CN115491612A - 一种高强度低活化钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种高强度低活化钢及其制备方法，涉及低活化钢领域，所述低活化钢的成分为：Cr 8.0～9.0wt％，W 0.5～2.5wt％，Mn0.3～2.0wt％，Ta 0.02～0.2wt％，V 0.05～0.5wt％，Ti 0.05～0.4wt％，C0.03～0.2wt％，N 0～0.02wt％，其余为Fe。本发明通过对合金成分的优化并结合特殊的制备方法，可实现高密度的纳米级碳化物析出，从而大幅提高低活化钢的硬度以及高温(650℃)强度，并获得良好的综合性能，所述制备方法具有工艺简单、可批量生产、生产效率高等优点，适合推广应用。

Description

一种高强度低活化钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及低活化钢领域，特别提供一种高强度低活化钢及其制备方法。
背景技术
低活化钢的回火组织为板条马氏体，析出相包括M23C6型碳化物、MX型碳氮化物、Laves相以及Z相，其中M23C6相多在原奥晶界或马氏体板条界析出，MC相多在位错处析出，两者高热稳定性好，通过对(亚)晶界和位错的钉扎，有效阻碍了服役过程回复与再结晶的发生，延缓了钢材性能退化进程，起主要析出强化作用。在服役温度为550℃时，低活化钢中起主要析出强化作用的是M23C6相，保证了钢的高温稳定性，但是随着中国聚变工程实验堆(CFETR)二期以及未来聚变堆所提出的更高要求，低活化钢的服役温度需要进一步提高(650℃)。此时现有低活化钢的高温力学性能已无法满足应用需求，因为在高温下位于晶界处的M23C6相的粗化速率很高，服役过程中会与基体产生较大的当量应变，促进蠕变孔洞的形成，劣化高温服役性能。因此为进一步提高低活化钢的高温强度，析出温度更高的MC相成为更好的选择，在高温下维持组织稳定、延缓性能退化等方面MC相的贡献是高于M23C6相的。
目前制备纳米级析出相强化钢的主要方法为氧化物弥散强化技术(Oxidedispersion strengthen，ODS)和形变热处理工艺(Thermo-mechanical treatment，TMT)。但是ODS钢的昂贵成本、复杂工艺和无法大规模生产的劣势，使得TMT工艺成为研究热点。形变热处理工艺是指将9～12％Cr马氏体耐热钢加热至奥氏体化温度，保温一段时间后，冷却至双相区进行大变形量的轧制，最后在一定温度下回火的形变工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度低活化钢及其制备方法，通过对合金成分的优化并结合特殊的制备方法，可实现高密度的纳米级碳化物析出，从而大幅提高低活化钢的硬度以及高温(650℃)强度，所述制备方法具有工艺简单、可批量生产、生产效率高等优点，适合推广应用。
本发明技术方案如下：
一种高强度低活化钢，其特征在于，所述低活化钢的成分为：Cr8.0～9.0wt％，W0.5～2.5wt％(优选1.5～2.5wt％)，Mn 0.3～2.0wt％，Ta0.02～0.2wt％，V 0.05～0.5wt％，Ti 0.05～0.4wt％，C 0.03～0.2wt％，N0～0.02wt％，其余为Fe。
作为优选的方案：C/Ti质量比应小于0.65。
本发明还提供了所述高强度低活化钢的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、熔炼：采用真空感应熔炼获得合金母锭；
步骤二、锻造：在1150℃～1200℃下将母锭锻成板块，板块厚度20mm～35mm；
步骤三、形变热处理：在1050～1150℃下进行奥氏体化，随后冷却至双相区进行大变形量热轧，轧制道次为4～9次，总变形量为70～90％(优选为80～90％)，水淬至室温；
步骤四、回火：回火温度为650～800℃，保温时间60～90min。
作为优选的技术方案：
步骤二中，变形量不低于50％。
步骤三中，奥氏体化的保温时间30～70min；热轧温度为800～950℃，终轧温度为550～750℃，整个轧制过程控制在3～5min内。
