CN106048448B - 一种含Al高模量低温回火合金钢及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种含Al高模量低温回火超高强度钢及制备方法,属于合金钢技术领域。该钢的化学组成成分重量%为:C 0.33‑0.43%,Cr 0.50‑3.5%,Ni 1.0‑6.0%,Si 0‑2.0%,Mn 0‑2.0%,Mo 0‑2.0%,Al 0‑2.0%,Co 0‑6.0%,V 0‑0.3%,Nb≤0.2%,其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。本发明与现有技术相比综合性能优良,具有σb≥1900Mpa和KIC≥90MPam1/2的高韧性和超高强度的优点,具有500℃时σb≥1400Mpa高温强度和E≥200GPa高模量。
Description
技术领域
本发明属于合金钢技术领域,特别涉及一种含Al高模量低温回火超高强度钢及制备方法,本发明与现有技术相比综合性能优良,具有σb≥1900Mpa和KIC≥90MPam1/2的高韧性和超高强度的优点,具有E≥200GPa高模量和500℃时σb≥1400Mpa高温强度。
背景技术
在此之前,由于良好的强韧性和经济性的优势,低合金超高强度钢一直是超高强度钢应用的主力,主要有35CrMnSi、30CrMnSiNi2、4340、D6AC、D406A和300M钢等,广泛应用于发动机、起落架、承载梁、传动轴、紧固件等,是高载荷结构中的主力材料,在航空、航天、机械、交通等领域应用广泛。这类低合金超高强度钢的普遍特点是采用低温回火热处理制度,通常回火温度在220℃-300℃之间,利用低温回火板条马氏体进行强化获得高强度,利用残余奥氏体韧化提高塑韧性,由于受到回火温度的限制,此类超高强度钢通常认为使用温度不超过200℃。典型低合金超高强度钢的主要成分和力学性能见表1和表2。
表1对比钢化学成分(wt%)
表2对比钢力学性能
虽然目前的低合金壳体用钢能够提供σb≥1620MPa,KIC≥80MPam1/2的性能,但是与目前航天航空领域对于零部件的需求相比,强度和断裂韧性等的综合性能尚存在差距,强度和韧性均偏低,不能满足技术需求。
随航空航天的发展,载荷和使用温度不断提高,同时基于容限可靠性设计代替强度设计,对高强、高韧、高模量和耐热性提出了更高的要求,在保持良好经济型的同时,希望进一步提高低合金超高强度钢的强度和韧性,并显著提高使用温度,可以提供σb≥1900Mpa和KIC≥90MPam1/2的高韧性和超高强度,具有500℃时σb≥1400Mpa高温强度和E≥200GPa高模量。因此,新一代高韧高强和耐热低合金钢日益被提到科研日程上来。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含Al高模量低温回火超高强度钢及制备方法,综合性能优良,具有高强、高韧、高模量和耐热的优势,同时保持良好经济性,可以提供σb≥1900Mpa和KIC≥90MPam1/2的高韧性和超高强度,具有E≥200GPa高模量和500℃时σb≥1400Mpa高温强度。
基于上述目的,本发明的主要技术方案是采用中碳的回火马氏体板条达到高强度、较高的Ni含量获得高韧性、较高的Al和Mo获得高温强度、低温回火热处理获得高模量。其具体的化学组成成分(重量%)为:C0.33-0.43%,Cr0.50-3.5%,Ni1.0-6.0%,Si0-2.0%,Mn0-2.0%,Mo0-2.0%,Al0-2.0%,Co0-6.0%,V0-0.3%,Nb≤0.2%,其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。
上述化学成分的设计依据如下:
C:淬火、回火后为了获得所需的高强度,其抗拉强度与C含量呈直线关系:
σb(MPa)=(294×C%+82)×9.8
式中,C%表示钢中碳含量,适用范围为0.30~0.50%C。为达到1900MPa以上的强度,C含量须在0.33%以上,但过多的C含量会严重恶化钢的塑韧性以及钢的工艺性能,超过0.43%韧性达不到要求,因而C含量控制为0.33-0.43%。
