CN109609848A - 高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强韧抗疲劳纳米析出物增强马‑奥复相钢及其制备方法，属于合金钢技术领域。本发明的马‑奥复相钢化学成分的质量百分比为：C 0.06～0.20、Si 0.05～0.20、P≤0.01、S≤0.01、Mn 2.50～5.00、Cu≤1.00、Ni≤2.00、Mo 0.20～0.50、Cr 1.00～1.50、V 0.10～0.80，其余为Fe和不可避免的杂质；其微观组织结构包括回火马氏体、逆转变奥氏体以及附着于回火马氏体上的纳米尺寸的碳化钒析出物。制备方法为通过冶炼、炉外精炼获得目标成分设计范围的铸坯，经过锻造、热轧和调质处理获得马‑奥复相钢。本发明的马‑奥复相钢板利用奥氏体增韧抗疲劳作用和大量纳米析出相的强化作用来实现钢的高强韧性匹配，同时结合耐蚀合金化设计，大幅提升材料的耐蚀性能。

Description

高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢及其制备方法

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，具体地涉及一种高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢及制备方法。

背景技术

高压柱塞泵是高端液压装备的核心元件，被称作液压系统的“心脏”，使用的材料往往要求具有耐高压、耐腐蚀、抗磨损性强等特点。

现有技术中，液压柱塞泵通常采用Cr-Ni-Mo系合金结构钢材料。但是，传统的Cr-Ni-Mo系合金结构钢组织为回火索氏体，该组织状态下材料的强韧性难以满足在超高压、循环应力、强冲蚀等苛刻服役条件要求，材料往往易发生孔蚀、甚至开裂失效，造成设备服役寿命短，经济效益损失。同时，传统的Cr-Ni-Mo系合金结构钢中含有较多的合金元素Ni、Mo等，成本价格相对较高。

例如，35CrMoA、40CrMnMo或4145H材料，强度相对较低，使用过程材料易发生失效，造成设备服役寿命较短。4330V铬镍钼钒钢虽经调质后可获得良好的强韧性，但成本却是35CrMoA等材料的3倍以上。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢及其制备方法，解决了现有技术中液压柱塞泵用钢强韧性较差、生产成本较高的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢，化学成分的质量百分比为：C 0.06～0.20、Si 0.05～0.20、P≤0.01、S≤0.01、Mn 2.50～5.00、Cu≤1.00、Ni≤2.00、Mo 0.20～0.50、Cr 1.00～1.50、V 0.10～0.80，其余为Fe和不可避免的杂质；马-奥复相钢的微观组织结构包括回火马氏体、逆转变奥氏体以及附着于回火马氏体上的纳米尺寸的碳化钒析出物。

在一种可能的设计中，上述高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢化学成分的质量百分比为：C 0.10～0.16、Si 0.07～0.17、P≤0.01、S≤0.01、Mn 2.9～4.7、Cu 0.32～1.00、Ni 0.95～1.51、Mo 0.27～0.49、Cr1.1～1.4、V 0.31～0.52，其余为Fe和不可避免的杂质。

在一种可能的设计中，马-奥复相钢的微观组织中逆转变奥氏体的体积分数谓10％～20％。

在一种可能的设计中，马-奥复相钢采用如下方法制备：通过冶炼、炉外精炼获得目标成分设计范围的钢锭或钢坯，经过锻造、热轧和调质处理获得马-奥复相钢；热轧过程中，加热温度为1150～1220℃，开轧温度为1000～1050℃，终轧温度为800～850℃；调质处理过程中，淬火温度为750～850℃，回火温度为560～650℃。

在一种可能的设计中，马-奥复相钢的屈服强度为800～1200MPa，延伸率为20％～30％，-40℃的夏比冲击吸收功≥100J，硬度≥320HBW。

另一方面，本发明还提供了一种高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的制备方法，用于制备上述马-奥复相钢，制备方法包括如下步骤：通过冶炼、炉外精炼获得目标成分设计范围的铸坯，经过锻造、热轧和调质处理获得马-奥复相钢。

在一种可能的设计中，热轧过程中，加热温度为1150～1220℃，开轧温度1000～1050℃，终轧温度800～850℃。

在一种可能的设计中，调质处理包括如下步骤：

步骤1：对热轧后的铸坯加热保温，得到奥氏体晶粒，进行淬火冷却后获得淬火马氏体；

步骤2：对淬火后的钢板进行回火，使得一部分淬火马氏体转变为回火马氏体，其余淬火马氏体发生奥氏体转变得到逆转变奥氏体；在回火过程中，从相界、板条界和板条内析出纳米尺寸的碳化钒析出物，均匀地弥散在回火马氏体基体上。

