CN111621715B - 一种高密度高强度合金钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高密度高强度合金钢及其制备方法，属于合金钢技术领域。本发明所述合金钢的组成成分及各成分的百分含量如下：Ni 8％～14％，Co 5％～8％，Mo 4％～7％，W 18％～24％，Ti 0.2％～0.6％，Al＜0.2％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。本发明通过调控所述合金钢的组成成分及各成分的含量，避免了传统冶炼工艺中W、Mo等元素由于高密度、高熔点而产生严重的碳化物偏析以及液相中由于重力而产生的沉积等问题，使该合金钢兼具高致密度、高密度以及高强度；另外，采用传统冶炼工艺制备所述合金钢，工艺成熟，操作简单，易于实现工业化生产。

Description

一种高密度高强度合金钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高密度高强度合金钢及其制备方法，属于合金钢技术领域。
背景技术
超高强度钢是20世纪40年代以来为了满足航空和航天工业的需要而逐渐发展起来的一种钢种，主要特点是具有很高的强度和一定的韧性，主要用于制造承受高应力、大冲击载荷的重要构件，在民用和军用方面均有广泛的应用。
目前的高密度合金主要是以钨为基体计入少量Ni、Fe、Cu等元素组成的合金，在航空航天、国防军事领域中常用于配重件、惯性旋转原件、穿甲弹体、屏蔽材料等。此类合金由于含有大量具有高熔点的钨元素，因此通常采用粉末冶金工艺进行制备，得到的钨合金的强度通常在1000MPa左右，经过大变形处理后强度可提高至1300MPa以上，但塑性下降明显。超高强度钢具有良好的强塑性，但其密度相对较低，因此有必要开发一种具有高密度同时兼具高强度的合金钢。提高合金钢密度的方法主要通过添加大量高比重元素，如钨、钼等。由于钨钼均为强碳化物，含量过高将导致钢的脆性，因此在添加大量钨钼元素时，如何使钢依然具有高的强度与一定的塑性是面临的主要问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种高密度高强度合金钢及其制备方法，该合金钢中含有大量的W、Mo等高密度元素，同时不含碳，避免了传统冶炼工艺中W、Mo等元素由于高密度、高熔点而产生严重的碳化物偏析以及液相中由于重力而产生的沉积等问题，使该合金钢兼具高致密度、高密度以及高强度；另外，采用传统冶炼工艺制备所述合金钢，工艺成熟，操作简单，易于实现工业化生产。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种高密度高强度合金钢，以所述合金钢的总质量为100％计，所述合金钢的组成成分及各成分的质量百分含量如下：Ni 8％～14％，Co 5％～8％，Mo4％～7％，W 18％～24％，Ti 0.2％～0.6％，Al＜0.2％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素(如C、O、N、H等，总含量小于0.015％)。
本发明所述高密度高强度合金钢的具体制备步骤如下：
(1)冶炼
所述合金钢中金属元素对应的金属单质按照成分质量百分比称取原料并装入熔炼炉中，抽真空至炉内真空度＜50Pa，加热使原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，再在真空度＜1Pa以及1600℃～1700℃条件下保温30min～2h，然后浇铸并在真空下冷却得到钢锭；
(2)均匀化处理
将钢锭装入温度不大于550℃的炉内，之后在1100℃～1250℃下保温不少3h，完成均匀化处理；
(3)锻造
在1050℃～1250℃下对均匀化处理后的钢锭进行开坯锻造，始锻温度1200℃～1250℃，终锻温度1000℃～1050℃，锻造过程中每道次锻造变形量≤10％，每道次锻造完成后回炉加热至1200℃～1250℃，锻造完成后放入沙中缓冷；
(4)热处理
先将锻造后的钢锭在900℃～1100℃下保温0.5h～2h，随后在淬火油中冷却；再在350℃～550℃下保温3h～12h，之后在空气中冷却，得到高密度高强度合金钢。
有益效果：
(1)本发明所述的合金钢中，W可以部分溶入铁中形成固溶体，起到一定的固溶强化作用，同时还可以与Fe、Co、Ni等元素形成具有复杂六方点阵结构的B2A型Laves相，弥散分布于合金钢内，起到明显的强化作用；而且在时效过程中，W元素能够阻止析出相沿原奥氏体晶界析出，也能够抑制杂质原子核非金属夹杂物在晶界偏聚；另外，W元素还具有提高合金钢回火抗力和抑制高温回火脆性的作用；
(2)本发明所述的合金钢中，Mo元素与W元素相似，也可以形成固溶体产生固溶强化作用，同时还可以同Co、Fe等元素形成具有(Fe，Co)2Mo结构的细小的B2A型Laves相，弥散的分布于基体中，提高钢的强度；而且Mo元素还具有净化晶界、提高回火抗力及抑制高温回火脆性的作用；然而，Mo含量过高会降低钢的抗氧化性，所以Mo的含量不超过7％；
