CN114480952A - 一种高强高韧的含Cu低碳马氏体不锈钢及其热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低碳马氏体不锈钢领域，具体为一种高强高韧的含Cu低碳马氏体不锈钢及其热处理工艺。含Cu低碳马氏体不锈钢的化学成分的重量百分比为C≦0.06％，Cr:12～14％；Ni:3～5％；Mo:0.4～0.7％；Cu:1～2％；Si:0.3～0.6％；Mn≦1％；P≦0.04％；S≦0.03％；其余为Fe。其热处理工艺包括正火和二次回火，首先在1000～1050℃之间正火后空冷至室温得到马氏体组织，然后在640～680℃进行一次回火后，接着在580～620℃进行二次回火。热处理后材料的组织为回火马氏体、纳米级富Cu析出相和少量的逆转变奥氏体。本发明的高强高韧的含Cu低碳马氏体不锈钢通过Cu的添加以及相应的热处理工艺，改善了低碳马氏体不锈钢强度偏低的缺点，使材料同时具有较好的强度及冲击韧性，达到良好的强韧匹配，具有良好的应用前景。

Description

一种高强高韧的含Cu低碳马氏体不锈钢及其热处理工艺
技术领域：
本发明涉及马氏体不锈钢领域，特别涉及一种高强高韧的含Cu低碳马氏体不锈钢及其热处理工艺。
背景技术：
0Cr13Ni4Mo低碳马氏体不锈钢因具有优异的综合性能被广泛地应用于水轮机组件、阀体、核电站压力容器及海上钻进平台等多个水电站机组转轮和叶片以及核电工程构件上等，该材料优异的性能与逆变奥氏体组织是密切相关的。逆变奥氏体显著提高了低碳马氏体不锈钢塑韧性，尤其是低温韧性，是材料中的关键相。但对于低碳马氏体不锈钢如0Cr13Ni4Mo而言，适当数量的逆变奥氏体的获得往往经过较高温度的回火即略高于Ac1(约600℃)，且可调节的热处理温度范围很小。但是，较高的回火温度会显著降低马氏体的位错密度，从而损失材料的强度。因此，在保证塑韧性较好的前提下如何提高强度是这类材料面临的一个重要问题。
发明内容：
本发明的目的是提供一种高强度和高韧性的含Cu低碳马氏体不锈钢及其热处理工艺，通过纳米Cu析出相、逆变奥氏体以及热处理工艺的控制达到最佳强韧化匹配，从而为提高材料强韧性能提供新的思路和方法，为此类钢铁产品的升级换代以及制造使用提供理论指导。
本发明的技术方案是：
一种高强高韧的含Cu低碳马氏体不锈钢，其化学成分的重量百分比为C≦0.06％，Cr:12～14％；Ni:3～5％；Mo:0.4～0.7％；Cu:1～2％；Si:0.3～0.6％；Mn≦1％；P≦0.04％；S≦0.03％；其余为Fe。
所述的高强高韧的含Cu低碳马氏体不锈钢的热处理工艺，合金的热处理工艺是：
(1)在1000～1050℃之间保温1～2h后，正火空冷至室温，得到马氏体组织；
(2)在640～680℃保温2～4h进行一次回火，保温后空冷至室温；
(3)在580～620℃保温2～4h进行二次回火，保温后空冷至室温。
所述的高强高韧的含Cu低碳马氏体不锈钢的热处理工艺，热处理后的组织为板条状回火马氏体、纳米颗粒状富Cu析出相和板条状逆转变奥氏体，其中：板条状逆变奥氏体的体积百分含量为5％～10％。
所述的高强高韧的含Cu低碳马氏体不锈钢的热处理工艺，纳米颗粒状富Cu析出相以富Cu相为核心，Ni和Mn为壳的核-壳结构，富Cu析出相在马氏体基体上或者逆变奥氏体中弥散分布。
本发明的设计原理是：
在众多的强化机制中，纳米析出强化是金属材料尤其是新型高强钢中一个重要的强化机制。而面心结构Cu纳米析出相与奥氏体的点阵常数几乎相当，两者之间易形成共格界面，且Cu是奥氏体稳定化的合金元素。因此，在用逆变奥氏体韧化的合金钢中可以引入Cu纳米析出相，通过组织调控生成逆变奥氏体-Cu纳米析出相的复合组织，利用逆变奥氏体提高塑韧性，Cu纳米析出相提高强度。
Cu在bcc结构的马氏体基体中固溶度较低，易形成Cu析出相。由于低碳马氏体不锈钢中同时含有Ni和Mn元素，Cu析出相为以富Cu相为核心，Ni和Mn为壳的核-壳结构，使得富Cu析出相不易长大，在马氏体基体上弥散分布，从而提高了材料的强度。材料经过两次回火，形成了一定数量的逆变奥氏体，使材料具有较好的冲击韧性。在富Cu纳米析出相与逆变奥氏体的共同作用下，材料具有较好的强韧匹配。
本发明的优点及有益效果在于：
1、本发明冶炼加工方便、简单，其热处理工艺包括正火和二次回火，热处理后材料的组织为回火马氏体、纳米级富Cu析出相和少量的逆转变奥氏体。
2、本发明明显提高低碳马氏体不锈钢的强度，同时保持着较高的韧性，见表2。
附图说明：
图1含Cu低碳马氏体不锈钢的显微组织结构的TEM照片。
具体实施方式：
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例
采用真空感应炉熔炼合金，严格控制S、P等杂质元素含量，得到不含Cu以及含Cu的低碳马氏体不锈钢，其化学成分如表1所示。去掉铸件的冒口后，在1150℃开锻，终锻温度为900℃。锻后在1100℃保温3h后进行轧制，轧制变形量为66％左右。
表1：含Cu的低碳马氏体不锈钢的化学成分(wt.％)
C Cr Ni Mo Cu Si Mn P S Fe
成分A 0.05 12.89 3.85 0.51 0.05 0.50 0.61 0.004 0.001 余量
成分B 0.05 12.92 4.11 0.51 1.00 0.55 0.60 0.004 0.001 余量
成分C 0.056 12.67 3.86 0.49 1.69 0.54 0.60 0.006 0.001 余量
表1中成分A的Cu含量为0.05wt％，未在本发明的1～2wt％范围内，作为对比成分。
热处理工艺为：首先在1050℃保温2h后空冷至室温，然后在640℃～680℃进行一次回火，保温2h后空冷至室温；在580℃～620℃进行二次回火，保温2h后空冷至室温。如图1所示，热处理后得到该钢回火后显微组织的TEM照片，从图中可以看到，组织为马氏体板条，在马氏体基体上分布着板条状逆变奥氏体以及纳米颗粒状的富Cu析出相，其中：板条状逆变奥氏体的体积百分含量为10％。
经过热处理后的性能见表2，结果表明材料具有较好的强韧匹配，特别是当Cu含量在1～2wt％时，屈服强度在650MPa以上，抗拉强度可达到800MPa左右，同时具有较好的延伸率和冲击韧性。
而成分A的Cu含量为0.05wt％，采用与本发明相同的正火和二次回火热处理工艺后，仍然形成了一定数量的逆变奥氏体，使材料具有较好的延伸率和冲击韧性。但由于富Cu纳米析出相较少，未能在马氏体基体上形成弥散分布，从而在一定程度上影响了材料的强度，未能达到较好的强韧匹配。
表2：含Cu及不含Cu的低碳马氏体不锈钢的热处理工艺及性能
Figure BDA0002777344870000031
实施例结果表明，本发明的高强高韧的含Cu低碳马氏体不锈钢通过Cu的添加以及相应的热处理工艺，改善了低碳马氏体不锈钢强度偏低的缺点，使材料同时具有较好的强度及冲击韧性，达到良好的强韧匹配，具有良好的应用前景。

