CN111074174A - 一种复合析出相强化2500MPa级超高强度钢及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种复合析出相强化2500MPa级超高强度钢及制造方法，通过在铁基中添加合金元素Ni、Co、W、Cr、Mo、Al、Cu、C和RE，并设置C原子个数与Cr、Mo、W原子个数和之比为1:1.8～2.2，以及形成复合析出相，所述复合析出相包括二次硬化M2C析出相、马氏体时效NiAl析出相和沉淀硬化Cu析出相，能够突破现有超高强度钢的强韧化极限，从而有利于满足发动机壳体、飞机起落架、防弹钢板等领域对超高强度钢持续增长的轻量化和安全使用要求。

Description

一种复合析出相强化2500MPa级超高强度钢及制造方法
技术领域
本发明涉及超高强度钢技术，特别是一种复合析出相强化2500MPa级超高强度钢及制 造方法，通过在铁基中添加合金元素Ni、Co、W、Cr、Mo、Al、Cu、C和RE，并设置C 原子个数与Cr、Mo、W原子个数和之比为1:1.8～2.2，以及形成复合析出相，所述复合析 出相包括二次硬化M2C析出相、马氏体时效NiAl析出相和沉淀硬化Cu析出相，能够突破 现有超高强度钢的强韧化极限，从而有利于满足发动机壳体、飞机起落架、防弹钢板等领 域对超高强度钢持续增长的轻量化和安全使用要求。
背景技术
超高强度钢是强度和韧性匹配要求最高的材料之一(屈服强度大于1380MPa或者抗拉 强度1470MPa)，该类钢种的冶炼、热处理、加工、服役与失效等各个环节涉及的都是最基 础、最前沿、最先进的理论和工艺。美国在超高强度钢领域领先，目前全世界用量广泛的超高强度钢，大部分来自于美国，如300M，AerMet系列，M54等钢，其中AerMet340钢 的抗拉强度是2370MPa，延伸率9.5％，该钢是目前强韧化水平最高的钢种。我国对超高强 度钢的研究也从未停歇，2017年我国科学家创新性提出利用高密度共格纳米析出相来强韧 化的合金设计思想，通过热处理调控，研发出了强度级别为2200MPa的新一代超高强钢， 该成果在《Nature》期刊上发表。同年，北京、香港、台湾等地的大学科研人员合作，以中 锰钢为研究对象，通过变形-配分处理，研制出了强度为2200MPa，均匀延伸率16％的超高 强度钢，该成果在《Science》上发表。该文章创新地提出高位错密度可以同时实现提高强 度和塑性的机理，突破了经典理论中认为高位错密度会提高强度，降低塑韧性的认知，对 材料强韧化理论和方法有指导作用。但这两项研究成果仅限于实验室，未能工业化生产和 应用。
在应用方面，超高强度钢大量应用于飞机发动机壳体、飞机起落架、防弹钢板等性能 有特殊要求的领域，而且其使用范围正在不断地扩大到建筑、机械制造、车辆和其他军用 及民用装备上。可以说超高强度钢是国防军工各领域和重大装备制造的重要材料，也是其 它钢铁材料发展的重要技术基础。所以超高强度钢也是衡量一个国家特殊钢产业发展水平 的重要标志，是特殊钢的金字塔尖的明珠。
按合金元素总量，超高强度钢可分为低合金、中合金和高合金超高强度钢。高合金超 高强度钢又可分为二次硬化钢、马氏体时效钢和不锈钢。目前这几类超高强度钢强化方式 采用单一析出相类型强化。单一析出相类型强化易于导致析出相弥散度较小，韧性偏低等 问题。本发明人认为，采用二次硬化钢的强化相M2C、马氏体时效钢的强化相NiAl和沉淀硬化不锈钢的强化相Cu，为复合析出相以强化超高强度钢，能够基于高密度共格纳米析出相来强韧化的合金设计思想，设计并工业化制备出2500MPa级超高强度钢。有鉴于此，本 发明人完成了本发明。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种复合析出相强化2500MPa级超高 强度钢及制造方法，通过在铁基中添加合金元素Ni、Co、W、Cr、Mo、Al、Cu、C和RE， 并设置C原子个数与Cr、Mo、W原子个数和之比为1:1.8～2.2，以及形成复合析出相，所 述复合析出相包括二次硬化M2C析出相、马氏体时效NiAl析出相和沉淀硬化Cu析出相， 能够突破现有超高强度钢的强韧化极限，从而有利于满足发动机壳体、飞机起落架、防弹 钢板等领域对超高强度钢持续增长的轻量化和安全使用要求。