Cr:能够有效地提高钢的淬透性和回火抗力,以获得所需的高强度,同时显著提高抗脱碳能力,但含量过高则会显著提高钢的淬火温度、降低钢的韧性和加工性,同时在高Ni含量时同时添加会显著降低Ms点,本发明中Cr含量应最高在3.0%左右,因此控制在0.5-3.5%。
Ni:有效地提高钢的淬透性并提高钢的低温韧性。同时降低Ms点,能够获得残余奥氏体,提高刚的韧性,达到3.0%左右明显推迟C曲线,显著提高淬透性,是本发明钢的主要技术措施之一,但过高的Ni含量超过6%时由于Ms点过低,得不到完全马氏体组织,残余奥氏体过多降低强度,必需采用深冷处理使热处理工艺复杂,因此控制在1.0-6.0%。
Si:在钢中加入Si,可抑制残余奥氏体向Fe3C的分解转变,并使回火马氏体脆性区向高温方向移动,降低第一类回火脆性,因此可以采用高温度回火工艺获得良好的强韧性配比,但高Si会降低抗脱碳性能,本发明钢中Si控制在0-2.0%。
Mn:可以提高钢的淬透性和强度,但Mn含量过高时,有使钢晶粒粗化的倾向,并增加钢的回火脆敏感性,同时增加真空自耗重熔冶金过程中成分偏析,而Mn与Si都提高屈服强度和屈强比,因而控制Mn含量0-2.0%。
Mo:有效地提高钢的淬透性和回火抗力的同时,还能够强化晶界。含量小于0.20%难以起到上述作用,但含量超过2.0%则固溶温度显著提高超过950℃,粗化组织降低塑韧性,因此Mo含量控制在0-2.0%。
Al:可以提高Ms点,淬火时有利于获得完全马氏体组织;特别是Al是重要的强化元素,与Ni一起形成NiAl金属间化合物具有强烈的析出强化效果,NiAl相同时提高抗拉强度和屈服强度。特别是NiAl相熟化速率低,对保持高温强度至关重要,但NiAl相在提高强度的同时会降低韧性,因此NiAl相的含量在钢中不易过多。因此,本发明Al含量控制在0-2.0%。
Co:虽然Co与合金体系中的其他元素不形成化合物,但提高Ms点,促进奥氏体完全转变为马氏体,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的析出提供更多的形核位置,对提高中温强度至关重要。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,增加碳化物以及金属间化合物的形核率。因而,可以促进形成细小弥散分布的第二相析出,因此在本合金中Co的含量控制在0-6.0%。
V:在低合金超高强度钢中通过形成细小弥散的MC型析出相进行复合强化,提高钢的强度和韧性。V含量小于0.05%难以起到上述作用,过高的V会降低塑性,控制在0-0.3%。
Nb:细化晶粒,提高钢的韧性,含量小于0.01%起不到上述作用,超过0.3%会增加脆性倾向,本发明控制在小于0-0.2%。
本发明高冲击韧性超高强度钢宜采用真空感应+真空自耗重熔或电渣重熔工艺,也可采用炉外精炼+真空自耗重熔或电渣重熔工艺,其具体工艺及工艺中控制的技术参数如下:
钢锭进行1190-1230℃均匀化处理,8小时≤扩散时间≤60小时,装炉温度≤650℃;
加热温度:1160-1180℃,1100℃≤开锻温度≤1160℃,800℃≤终锻温度≤900℃;
成品退火制度:正火:910-980℃,1小时≤保温时间≤3小时空冷;退火:640-700℃,6小时≤保温时间≤30小时。
最终热处理:淬火处理:加热到880-950℃,热透后保温1-3小时,油淬;或空冷,或者用惰性气体进行真空热处理:
回火处理:加热到220-300℃,热透后保温2-4小时,空冷;或进行二次回火处理。
根据上述化学成分及生产方法所制备的本发明钢,具有高强、高韧、高模量和耐热的优势,同时保持良好经济性,可以提供σb≥1900MPa和KIC≥90MPam1/2的高韧性和超高强度,具有500℃时σb≥1400MPa高温强度和E≥200GPa高模量。
与现有技术相比,本发明综合性能优良,具有更高的强度和断裂韧性,同时具有高模量和良好的高温强度。
具体实施方式
根据本发明经济型高韧性易旋压易焊接超高强度钢的化学成分范围,采用25公斤真空感应炉制备20公斤的合金锭15炉,其具体化学成分见表1.
