CN114540708A - 一种富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铁素体不锈钢领域，公开了一种富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢及其制备方法。所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢的成分包括基体元素70～74wt.％Fe，20～24wt.％Cr，还包括合金化元素Co、Si，以及合金化元素Zr、Hf、Ti、Nb、Ta中的至少一种。制备方法包括以下步骤：(1)根据设计成分进行称量、配料；(2)在真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭；(3)经1100～1400℃固溶处理后冷轧成板材；(4)在450～650℃进行不少于30min的时效处理后在空气气氛中冷却。时效过程中析出弥散分布且与基体呈高度共格取向的纳米级富Co颗粒，能够同时显著提高所制备的铁素体不锈钢的强度和塑性，室温下拉伸强度最高可达1400MPa、延伸率最高可达10％。

Description

一种富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及铁素体不锈钢领域，具体涉及一种富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢及其制备方法。
背景技术
铁素体不锈钢因具有导热系数大、热膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良和易于加工成形等特点，广泛应用于汽车、海洋工程、油气开采和核工业等领域。铁素体不锈钢的主要元素为Fe和Cr并且一般不含Ni，使其相比于奥氏体不锈钢在制造成本上更加低廉，并且在许多曾经只采用奥氏体不锈钢(300系)的应用领域，铁素体不锈钢都已被证明是一种极为优异的替代材料。铁素体不锈钢的耐蚀性可以通过提高合金中Cr元素的含量来保证，但在长期服役过程中会出现Cr元素的富集区而使其耐蚀性和力学性能下降，导致事故和灾难的发生。为避免在长期服役过程中因为恶劣的外界环境导致强度下降而引起的失稳破坏，同时也响应我国对钢铁行业绿色发展的号召，开发具有高强高韧的铁素体不锈钢，符合时代发展潮流和社会环境需要，意义十分重大深远。
专利CN109913758B《高温强度和成形性能良好的铁素体不锈钢板及其制备方法》所述的铁素体不锈钢，化学成分以重量百分比计为：C：≤0.01％，N：≤0.006～0.01％，Si：0.4～0.6％，Cr：18～20％，Mo：1.8～2.1％，Ti：0.1～0.2％，W：0.4～1.5％，Ce：0.04～0.1％，Mn：0.25～0.35％，S：≤0.005％，P：≤0.01％，Nb：0.2～0.5％，余量为Fe。制备时，经过冶炼浇铸与锻造，在相应温度下依次进行热轧和冷轧并控制压下率及两次轧制后的退火温度，冷却后即制得高温强度和成形性能良好的铁素体不锈钢板。该专利制备的铁素体不锈钢，室温拉伸强度可达611MPa，1100℃高温下抗拉强度可达21MPa。
专利CN112912528A《用于夹紧装置的高强度铁素体不锈钢及其制造方法》所述用于夹紧装置的高强度铁素体不锈钢，化学成分以重量百分比计为：Mn：0.01～1.5％，Cr：14～18％，Si：0.2～0.6％，N：0.02～0.1％，C：0.04～0.1％，Al：0.005～0.2％，V：0.005～0.2％，余量为Fe，且满足Si+Al+V的重量百分比为0.35～0.6％，C+N的重量百分比为0.09～0.12％。其制备步骤包括在1000～1200℃对板坯进行热轧，在700℃以上对热轧钢板进行卷绕，以60％或更大的压下率对经卷绕的热轧钢板进行冷轧，在550～950℃对冷轧钢板进行不超过10min的退火处理。该专利制备的铁素体不锈钢，屈服强度可达320MPa，拉伸强度可达510MPa，可满足汽车用夹紧装置的性能要求。
专利CN113444871A《一种基于高频脉冲电流调控铁素体不锈钢强韧化的方法》通过调整一定的脉冲电流参数对铁素体不锈钢进行电脉冲处理，同时辅以热电偶接触测温、红外测温，可一步法实现铁素体基体晶粒细化、微观残余应力消除和微间隙愈合，避免了传统退火热处理中晶粒粗化的弊端。高频脉冲电流处理后，铁素体不锈钢的宏观硬度从201.5±8HV提高到345.3±10HV，拉伸强度从350MPa提高到550MPa，屈服强度从270MPa提高到350MPa。
目前为止，有关铁素体不锈钢的相关专利主要通过改善制备工艺以及热处理工艺的方式来提升铁素体不锈钢的性能，但工艺往往较为复杂并且其强度相对较低。而通过调控铁素体钢成分、引入与铁素体基体匹配的第二相从而提升铁素体钢力学性能的相关专利则相对较少。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢及其制备方法，所制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢兼具高强度与良好的塑性。
本发明的技术方案：
第一方面，提供一种富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢，包括基体元素Fe、Cr，合金化元素Co、Si，以及合金化元素Zr、Hf、Ti、Nb、Ta中的至少一种。