Claims (4)

1.一种高强高韧的含Cu低碳马氏体不锈钢，其特征在于，其化学成分的重量百分比为C≦0.06％，Cr:12～14％；Ni:3～5％；Mo:0.4～0.7％；Cu:1～2％；Si:0.3～0.6％；Mn≦1％；P≦0.04％；S≦0.03％；其余为Fe。
2.一种权利要求1所述的高强高韧的含Cu低碳马氏体不锈钢的热处理工艺，其特征在于，合金的热处理工艺是：
(1)在1000～1050℃之间保温1～2h后，正火空冷至室温，得到马氏体组织；
(2)在640～680℃保温2～4h进行一次回火，保温后空冷至室温；
(3)在580～620℃保温2～4h进行二次回火，保温后空冷至室温。
3.按照权利要求2所述的高强高韧的含Cu低碳马氏体不锈钢的热处理工艺，其特征在于，热处理后的组织为板条状回火马氏体、纳米颗粒状富Cu析出相和板条状逆转变奥氏体，其中：板条状逆变奥氏体的体积百分含量为5％～10％。
4.按照权利要求3所述的高强高韧的含Cu低碳马氏体不锈钢的热处理工艺，其特征在于，纳米颗粒状富Cu析出相以富Cu相为核心，Ni和Mn为壳的核-壳结构，富Cu析出相在马氏体基体上或者逆变奥氏体中弥散分布。
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