在一种可能的设计中，调质处理过程中，淬火温度750～850℃，回火温度为560～650℃。

在一种可能的设计中，调质处理过程中，采用油或水进行冷却。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

a)本发明提供的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢，Mn是奥氏体形成元素，也是重要的强韧化元素，通过提高Mn的添加量，从而提高奥氏体的热力学稳定性，明显提高钢的淬透性并获得较多残余奥氏体及逆转变奥氏体，从而提高钢的韧塑性。

b)本发明提供的马-奥复相钢的微观组织结构包括回火马氏体、逆转变奥氏体以及附着于回火马氏体上的纳米尺寸的碳化钒析出物，其中，基体组织为回火马氏体+逆转变奥氏体，可获得优异的韧性和疲劳寿命，采用均匀附着于基体上纳米尺寸的VC析出物进一步提高材料的强度，该钢种具备了优秀的高强韧性和抗疲劳特性，生产流程方便，工艺简单，价格低廉，产品组织及性能均匀性良好，能够满足复杂工况下对材料的耐超高压、抗循环应力和强冲蚀等苛刻服役条件要求。它可以应用于对强韧性能和疲劳性能都有很高要求的工件、装备材料，例如，压裂车泵体，是一种成本低廉且具有优异强韧性和抗疲劳性的钢种。

c)本发明提供的马-奥复相钢，回火马氏体与淬火马氏体相比，既保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性，又适当提高了韧性。逆转变奥氏体是由马氏体切变生成的，尺寸十分细小、均匀、连续地弥散分布在马氏体基体上，可在不降低强度的情况下，改善钢的塑性、韧性。纳米尺寸的碳化钒析出物作为钢中的第二相粒子，将会产生显著的强化作用，即起到第二相强化作用。因此，本发明的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的微观组织中包括回火马氏体、逆转变奥氏体以及均匀附着于基体上纳米尺寸的VC析出物，显著改善了材料的强韧性，使材料具有优异的综合性能，且兼具成本低廉，具有广阔的应用前景。

d)本发明提供的马-奥复相钢板以“回火马氏体+逆转变奥氏体+纳米析出相”为主要组织特征，利用奥氏体增韧抗疲劳作用和大量纳米析出相的强化作用来实现钢的高强韧性匹配，同时结合耐蚀合金化设计，大幅提升材料的耐蚀性能。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一提供的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的金相组织图；

图2为本发明实施例一提供的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的EBSD测试结果照片；

图3为本发明实施例一提供的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢中纳米析出物的透射照片；

图4为本发明实施例一提供的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢中逆转变奥氏体的透射照片；

图5是为本发明实施例一提供的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢中奥氏体XRD测试结果。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

一方面，本发明提供了一种高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢，其化学成分的质量百分比为：C 0.06～0.20、Si 0.05～0.20、P≤0.01、S≤0.01、Mn 2.50～5.00、Cu≤1.00、Ni≤2.00、Mo 0.20～0.50、Cr 1.00～1.50、V 0.10～0.80，其余为Fe和不可避免的杂质；其中，马-奥复相钢的微观组织结构包括回火马氏体、逆转变奥氏体以及附着于回火马氏体上的纳米尺寸的碳化钒(VC)析出物。

与现有技术相比，本发明提供的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢，Mn是奥氏体形成元素，也是重要的强韧化元素，通过提高Mn的添加量，从而提高奥氏体的热力学稳定性，明显提高钢的淬透性并获得较多残余奥氏体及逆转变奥氏体，从而提高钢的韧塑性。

此外，上述马-奥复相钢的微观组织结构包括回火马氏体、逆转变奥氏体以及附着于回火马氏体上的纳米尺寸的碳化钒析出物，其中，基体组织为回火马氏体+逆转变奥氏体，可获得优异的韧性和疲劳寿命，采用均匀附着于基体上纳米尺寸的VC析出物进一步提高材料的强度，该钢种具备了优秀的高强韧性和抗疲劳特性，生产流程方便，工艺简单，价格低廉，产品组织及性能均匀性良好，能够满足复杂工况下对材料的耐超高压、抗循环应力和强冲蚀等苛刻服役条件要求。它可以应用于对强韧性能和疲劳性能都有很高要求的工件、装备材料，例如，压裂车泵体，是一种成本低廉且具有优异强韧性和抗疲劳性的钢种。