所述基体元素的含量为70～74wt.％Fe，20～24wt.％Cr。
所述合金化元素的含量为2～7wt.％Co，0.2～1.9wt.％Si；0.05～0.5wt.％Zr，0.05～0.5wt.％Hf，1～2wt.％Ti，0～0.9wt.％Nb，0～3.5wt.％Ta，且所述合金化元素Zr、Hf、Ti、Nb、Ta的总含量为0.05～4wt.％。
进一步改进，所述合金化元素Zr的含量为0.05～0.2wt.％；所述合金化元素Hf的含量为0.05～0.3wt.％；所述合金化元素Ti的含量为1～1.5wt.％；所述合金化元素Nb的含量为0.5～0.8wt.％；所述合金化元素Ta的含量为0.5～2wt.％。
所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢的基体为铁素体，在时效过程中析出弥散分布且与基体呈高度共格取向的纳米级富Co颗粒，可同时提升合金的强度与塑性。
第二方面，提供一种制备富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢的方法，包括以下步骤：
(1)根据所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢的设计成分进行称量、配料；
(2)在真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭；
(3)合金锭经1100～1400℃固溶处理后冷轧成板材；
(4)将步骤(3)所得板材在450～650℃下进行时效处理，时效时间不少于30min；时效处理后在空气气氛下进行冷却，即制得所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢。
本发明的技术方案具有以下显著特点：
1、本发明提供的铁素体不锈钢化学成分与现有技术报道的铁素体不锈钢化学成分存在明显区别。
专利CN109913758B中的铁素体不锈钢包含稀土元素Ce，合金化元素Mo、W、Mn，以及微量的S、P、C、N，专利CN112912528A中的铁素体不锈钢包含合金化元素Mn、V以及微量的C、N、Al。而本发明提供的铁素体不锈钢不含上述元素，并且还含有上述专利均不包含的合金化元素Co、Zr、Hf、Ta。其中本专利的Cr元素含量为20～24wt.％，明显区别于专利CN112912528A中16～18wt.％的Cr元素含量。
2、本发明的技术方案采用纳米级富Co颗粒作为析出强化相，对不锈钢合金进行强化，可达到同时提升合金的强度与塑性的有益效果。
富Co纳米颗粒是一种具有复杂面心立方结构的金属间化合物，当富Co纳米颗粒以弥散的方式在铁素体基体中析出时，富Co纳米颗粒与铁素体基体呈高度共格取向，二者之间的界面能很低，可使富Co颗粒维持在纳米尺寸，而高密度并且尺寸细小的富Co颗粒可以同时提升合金的强度与塑性，赋予富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢良好的力学性能，室温拉伸强度最高可达1400MPa及以上、延伸率最高可达10％及以上。通过调控合金成分，可以控制富Co纳米颗粒的体积分数，能够根据服役环境的不同要求制备出具有不同强度和塑性组合的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢。
3、本发明的技术方案，制备技术及热处理工艺简单，产品尺寸或形状可控，传统的铸造、定向凝固、单晶生长等方式也可以作为非限定实施例。
与专利CN113444871A采用高频脉冲电流使铁素体不锈钢强韧化的方法相比，本发明所制备的铁素体不锈钢只需对冷轧后的铁素体钢板材进行一次时效处理，并且时效温度与时效时间的可选范围广，对设备没有严格要求，在工业生产中更具可操作性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢在透射电镜下观察到的纳米级富Co颗粒在铁素体基体中析出时的形貌示意图。
图2是本发明实施例1制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢在不同热处理条件下测得的室温拉伸曲线图。
图3是本发明实施例1制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢在不同热处理条件下测得的室温时效硬化曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供以下实施例。
实施例1
(1)按设计成分：72.1wt.％Fe和不可避免的杂质，20wt.％Cr，5wt.％Co，1.9wt％Si，1wt.％Ti，进行称量、配料；
(2)在真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭；
(3)合金锭经1250℃固溶处理后冷轧成板材；
(4)将步骤(3)所得板材分为三份，在600℃下分别进行4h、6h、12h时效处理后，在空气气氛下冷却，即制得时效条件不同的所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢。
如图1所示，实施例1所制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢在时效后从铁素体基体中析出了弥散分布的纳米级富Co颗粒并与基体呈高度共格取向。
