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

一种含Al高模量低温回火合金钢及制备方法
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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