本发明技术方案如下：
一种复合析出相强化2500MPa级超高强度钢，其特征在于，包括铁基组织，所述铁基 组织中分布有合金化元素和不可避免的杂质元素，所述合金化元素包括镍Ni，钴Co，钨W， 铬Cr，钼Mo，铝Al，铜Cu，碳C和稀土RE，所述C原子个数与Cr、Mo、W原子个数 和之比为1:1.8～2.2，所述不可避免的杂质元素包括硫S和磷P，所述铁基组织中分布有复 合析出相，所述复合析出相包括二次硬化M2C析出相、马氏体时效NiAl析出相和沉淀硬 化Cu析出相，所述M2C中的M为所述合金化元素中的金属原子。
所述M2C析出相的尺度不大于90nm，所述NiAl析出相的尺度不大于15nm，所述Cu析出相不大于20nm。
所述铁基组织的微观组织为马氏体+贝氏体+少量残余奥氏体，所述贝氏体体积分数不 大于15％，所述少量残余奥氏体的体积分数不超过10％。
一种复合析出相强化2500MPa级超高强度钢，其特征在于，包括以下化学元素及其重 量百分比含量：镍Ni＝10.00～16.00，钴Co＝9.00～15.00，钨W＝1.0～2.0，铬Cr＝0.90～1.90， 钼Mo＝1.20～1.80，铝Al＝0.80～1.60，铜Cu＝0.60～1.20，碳C＝0.24～0.3，稀土RE＝0.0055～ 0.0150，其余为铁Fe及不可避免的杂质，所述C原子个数与Cr、Mo、W原子个数和之比 为1:1.8～2.2，所述不可避免的杂质包括磷P和硫S：所述P≤0.010，所述S≤0.008。
所述2500MPa级超高强度钢是将冶炼得到的钢锭通过锻造成型后通过调质热处理制备 而成。
所述冶炼包括真空感应熔炼和真空自耗重熔。
所述2500MPa级超高强度钢的微观组织为马氏体+贝氏体+少量残余奥氏体，所述贝氏 体体积分数不大于15％，所述少量残余奥氏体的体积分数不超过10％。
所述2500MPa级超高强度钢的微观组织中分布有复合析出相，所述复合析出相包括二 次硬化M2C析出相、马氏体时效NiAl析出相和沉淀硬化Cu析出相，所述M2C中的M为 所述合金化元素中的金属原子，所述M2C析出相的尺度不大于90nm，所述NiAl析出相的 尺度不大于15nm，所述Cu析出相不大于20nm。
一种复合析出相强化2500MPa级超高强度钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤： 通过真空感应熔炼和真空自耗重熔的冶炼得到钢锭后，再通过锻造成型后通过调质热处理 制备出复合析出相强化2500MPa级超高强度钢，所述超高强度钢具有以下化学元素及其重 量百分比含量：镍Ni＝10.00～16.00，钴Co＝9.00～15.00，钨W＝1.0～2.0，铬Cr＝0.90～1.90， 钼Mo＝1.20～1.80，铝Al＝0.80～1.60，铜Cu＝0.60～1.20，碳C＝0.24～0.3，稀土RE＝0.0055～ 0.0150，其余为铁Fe及不可避免的杂质，所述C原子个数与Cr、Mo、W原子个数和之比 为1:1.8～2.2，所述不可避免的杂质包括磷P和硫S：所述P≤0.010，所述S≤0.008，所述 2500MPa级超高强度钢的微观组织中分布有复合析出相，所述复合析出相包括二次硬化 M2C析出相、马氏体时效NiAl析出相和沉淀硬化Cu析出相，所述M2C中的M为所述合 金化元素中的金属原子，所述M2C析出相的尺度不大于90nm，所述NiAl析出相的尺度不大于15nm，所述Cu析出相不大于20nm。
所述锻造成型中的始锻温度为1150℃，终锻温度不小于850℃；所述调质热处理包括 固溶制度和时效制度，所述固溶制度为900～1050℃保温1.3～1.7h后空冷至室温，所述时 效制度为480～650℃保温3.5～4.5h后空冷至室温。