(3)本发明所述的合金钢中，Ni元素可以提高合金钢的淬透性，产生固溶强化，同时可以显著提高合金钢韧性及耐应力腐蚀性，能够使螺型位错不易发生分解，保证交滑移的发生；
(4)本发明所述的合金钢中，Co元素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；Co元素能够降低Mo在马氏体中的固溶度促进Fe2Mo沉淀相的形成，促进奥氏体完全转变为马氏体，提高Ms点，减少马氏体转变为逆转变奥氏体的倾向；
(5)本发明所述合金钢通过成分设计及其含量调控，使得合金钢在具有较高密度(密度＞9g/cm3)的条件下仍然能保持高的强度(抗拉强度≥1400MPa，抗压强度≥2300MPa)；而且该合金钢的制备工艺成熟，易于实现工业化生产，具有很好的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1
(1)按照20:13.8:6.8:6.5:0.3:0.1:52.5的质量比将金属单质W、Ni、Mo、Co、Ti、Al以及Fe装入熔炼炉中，抽真空至炉内真空度＜50Pa，加热使原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，再在真空度＜1Pa以及1600℃条件下保温30min，然后浇铸并在真空下冷却得到直径为50mm的钢锭；
(2)钢锭装入温度不大于550℃的炉内，之后加热至1200℃并保温6h，使钢锭组织和化学成分均匀化；
(3)采用圆形模具对均匀化处理后的钢锭进行开坯锻造，始锻温度为1200℃，终锻温度为1050℃，锻造过程中每道次锻造变形量为5mm，每道次完成后回炉加热至1200℃，锻造四次，最后一次锻造完成后放入沙中缓冷，得到直径为30mm的棒材；
(4)先将锻造后的钢锭在1000℃下保温1h，随后在淬火油中冷却至室温；再在400℃下保温3h，之后在空气中冷却至室温，得到高密度高强度合金钢。
本实施例中制得的合金钢的化学成分质量百分比为：C 0.0009％，Ni 13.96％，Mo6.73％，W 19.46％，Co 6.26％，Ti 0.20％，Al 0.053％，N 0.0012，O 0.0064，H 0.0001％，余量为Fe。按照GB/T3850-2015进行密度测试，测得该合金钢的密度为9.28g/cm3；按照GB/T228.1-2010进行室温准静态拉伸测试，测得该合金钢的屈服强度为1608MPa，抗拉强度为1734MPa；按照GB/T 7314-2017进行室温准静态压缩测试，测得该合金钢的屈服强度为2453MPa，抗压强度为2726MPa。
实施例2
(1)按照24:13:6:6.3:0.3:0.1:50.3的质量比将金属单质W、Ni、Mo、Co、Ti、Al以及Fe装入熔炼炉中，抽真空至炉内真空度＜50Pa，加热使原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，再在真空度＜1Pa以及1600℃条件下保温30min，然后浇铸并在真空下冷却得到直径为50mm的钢锭；
(2)钢锭装入温度不大于550℃的炉内，之后加热至1200℃并保温6h，使钢锭组织和化学成分均匀化；
(3)采用圆形模具对均匀化处理后的钢锭进行开坯锻造，始锻温度为1200℃，终锻温度为1050℃，锻造过程中每道次锻造变形量为5mm，每道次完成后回炉加热至1200℃，锻造四次，最后一次锻造完成后放入沙中缓冷，得到直径为30mm的棒材；
(4)先将锻造后的钢锭在900℃下保温1h，随后在淬火油中冷却至室温；再在500℃下保温3h，之后在空气中冷却至室温，得到高密度高强度合金钢。
本实施例中制得的合金钢的化学成分质量百分比为：C 0.0012％，Ni 13.30％，Mo6.24％，W 23.76％，Co 6.26％，Ti 0.27％，Al 0.08％，N 0.001％，O 0.0033％，H0.00009％。按照GB/T3850-2015进行密度测试，测得该合金钢的密度为9.51g/cm3；按照GB/T228.1-2010进行室温准静态拉伸测试，测得该合金钢的屈服强度为1401MPa，抗拉强度为1563MPa；按照GB/T 7314-2017进行室温准静态压缩测试，测得该合金钢的屈服强度为1867MPa，抗压强度为2495MPa。
实施例3
(1)按照22:13:7:6:0.3:0.1:51.6的质量比将金属单质W、Ni、Mo、Co、Ti、Al以及Fe称取原料并装入熔炼炉中，抽真空至炉内真空度＜50Pa，加热使原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，再在真空度＜1Pa以及1650℃条件下保温1h，然后浇铸并在真空下冷却得到直径为50mm的钢锭；