如图2所示，实施例1所制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢经由析出的富Co纳米颗粒强化后，相比于未时效状态，其强度和塑性同时得到了大幅提升。其中，在600℃下时效6h后的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢具有最优的综合力学性能，室温下拉伸强度达到1200MPa，同时兼具10％的延伸率。
如图3所示，实施例1所制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢展现出了十分明显的时效硬化现象。其中，在600℃下时效4h后的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢在室温下显微硬度达到452HV，相比于未时效状态提高了120HV。
实施例2
(1)按设计成分：70wt.％Fe和不可避免的杂质，22wt.％Cr，5.4wt.％Co，1.8wt％Si，0.8wt.％Nb，进行称量、配料；
(2)在真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭；
(3)合金锭经1200℃固溶处理后冷轧成板材；
(4)将步骤(3)所得板材在650℃时效处理4h后，在空气气氛下冷却，即制得所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢。
实施例2所制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢，在室温下拉伸强度为1120MPa，延伸率为8％，显微硬度为443HV，显微硬度相比于未时效状态提高了103HV。
实施例3
(1)按设计成分：70.5wt.％Fe和不可避免的杂质，21.5wt.％Cr，4.5wt.％Co，1.5wt％Si，2wt.％Ta，进行称量、配料；
(2)在真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭；
(3)合金锭经1300℃固溶处理后冷轧成板材；
(4)将步骤(3)所得板材在600℃时效处理12h后，在空气气氛下冷却，即制得所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢。
实施例3所制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢，在室温下拉伸强度为1070MPa，延伸率为8％，显微硬度为426HV，显微硬度相比于未时效状态提高了95HV。
实施例4
(1)按设计成分：70wt.％Fe和不可避免的杂质，24wt.％Cr，4.2wt.％Co，1.75wt％Si，0.05wt.％Hf，进行称量、配料；
(2)在真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭；
(3)合金锭经1350℃固溶处理后冷轧成板材；
(4)将步骤(3)所得板材在550℃时效处理2h后，在空气气氛下冷却，即制得所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢。
实施例4所制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢，在室温下拉伸强度为920MPa，延伸率为5％，显微硬度为377HV，显微硬度相比于未时效状态提高了41HV。
实施例5
(1)按设计成分：71.5wt.％Fe和不可避免的杂质，21wt.％Cr，4.6wt.％Co，1.5wt％Si，0.9wt.％Nb，0.5wt.％Ta，进行称量、配料；
(2)在真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭；
(3)合金锭经1100℃固溶处理后冷轧成板材；
(4)将步骤(3)所得板材在450℃时效处理12h后，在空气气氛下冷却，即制得所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢。
实施例5所制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢，在室温下拉伸强度为980MPa，延伸率为9％，显微硬度为402HV，显微硬度相比于未时效状态提高了69HV。
实施例6
(1)按设计成分：72.5wt.％Fe和不可避免的杂质，20.5wt.％Cr，2wt.％Co，1wt％Si，0.05wt.％Zr，0.45wt.％Nb，3.5wt.％Ta，进行称量、配料；
(2)在真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭；
(3)合金锭经1400℃固溶处理后冷轧成板材；
(4)将步骤(3)所得板材在650℃时效处理2h后，在空气气氛下冷却，即制得所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢。
实施例6所制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢，在室温下拉伸强度为940MPa，延伸率为7％，显微硬度为383HV，显微硬度相比于未时效状态提高45HV。
实施例7