具体来说，回火马氏体与淬火马氏体相比，既保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性，又适当提高了韧性。逆转变奥氏体是由马氏体切变生成的，尺寸十分细小、均匀、连续地弥散分布在马氏体基体上，可在不降低强度的情况下，改善钢的塑性、韧性。纳米尺寸的碳化钒析出物作为钢中的第二相粒子，将会产生显著的强化作用，即起到第二相强化作用。因此，本发明的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的微观组织中包括回火马氏体、逆转变奥氏体以及均匀附着于基体上纳米尺寸的VC析出物，显著改善了材料的强韧性，使材料具有优异的综合性能，且兼具成本低廉，具有广阔的应用前景。

下面对以上各成分元素作用机理简述。

C：是扩大奥氏体相区元素，也是具有强烈固溶强化作用的元素。C含量较低，产品硬度不足；碳含量过高，产品硬度较高，韧性和焊接性能较差。碳与钒结合形成纳米级的VC粒子，形成沉淀强化作用；另外，采用低碳设计可以进一步提高耐蚀性。综合考虑，本钢种需要钢具备优良的强韧性，因而本发明控制碳含量范围为0.06％～0.20％。

Si：是常用炼钢中的脱氧剂，同时具有一定的固溶强化作用，但过量的硅对钢的韧性及焊接性能不利。本发明控制硅含量范围为0.05％～0.20％。

Mn：是奥氏体形成元素，也是重要的强韧化元素。可以通过提高奥氏体的热力学稳定性明显、钢的淬透性并获得较多残余奥氏体及逆转变奥氏体，从而提高钢的韧塑性，但是，Mn含量过高会增加钢的淬透性，影响焊接性和韧性，如果含量过低，在室温下无法得到稳定的逆转变奥氏体。本发明控制锰含量范围为2.50％～5.00％。

Cu：是奥氏体形成元素，主要以固溶体存在。可以通过提高奥氏体的热力学稳定性可提高钢的淬透性并获得较多残余奥氏体及逆转变奥氏体，此外，铜还是重要的耐蚀元素。通过Cu的沉淀强化与提高耐蚀性匹配，综合考虑，本发明控制铜含量范围为≤1.00％。

Ni：是奥氏体形成元素，也是最常用有效的耐蚀元素之一。通过固溶方式提高韧性，特别是显著降低冷脆转折温度，一定比例的Ni/Cu，能防止轧制过程中Cu引起的缺陷，还能改善钢的低温韧性。本发明控制镍含量范围为≤2.00％。

Mo：提高钢的淬透性，同时强化晶界，提高钢的耐蚀性能，但是Mo含量过高会增加钢的淬透性，对焊接性和韧性不利。本发明控制钼含量范围为0.20％～0.50％。

Cr：是重要的耐蚀元素之一，同时能强烈提高淬透性，当含量很高时会形成σ相(Fe-Cr相)，σ相出现时显著损害钢的韧性。本发明控制铬含量范围为1.00％～1.50％。

V：强碳化物形成元素，可形成简单立方晶体结构的合金碳化物VC，起沉淀强化作用；还可进入渗碳体提高渗碳体稳定性，固溶时提高淬透性，同时也可以提高回火稳定性；V还起到细化晶粒度，显著增加韧性的效果。本发明控制钒含量范围为0.10％～0.80％。

P、S作为杂质元素严重损害钢的韧塑性，含量均控制在≤0.01％。

为了进一步提高上述高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的综合力学性能，高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢，其化学成分的质量百分比为：C 0.10～0.16、Si 0.07～0.17、P≤0.01、S≤0.01、Mn 2.9～4.7、Cu 0.32～1.00、Ni 0.95～1.51、Mo0.27～0.49、Cr 1.1～1.4、V 0.31～0.52，其余为Fe和不可避免的杂质。

同样地，为了进一步提高上述高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的综合力学性能，通过合适的调质处理工艺，上述马-奥复相钢的微观组织中逆转变奥氏体的体积分数可以控制在10％～20％，这样有利于得到强韧性优异的组织结构。

需要说明的是，通过对化学成分以及微观组织结构中回火马氏体、逆转变奥氏体和碳化钒析出相比例的调控，能够实现材料的屈服强度800～1200MPa，延伸率20％～30％，-40℃的夏比冲击吸收功Kv≥100J，硬度≥320HBW，裂纹扩展速率比传统材料降低一半，数量级是10^-10m/s。