本发明技术效果如下：本发明一种复合析出相强化2500MPa级超高强度钢，基于高密 度共格纳米析出相来强韧化的合金设计思想，采用二次硬化钢的强化相M2C、马氏体时效 钢的强化相NiAl和沉淀硬化不锈钢的强化相Cu，为复合析出相以强化超高强度钢，成分设计合理、突破了现有超高强度钢的强韧化极限，可满足发动机壳体、飞机起落架、防弹 钢板等领域持续增长的轻量化和安全使用要求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行说明。
本发明目的是满足发动机壳体、飞机起落架、防弹钢板等领域持续增长的轻量化和安 全使用要求，研制更高强度级别的超高强度钢。采用新的合金合计理念和强化相组合，提 出一种新型复合析出相强化技术。一种复合析出相强化2500MPa级超高强度钢，其成分重 量百分比如下：C为0.24～0.35％，Cr为0.90～1.90％，Ni为10.00～16.00％，Co为9.00～ 15.00％，Mo为1.20～1.80％，W为1.0～2.0％，Cu为0.60～1.20％，Al为0.80～1.60％， RE为0.0055～0.0150％，其中C原子个数与Cr、Mo、W原子个数和之比约1:2，其余为Fe及不可避免的杂质，所述不可避免的杂质包括：P≤0.010％，S≤0.008％。所述一种复合析出相强化2500MPa级超高强度钢是通过真空感应熔炼、真空自耗重熔得到钢锭后再通过锻造成型后通过调质热处理制备而成，所述复合析出相强化2500MPa级超高强度钢微观组织为马氏体+贝氏体+少量残余奥氏体，所述贝氏体不大于15％，少量残余奥氏体的体积分数不超过10％。所述一种复合析出相强化2500MPa级超高强度钢的抗拉强度不小于2500MPa，延伸率不小于10％。所述强化超高强度钢微观组织中，M2C、NiAl和Cu析出相 的最大尺寸分别是90nm、15nm和20nm。
所述超高强度钢的冶炼包括采用真空感应熔炼、真空自耗重熔进行冶炼。所述锻造中 的始锻温度为1150℃，终锻温度不小于850℃；所述调质热处理包括固溶制度和时效制度， 所述固溶制度为900～1050℃保温，空冷至室温，时效制度为480～650℃保温，空冷至室 温。
实施例1：采用真空感应熔炼、真空自耗重熔制备的复合析出相强化超高强度钢，其成 分重量百分比如下：C为0.26％，Cr为1.20％，Ni为15.5％，Co为12.00％，Mo为1.20％，W为1.2％，Cu为0.90％，Al为0.80％，RE为0.0075％，余量为铁和不可避免的杂质。钢 锭锭始锻温度为1140℃，终锻温度控制830℃，锻比为约20。固溶温度是950℃，保温1.5h， 空冷室温，时效温度是482℃保温4h，空冷至室温。抗拉强度为2560MPa，延伸率12％。
实施例2：采用真空感应熔炼、真空自耗重熔制备的复合析出相强化超高强度钢，其成 分重量百分比如下：C为0.29％，Cr为1.35％，Ni为15.5％，Co为12.00％，Mo为1.22％，W为0.8％，Cu为1.20％，Al为1.10％，RE为0.0080％，余量为铁和不可避免的杂质。余 量为铁和不可避免的杂质。钢锭锭始锻温度为1145℃，终锻温度控制850℃，锻比为约21。 固溶温度是970℃，保温1.5h，空冷室温，时效温度是482℃保温4h，空冷至室温。抗拉强 度为2620MPa，延伸率11％。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造 的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或 删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合析出相强化2500MPa级超高强度钢，其特征在于，包括铁基组织，所述铁基组织中分布有合金化元素和不可避免的杂质元素，所述合金化元素包括镍Ni，钴Co，钨W，铬Cr，钼Mo，铝Al，铜Cu，碳C和稀土RE，所述C原子个数与Cr、Mo、W原子个数和之比为1:1.8～2.2，所述不可避免的杂质元素包括硫S和磷P，所述铁基组织中分布有复合析出相，所述复合析出相包括二次硬化M2C析出相、马氏体时效NiAl析出相和沉淀硬化Cu析出相，所述M2C中的M为所述合金化元素中的金属原子。