(1)按设计成分：70.3wt.％Fe和不可避免的杂质，20wt.％Cr，7wt.％Co，0.2wt％Si，0.2wt.％Zr，0.3wt.％Hf，2wt.％Ti，进行称量、配料；
(2)在真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭；
(3)合金锭经1150℃固溶处理后冷轧成板材；
(4)将步骤(3)所得板材在500℃时效处理12h后，在空气气氛下冷却，即制得所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢。
实施例7所制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢，在室温下拉伸强度为960MPa，延伸率为8％，显微硬度为396HV，显微硬度相比于未时效状态提高了64HV。
实施例8
(1)按设计成分：71wt.％Fe和不可避免的杂质，21wt.％Cr，4wt.％Co，1.5wt％Si，0.5wt.％Zr，0.5wt.％Hf，1.5wt.％Ti，进行称量、配料；
(2)在真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭；
(3)合金锭经1400℃固溶处理后冷轧成板材；
(4)将步骤(3)所得板材在550℃时效处理24h后，在空气气氛下冷却，即制得所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢。
实施例8所制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢，在室温下拉伸强度为1000MPa，延伸率为6％，显微硬度为411HV，显微硬度相比于未时效状态提高了76HV。
实施例9
(1)按设计成分：70wt.％Fe和不可避免的杂质，21wt.％Cr，5.5wt.％Co，1.8wt％Si，1％Ti，0.7wt.％Nb，进行称量、配料；
(2)在真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭；
(3)合金锭经1350℃固溶处理后冷轧成板材；
(4)将步骤(3)所得板材在650℃时效处理2h后，在空气气氛下冷却，即制得所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢。
实施例9所制备的富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢，在室温下拉伸强度为1400MPa，延伸率为7％，显微硬度为522HV，显微硬度相比于未时效状态提高了182HV。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、变化、变型、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢，其特征在于，包括基体元素Fe、Cr，合金化元素Co、Si，以及合金化元素Zr、Hf、Ti、Nb、Ta中的至少一种；所述基体元素的含量为70～74wt.％Fe，20～24wt.％Cr。
2.根据权利要求1所述的一种富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢，其特征在于，所述合金化元素的含量为2～7wt.％Co，0.2～1.9wt.％Si，0.05～0.5wt.％Zr，0.05～0.5wt.％Hf，1～2wt.％Ti，0～0.9wt.％Nb，0～3.5wt.％Ta，且合金化元素Zr、Hf、Ti、Nb、Ta的总含量为0.05～4wt.％。
3.根据权利要求2所述的一种富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢，其特征在于，所述合金化元素Zr的含量为0.05～0.2wt.％；所述合金化元素Hf的含量为0.05～0.3wt.％；所述合金化元素Ti的含量为1～1.5wt.％；所述合金化元素Nb的含量为0.5～0.8wt.％；所述合金化元素Ta的含量为0.5～2wt.％。
4.根据权利要求1～3所述的一种富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢，其特征在于，所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢的基体为铁素体，在时效过程中析出弥散分布且与基体呈高度共格取向的纳米级富Co颗粒，可同时提升合金的强度与塑性。
5.一种用于制备如权利要求1～4所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢的设计成分进行称量、配料；
(2)在真空电弧熔炼炉中熔炼成合金锭；
(3)合金锭经1100～1400℃固溶处理后冷轧成板材；
(4)将步骤(3)所得板材在450～650℃下进行时效处理，时效时间不少于30min；时效后在空气气氛下进行冷却，即制得所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢。
6.根据权利要求5所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述富Co纳米颗粒强化型铁素体不锈钢的室温拉伸强度最高可达1400MPa、延伸率最高可达10％。
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