艺简单，焊接性能良好。由于这些优异的性能，马氏体时效钢得到了广泛应用。铁镍马氏体时效钢通过钴、钼、钛等元素的添加，时效强化得到屈服强度分别达到1400、1700、1900MPa的18Ni(200)、18Ni(250)和18Ni(300)钢。但是，由于钴、钼资源稀缺，价格上涨，马氏体时效钢变异钢种的开发得到了广泛重视。

发明内容

本发明的目的在于以廉价的铜替代钴、钼等稀缺资源，制备高强度和良好塑性兼备的马氏体时效钢的方法。

一种马氏体时效钢的制备方法，通过燃烧合成熔化技术制备材料，其特征在于按照质量百分含量Fe₂O₃67.63%-65.55%、Ni8.88%-9.04%、Al22.85%-22.15%以及余量的Cu称取粉体状反应物料，然后通过机械球磨混合均匀；将混合好的粉末在30-50MPa压力下，压入金属模具中，作为反应胚料，装入燃烧合成炉中，在氩气保护下加热到200-230℃，然后充入5-6MPa氩气继续加热到250-260℃，通过引燃剂引发反应, 引燃剂占反应物料的质量百分含量小于3%，其成分中硫酸钾、镁粉、二氧化锰的质量比为1.5：2：1，反应后的高温液体产物快速凝固，得到纳米马氏体组织的合金，炉冷却至室温后，取出Fe-Ni-Cu合金产物，进行时效处理，时效处理条件为在300-800℃时效处理1-3小时，然后空冷。

本发明得到的马氏体时效钢成分为原子百分含量，13-15%Ni，1-5%Cu，余量为Fe。

本发明所需设备简单、有效节约钴、钼等稀缺资源，降低生产成本，所制备的材料具有优异的力学性能，性能接近相应强度水平的含钴马氏体时效钢。

采用透射电子显微镜，场发射扫描电镜和X射线衍射等方法表征其组织结构。材料由马氏体板条组织构成，时效后板条中析出纳米尺寸的铜析出相。

性能测试。维氏硬度测定条件：载荷300ｇ，加载持续时间10ｓ；压缩强度试样尺寸φ3mm×4.5mm，压头下移速度0.1mm/min。本发明制备的材料性能的离散度不大于10%，材料性能重现性好。

所制备材料时效前硬度3.5-3.7 GPa，压缩屈服强度1200-1300MPa，压缩强度1400-1500MPa，塑性0.41-0.42。在300-800℃时效处理2小时，500℃时效处理后强度最高，压缩屈服强度1800-1900MPa，压缩强度2200-2500MPa。以储量丰富的铜作为时效强化元素，通过时效过程，使得铁镍马氏体时效钢的强度提高近800MPa，达到节约稀有资源和节约成本的目的。

本发明的特点之一是，材料强度高，塑性好，如附图1、2所示。

本发明的特点之二是，制备方法所需设备简单、耗能低、周期短、成本低。

本发明的特点之三是，以储量丰富的铜作为时效强化元素，达到节约稀有资源和节约成本的目的。

附图说明

图1为Fe₈₄Ni₁₅Cu₁合金在300-800℃ 时效处理后硬度的变化曲线。

图2为Fe₈₄Ni₁₅Cu₁合金在500℃ 时效处理前(origin)和500℃时效处理后(aging)压缩强度曲线。

具体实施方式

实施例1：

按配方称取(质量百分含量)Fe₂O₃ 67.63%，Ni 8.88%，Al 22.85%，Cu 0.64%的粉体状反应物料球磨混合8小时。混合均匀的物料于金属模具中在30MPa压力下压实成反应胚体。将装有反应坯体的模具置于反应容器中，用氩气吹洗反应容器。在反应容器中将反应物胚体加热到200℃，在此温度保温30分钟，从容器中排出从反应物胚体表面脱附的气体，然后通入5MPa氩气，将反应物胚体继续加热到260℃，在此温度下引燃剂引发铝热反应，反应过程在数秒完成。引燃剂占反应物料的质量百分含量小于3%，其成分中硫酸钾、镁粉、二氧化锰的质量比为1.5：2：1。反应完成后所制备的材料随反应容器冷却至室温，制得铁镍基马氏体合金。将所得合金于马弗炉中在500℃时效处理2小时，材料强度大幅度提高，具体参数于下表中列出。

表 1 Fe_100-15-xNi₁₅Cu_x(x=1 at.%)马氏体时效钢时效前后力学性能参数

实施例2：

按配方称取(质量百分含量)Fe₂O₃ 66.6%，Ni 8.96%，Al 22.5%，Cu 1.94%的粉体状反应物料球磨混合8小时。混合均匀的物料于金属模具中在30MPa压力下压实成反应胚体。将装有反应坯体的模具置于反应容器中，用氩气吹洗反应容器。在反应容器中将反应物胚体加热到200℃，在此温度保温30分钟，从容器中排出从反应物胚体表面脱附的气体，然后通入5MPa氩气，将反应物胚体继续加热到260℃，在此温度下引燃剂引发铝热反应，反应过程在数秒完成。引燃剂占反应物料的质量百分含量小于3%，其成分中硫酸钾、镁粉、二氧化锰的比例为1.5：2：1。反应完成后所制备的材料随反应容器冷却至室温，制得铁镍基马氏体合金。将所得合金于马弗炉中在500℃时效处理2小时，材料强度大幅度提高，具体参数于下表列出。

表 2 Fe_100-15-xNi₁₅Cu_x(x=3 at.%)马氏体时效钢时效前后力学性能参数

实施例3：

按配方称取(质量百分含量)Fe₂O₃ 65.55%，Ni 9.04%，Al 22.15%，Cu 3.26%的粉体状反应物料球磨混合8小时。混合均匀的物料于金属模具中在30MPa压力下压实成反应胚体。将装有反应坯体的模具置于反应容器中，用氩气吹洗反应容器。在反应容器中将反应物胚体加热到200℃，在此温度保温30分钟，从容器中排出从反应物胚体表面脱附的气体，然后通入6MPa氩气，将反应物胚体继续加热到260℃，在此温度下引燃剂引发铝热反应，反应过程在数秒完成。引燃剂占反应物料的质量百分含量小于3%，其成分中硫酸钾、镁粉、二氧化锰的比例为1.5：2：1。反应完成后所制备的材料随反应容器冷却至室温，制得铁镍基马氏体合金。将所得合金于马弗炉中在500℃时效处理2小时，材料强度大幅度提高，具体参数于下表列出。

表 3 Fe_100-15-xNi₁₅Cu_x(x=5 at.%)马氏体时效钢时效前后力学性能参数

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Claims

1.一种马氏体时效钢的制备方法，通过燃烧合成熔化技术制备材料，其特征在于按照质量百分含量Fe₂O₃67.63%-65.55%、Ni8.88%-9.04%、Al22.85%-22.15%以及余量的Cu称取粉体状反应物料，然后通过机械球磨混合均匀；将混合好的粉末在30-50MPa压力下，压入金属模具中，作为反应胚料，装入燃烧合成炉中，在氩气保护下加热到200-230℃，然后充入5-6MPa氩气继续加热到250-260℃，通过引燃剂引发反应, 引燃剂占反应物料的质量百分含量小于3%，其成分中硫酸钾、镁粉、二氧化锰的质量比为1.5：2：1，反应后的高温液体产物快速凝固，得到纳米马氏体组织的合金，炉冷却至室温后，取出Fe-Ni-Cu合金产物，进行时效处理，时效处理条件为在300-800℃时效处理1-3小时，然后空冷。