2.根据权利要求所述的复合析出相强化2500MPa级超高强度钢，其特征在于，所述M2C析出相的尺度不大于90nm，所述NiAl析出相的尺度不大于15nm，所述Cu析出相不大于20nm。
3.根据权利要求所述的复合析出相强化2500MPa级超高强度钢，其特征在于，所述铁基组织的微观组织为马氏体+贝氏体+少量残余奥氏体，所述贝氏体体积分数不大于15％，所述少量残余奥氏体的体积分数不超过10％。
4.一种复合析出相强化2500MPa级超高强度钢，其特征在于，包括以下化学元素及其重量百分比含量：镍Ni＝10.00～16.00，钴Co＝9.00～15.00，钨W＝1.0～2.0，铬Cr＝0.90～1.90，钼Mo＝1.20～1.80，铝Al＝0.80～1.60，铜Cu＝0.60～1.20，碳C＝0.24～0.3，稀土RE＝0.0055～0.0150，其余为铁Fe及不可避免的杂质，所述C原子个数与Cr、Mo、W原子个数和之比为1:1.8～2.2，所述不可避免的杂质包括磷P和硫S：所述P≤0.010，所述S≤0.008。
5.根据权利要求4所述的复合析出相强化2500MPa级超高强度钢，其特征在于，所述2500MPa级超高强度钢是将冶炼得到的钢锭通过锻造成型后通过调质热处理制备而成。
6.根据权利要求5所述的复合析出相强化2500MPa级超高强度钢，其特征在于，所述冶炼包括真空感应熔炼和真空自耗重熔。
7.根据权利要求所述的复合析出相强化2500MPa级超高强度钢，其特征在于，所述2500MPa级超高强度钢的微观组织为马氏体+贝氏体+少量残余奥氏体，所述贝氏体体积分数不大于15％，所述少量残余奥氏体的体积分数不超过10％。
8.根据权利要求所述的复合析出相强化2500MPa级超高强度钢，其特征在于，所述2500MPa级超高强度钢的微观组织中分布有复合析出相，所述复合析出相包括二次硬化M2C析出相、马氏体时效NiAl析出相和沉淀硬化Cu析出相，所述M2C中的M为所述合金化元素中的金属原子，所述M2C析出相的尺度不大于90nm，所述NiAl析出相的尺度不大于15nm，所述Cu析出相不大于20nm。
9.一种复合析出相强化2500MPa级超高强度钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：通过真空感应熔炼和真空自耗重熔的冶炼得到钢锭后，再通过锻造成型后通过调质热处理制备出复合析出相强化2500MPa级超高强度钢，所述超高强度钢具有以下化学元素及其重量百分比含量：镍Ni＝10.00～16.00，钴Co＝9.00～15.00，钨W＝1.0～2.0，铬Cr＝0.90～1.90，钼Mo＝1.20～1.80，铝Al＝0.80～1.60，铜Cu＝0.60～1.20，碳C＝0.24～0.3，稀土RE＝0.0055～0.0150，其余为铁Fe及不可避免的杂质，所述C原子个数与Cr、Mo、W原子个数和之比为1:1.8～2.2，所述不可避免的杂质包括磷P和硫S：所述P≤0.010，所述S≤0.008，所述2500MPa级超高强度钢的微观组织中分布有复合析出相，所述复合析出相包括二次硬化M2C析出相、马氏体时效NiAl析出相和沉淀硬化Cu析出相，所述M2C中的M为所述合金化元素中的金属原子，所述M2C析出相的尺度不大于90nm，所述NiAl析出相的尺度不大于15nm，所述Cu析出相不大于20nm。
10.根据权利要求9所述的复合析出相强化2500MPa级超高强度钢的制造方法，其特征在于，所述超高强度钢的冶炼包括采用真空感应熔炼、真空自耗重熔进行冶炼。所述锻造中的始锻温度为1150℃，终锻温度不小于850℃；所述调质热处理包括固溶制度和时效制度，所述固溶制度为900～1050℃保温，空冷至室温，时效制度为480～650℃保温，空冷至室温。
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