试验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10小时后,降温锻造,锻造加热温度为1150℃。锻造试棒尺寸为:φ15×2000、15×15×2000及25×45×Lmm。
锻后试棒首先进行正火、退火热处理:正火处理950℃×1h,AC、退火处理680℃×5h,AC。然后送试样段加工拉伸、冲击及断裂韧性试样毛坯。最后进行淬火、回火热处理:淬火处理950℃×1h,油淬;回火处理300℃×2h,AC。试样毛坯磨削加工后即可测试力学性能见表2。
为了对比,在表1和表2列入了对比例低合金超高强度30CrMnSiNi2A、406、D406A、D6AC钢的化学成分和力学性能。
从表1看出,与对比例低合金30CrMnSiNi2A、406、D406A钢相比,本发明的主要技术方案是显著提高C和Ni的含量,同时添加较多的Al和Mo形成中低合金低温回火马氏体钢。更高的C含量来达到高强度,高的Ni含量提高钢的淬透性及获得足够的残余奥氏体提高冲击韧性,高的Al和Mo获得高温强度、低温回火热处理获得高模量。
由表2看出,本发明钢种与对比例相比,抗拉强度和断裂韧性高于后者,具有稳定的σb≥1900Mpa抗拉强度和KIC≥90MPam1/2的断裂韧性,同时具有E≥200GPa高模量和500℃时σb≥1400Mpa高温强度。
表1本发明实施例与对比例化学成分(wt%)对比表
表2本发明实施例与对比例力学性能对比表
Claims (2)
1.一种含Al高模量低温回火超高强度钢,其特征在于,采用中碳的回火马氏体板条达到高强度、较高的Ni含量获得高韧性、较高的Al和Mo含量获得高温强度、低温回火热处理获得高模量,其具体的化学组成成分重量%为:C 0.33-0.43%,Cr 0.50-3.5%,Ni 2.0-6.0%,Si 0.8-2.0%,Mn 0.8-2.0%,Mo 1.0-2.0%,Al 0.5-1.5%,Co 0-4.0%,V0.15%,Nb 0.02%,其余为Fe及其他不可避免的杂质元素;
所述的含Al高模量低温回火超高强度钢采用真空感应+真空自耗重熔或电渣重熔,或采用炉外精炼+真空自耗重熔或电渣重熔冶炼工艺,具体工艺中控制的技术参数如下:
钢锭进行1190~1230℃均匀化处理,8小时≤扩散时间≤60小时,装炉温度≤650℃;
加热温度:1160~1180℃,1100℃≤开锻温度≤1160℃,800℃≤终锻温度≤900℃;
成品退火制度:正火:910~980℃,1小时≤保温时间≤3小时空冷;退火:640~700℃,6小时≤保温时间≤30小时;
最终热处理:淬火处理:加热到880~950℃,热透后保温1~3小时,油淬;或空冷,或者用惰性气体进行真空热处理;
回火处理:加热到220~300℃,热透后保温2~4小时,空冷;或进行二次回火处理。
2.一种权利要求1所述的含Al高模量低温回火超高强度钢的制备方法,采用真空感应+真空自耗重熔或电渣重熔,或采用炉外精炼+真空自耗重熔或电渣重熔冶炼工艺,其特征在于,工艺中控制的技术参数如下:
钢锭进行1190-1230℃均匀化处理,8小时≤扩散时间≤60小时,装炉温度≤650℃;
加热温度:1160-1180℃,1100℃≤开锻温度≤1160℃,800℃≤终锻温度≤900℃;
成品退火制度:正火:930-950℃,1小时≤保温时间≤3小时空冷;回火:640-700℃,6小时≤保温时间≤30小时;
最终热处理:淬火处理:加热到880-950℃,热透后保温1-3小时油淬;
回火处理:加热到220-300℃,热透后保温2-4小时,空冷。
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