(2)钢锭装入温度不大于550℃的炉内，之后加热至1200℃并保温6h，使钢锭组织和化学成分均匀化；
(3)采用圆形模具对均匀化处理后的钢锭进行开坯锻造，始锻温度为1200℃，终锻温度为1050℃，锻造过程中每道次锻造变形量为5mm，每道次完成后回炉加热至1200℃，锻造四次，最后一次锻造完成后放入沙中缓冷，得到直径为30mm的棒材；
(4)先将锻造后的钢锭在950℃下保温1h，随后在淬火油中冷却至室温；再在450℃下保温3h，之后在空气中冷却至室温，得到高密度高强度合金钢。
本实施例中制得的合金钢的化学成分质量百分比为：C 0.0016％，Ni 12.99％，Mo6.91％，W 22.17％，Co 6.4％，Ti 0.28％，Al 0.13％，N 0.001％，O 0.0091％，H0.0003％，余量为Fe。按照GB/T3850-2015进行密度测试，测得该合金钢的密度为9.42g/cm3；按照GB/T228.1-2010进行室温准静态拉伸测试，测得该合金钢的屈服强度为1470MPa，抗拉强度为1569MPa；按照GB/T 7314-2017进行室温准静态压缩测试，测得该合金钢的屈服强度为1948MPa，抗压强度为2463MPa。
实施例4
(1)按照22:13:7:6:0.3:0.1:51.6的质量比将金属单质W、Ni、Mo、Co、Ti、Al以及Fe称取原料并装入熔炼炉中，抽真空至炉内真空度＜50Pa，加热使原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，再在真空度＜1Pa以及1650℃条件下保温1h，然后浇铸并在真空下冷却得到直径为50mm的钢锭；
(2)钢锭装入温度不大于550℃的炉内，之后加热至1200℃并保温6h，使钢锭组织和化学成分均匀化；
(3)采用圆形模具对均匀化处理后的钢锭进行开坯锻造，始锻温度为1200℃，终锻温度为1050℃，锻造过程中每道次锻造变形量为5mm，每道次完成后回炉加热至1200℃，锻造四次，最后一次锻造完成后放入沙中缓冷，得到直径为30mm的棒材；
(4)先将锻造后的钢锭在1100℃下保温1h，随后在淬火油中冷却至室温；再在400℃下保温3h，之后在空气中冷却至室温，得到高密度高强度合金钢。
本实施例中制得的合金钢的化学成分质量百分比为：C 0.0016％，Ni 12.99％，Mo6.91％，W 22.17％，Co 6.4％，Ti 0.28％，Al 0.13％，N 0.001％，O 0.0091％，H0.0003％，余量为Fe。按照GB/T3850-2015进行密度测试，测得该合金钢的密度为9.42g/cm3；按照GB/T228.1-2010进行室温准静态拉伸测试，测得该合金钢的屈服强度为1359MPa，抗拉强度为1530MPa；按照GB/T 7314-2017进行室温准静态压缩测试，测得该合金钢的屈服强度为1653MPa，抗压强度为2349MPa。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高密度高强度合金钢，其特征在于：以所述合金钢的总质量为100%计，所述合金钢的组成成分及各成分的质量百分含量如下：Ni8%~14%，Co5%~8%，Mo4%~7%，W18%~24%，Ti0.2%~0.6%，Al＜0.2%，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素，杂质元素的总含量小于0.015%；所述合金钢的密度＞9 g/cm3，抗拉强度≥1400 MPa，抗压强度≥2300 MPa。
2.一种如权利要求1所述的高密度高强度合金钢的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下，
（1）冶炼
所述合金钢中金属元素对应的金属单质按照成分质量百分比称取原料并装入熔炼炉中，抽真空至炉内真空度＜50 Pa，加热使原料完全熔化且熔池表面无气泡溢出后，再在真空度＜1 Pa以及1600 oC~1700 oC条件下保温30 min~2 h，然后浇铸并在真空下冷却得到钢锭；
（2）均匀化处理
将钢锭装入温度不大于550 oC的炉内，之后在1100 oC~1250 oC下保温不少于3 h，完成均匀化处理；
（3）锻造
在1050 oC~1250 oC下对均匀化处理后的钢锭进行开坯锻造，始锻温度1200 oC~1250 oC，终锻温度1000 oC~1050oC，锻造过程中每道次锻造变形量≤10%，每道次锻造完成后回炉加热至1200 oC~1250 oC，锻造完成后放入沙中缓冷；
（4）热处理
先将锻造后的钢锭在900 oC~1100 oC下保温0.5 h~2 h，随后在淬火油中冷却；再在350 oC~550 oC下保温3 h~12 h，之后在空气中冷却，得到高密度高强度合金钢。
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