另一方面，本发明还提供了一种高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的制备方法，包括如下步骤：通过转炉或电炉冶炼、炉外精炼获得目标成分设计范围的钢锭或钢坯，经过后续的锻造、热轧，再经调质处理获得马-奥复相钢。

与现有技术相比，本是发明提供的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的制备方法的有益效果与高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

具体来说，上述将钢坯或铸锭开坯后装入加热炉中加热，加热温度为1150～1220℃，开轧温度为1000～1050℃，终轧温度为800～850℃。这样，可以使上述合金元素成分下的钢完全奥氏体化，既能保证合金元素完全固溶，又不出现晶粒异常化长大的现象。开轧温度过高易造成晶粒的粗大，温度过低的话，进入未再结晶区，起不到晶粒细化的效果。终轧温度对钢材的组织影响很大，终轧温度低到两相区轧制时，会产生带状组织，不均匀的混晶组织导致性能的恶化；终轧温度过高则会引起轧后奥氏体组织充分再结晶和晶粒长大，降低钢材性能。因此，通过控制合适的开轧温度和终轧温度可以获得所需要的组织，有利于保证钢材的性能。

为了能够有效地调控马-奥复相钢的微观组织结构，获得纳米尺寸的碳化钒析出物，上述调质处理工艺为：淬火温度为750～850℃，油或水冷却；回火温度为560～650℃，油或水冷却。

上述调质处理工艺包括如下步骤：将热轧后的铸坯加热至750～850℃，保温一段时间，得到均匀细小的奥氏体晶粒，通过油或水冷却后可以获得细小的淬火马氏体。再将上述铸坯加热至560～650℃，保温一段时间，使其转变为稳定的回火马氏体，组织仍然保持马氏体形态；在回火过程中，淬火马氏体会发生奥氏体转变，得到逆转变奥氏体，并且室温时也能稳定存在，而回火时从相界、板条界和板条内析出碳化物，这些碳化物是纳米尺寸的碳化钒析出物，均匀地弥散在回火马氏体基体上，起到第二相强化的作用。通过控制合适的回火温度，可以获得较多的逆转变奥氏体和纳米尺寸的碳化钒析出物，保证了材料的优异性能。

实施例1

本实施例和对比例1(传统材料4330型号)的化学成分(wt％)见表1。本实施例的钢板制造工艺：转炉冶炼、LF精炼、RH精炼和板坯连铸；采用轧机进行轧制，加热温度1200℃，开轧温度1050℃，终轧温度830℃。调质处理工艺为：淬火温度800℃，油或水冷却；回火温度为600℃，油或水冷却。本实施例中通过慢拉伸应力腐蚀试验和Wol试验来判断材料的应力腐蚀开裂的敏感性。表2为本实施例与对比例1的性能检测结果。

表1实施例1与对比例1的化学成分(wt％)

钢号	C	Si	S	P	Mn	Cr	Ni	Mo	V	Cu
											实施例1	0.10	0.10	0.004	0.006	3.60	1.10	1.50	0.42	0.31	1.0
对比例1	0.32	0.15	0.0027	0.004	0.28	1.42	3.71	0.014	0.14	-

表2实施例1与对比例1的性能对比

本实施例的马-奥复相钢的金相组织图，参见图1；EBSD测试结果照片，参见图2；马-奥复相钢中纳米析出物的透射照片，参见图3；马-奥复相钢中逆转变奥氏体的透射照片，参见图4；马-奥复相钢中奥氏体XRD测试结果，参见图5。

实施例2

本实施例和对比例2(传统材料4330型号)的化学成分(wt％)见表3。本实施例的钢板制造工艺：转炉冶炼、LF精炼、RH精炼和板坯连铸；采用轧机进行轧制，加热温度1220℃，开轧温度1030℃，终轧温度850℃。调质处理工艺为：淬火温度850℃，油或水冷却；回火温度为650℃，油或水冷却。其他试验方法同实施例1。表4为本实施例与对比例2的性能检测结果。

表3实施例2与对比例2的化学成分(wt％)

钢号	C	Si	S	P	Mn	Cr	Ni	Mo	V	Cu
											实施例2	0.16	0.097	0.003	0.006	3.64	1.10	1.51	0.42	0.52	0.53
对比例2	0.31	0.20	0.0023	0.0067	0.28	1.38	3.59	0.012	0.14	-

表4实施例2与对比例2的性能对比

实施例3

本实施例的化学成分(wt％)见表5。本实施例的钢板制造工艺：转炉冶炼、LF精炼、RH精炼和板坯连铸；采用轧机进行轧制，加热温度1180℃，开轧温度1010℃，终轧温度820℃。调质处理工艺为：淬火温度750℃，油或水冷却；回火温度为560℃，油或水冷却。其他试验方法同实施例1。表6为本实施例的性能检测结果。

表5实施例3的化学成分(wt％)

钢号	C	Si	S	P	Mn	Cr	Ni	Mo	V	Cu
											实施例2	0.08	0.07	0.003	0.006	4.7	1.3	1.10	0.27	0.52	0.47

表6实施例3的性能对比

实施例4

本实施例的化学成分(wt％)见表7。本实施例的钢板制造工艺：转炉冶炼、LF精炼、RH精炼和板坯连铸；采用轧机进行轧制，加热温度1220℃，终轧温度850℃。调质处理工艺为：淬火温度850℃，油或水冷却；回火温度为650℃，油或水冷却。其他试验方法同实施例1。表8为本实施例的性能检测结果。

表7实施例4的化学成分(wt％)

钢号	C	Si	S	P	Mn	Cr	Ni	Mo	V	Cu
											实施例2	0.14	0.17	0.003	0.007	2.9	1.4	0.95	0.49	0.42	0.43

表8实施例4的性能对比

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢，其特征在于，化学成分的质量百分比为：C 0.06～0.20、Si 0.05～0.20、P≤0.01、S≤0.01、Mn 2.50～5.00、Cu≤1.00、Ni≤2.00、Mo 0.20～0.50、Cr 1.00～1.50、V0.10～0.80，其余为Fe和不可避免的杂质；

所述马-奥复相钢的微观组织结构包括回火马氏体、逆转变奥氏体以及附着于回火马氏体上的纳米尺寸的碳化钒析出物。

2.根据权利要求1所述的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢，其特征在于，化学成分的质量百分比为：C 0.10～0.16、Si 0.07～0.17、P≤0.01、S≤0.01、Mn 2.9～4.7、Cu 0.32～1.00、Ni 0.95～1.51、Mo 0.27～0.49、Cr 1.1～1.4、V 0.31～0.52，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢，其特征在于，所述马-奥复相钢的微观组织中逆转变奥氏体的体积分数为10％～20％。

4.根据权利要求1至3任一项所述的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢，其特征在于，所述马-奥复相钢采用如下方法制备：通过冶炼、炉外精炼获得目标成分设计范围的钢锭或钢坯，经过锻造、热轧和调质处理获得马-奥复相钢；

所述热轧过程中，加热温度为1150～1220℃，开轧温度为1000～1050℃，终轧温度为800～850℃；

所述调质处理过程中，淬火温度为750～850℃，回火温度为560～650℃。

5.根据权利要求4所述的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢，其特征在于，所述马-奥复相钢的屈服强度为800～1200MPa，延伸率为20％～30％，-40℃的夏比冲击吸收功≥100J，硬度≥320HBW。

6.一种高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至5所述的马-奥复相钢，所述制备方法包括如下步骤：通过冶炼、炉外精炼获得目标成分设计范围的铸坯，经过锻造、热轧和调质处理获得马-奥复相钢。

7.根据权利要求6所述的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的制备方法，其特征在于，所述热轧过程中，加热温度为1150～1220℃，开轧温度1000～1050℃，终轧温度800～850℃。

8.根据权利要求6所述的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的制备方法，其特征在于，所述调质处理包括如下步骤：

步骤1：对热轧后的铸坯加热保温，得到奥氏体晶粒，进行淬火冷却后获得淬火马氏体；

步骤2：对淬火后的钢板进行回火，使得一部分淬火马氏体转变为回火马氏体，其余淬火马氏体发生奥氏体转变得到逆转变奥氏体；

在回火过程中，从相界、板条界和板条内析出纳米尺寸的碳化钒析出物，均匀地弥散在回火马氏体基体上。

9.根据权利要求8所述的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的制备方法，其特征在于，所述调质处理过程中，淬火温度为750～850℃，回火温度为560～650℃。

10.根据权利要求8所述的高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢的制备方法，其特征在于，所述调质处理过程中，采用油或水进行冷却。