采用上述方法制备得到的高强度低活化钢，其特征在于：当回火温度在650℃时，所述低活化钢硬度值在320HV-340HV；当回火温度为700℃时，所述低活化钢硬度值在270HV-285HV；当回火温度为740℃时，所述低活化钢硬度值在230HV-260HV；650℃下所述低活化钢抗拉强度值在300MPa-320MPa，延伸率在25％-35％。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过对合金成分的调整，极大地提高了MC析出强化相的数量。
2、本发明通过形变热处理工艺细化了低活化钢的晶粒尺寸和马氏体板条宽度，并引入高密度位错，通过后续回火处理进一步稳定组织内的高密度位错结构，为析出纳米级第二相颗粒提供更好的条件，从而提高低活化钢的冲击韧性，并获得良好的综合性能。且该工艺方法所需设备条件简单，易于实现，并可以实现批次生产。
3、本发明通过对合金成分的调整以及制备方法的优化，使低活化钢中的纳米级TiC相优先高密度析出，相比其他第二相(TaC、VC、VN等)，纳米级TiC相具有更高的热稳定性以及更强的位错钉扎能力，可显著提高低活化钢的高温性能。
附图说明
图1实施例1制备所得低活化钢中纳米级析出相和位错的透射电镜照片(100nm)。
图2实施例2制备所得低活化钢中马氏体板条细化与析出相的透射电镜照片(1μm)。
图3实施例3制备所得低活化钢与对比例1制备所得低活化钢的抗拉强度对比。
具体实施方式
实施例1
制备高密度MC相析出强化的低活化钢，钢组成为Fe-8.61Cr-1.62W-0.26V-1.58Mn-0.08Ta-0.16C-0.34Ti(质量百分比，下同)。
真空感应炉熔炼合金母锭，1150℃下锻造成厚度为20mm的板块。在1100℃下保温1小时，随后拿出空冷，使用红外测温仪测量实时温度，当样品到达830℃时，开始轧制，终轧温度620℃，共9个道次，变形量78％，水淬至室温。随后在700℃下保温1小时进行回火。
图1是回火后的低活化钢的透射电镜照片，从图中可以看到，MC相弥散析出，碳化物颗粒尺寸从5nm到30nm。在晶粒中可以观察到较高密度的位错线，位错线与MC相相互作用，被纳米级碳化物颗粒钉扎。同时在晶界处也观察到位错堆积，这些都会对位错和晶界移动起阻碍作用，由此提高低活化钢强度。700℃回火后低活化钢的维氏硬度值为282.7HV。金属材料的硬度值与强度值之间具有近似的相应关系，因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。所以从硬度结果来看，本发明所述方法制备的低活化钢具有较高的室温强度。
实施例2
制备高密度MC相析出强化的低活化钢，钢组成为Fe-8.4Cr-1.4W-0.2V-1.0Mn-0.08Ta-0.11C-0.22Ti(质量百分比，下同)
真空感应炉熔炼合金锭，1150℃下锻造成厚度为24mm的板块。在1100℃下保温70min，随后拿出空冷，使用红外测温仪测量实时温度，当样品到达850℃时，开始轧制，7个道次后结束，终轧温度620℃，变形量77％，水淬至室温。随后分别在670℃、700℃、740℃下保温1小时进行回火。
图2是本实施例制备出的低活化钢透射电镜图片(740℃下回火)。可以看出，经过元素强化和形变热处理工艺后，马氏体板条得到进一步细化，MC相数量进一步提高。经硬度测试，670℃回火后低活化钢的维氏硬度值为336.7HV，700℃回火后维氏硬度值为274.4HV，740℃回火后维氏硬度值为260.5HV。
实施例3
制备高密度MC相析出强化的低活化钢，钢组成为Fe-8.5Cr-1.55W-0.3V-0.6Mn-0.05Ta-0.071C-0.3Ti(质量百分比，下同)。
真空感应炉熔炼合金母锭，1150℃下锻造成厚度为24mm的板块。在1100℃下保温60min，随后拿出空冷，使用红外测温仪测量实时温度，当样品到达920℃时，开始轧制，5个道次后结束，终轧温度680℃，变形量80％，水淬至室温。随后在740℃下保温1小时进行回火。
经拉伸试验，制备所得低活化钢的高温(650℃)抗拉强度达到307MPa，延伸率为34％。600℃高温抗拉强度达到377MPa，延伸率为29％。由此证明本发明制备的低活化钢具有较好的高温强度。
对比例1
采用常规热处理工艺制备低活化钢，钢组成为Fe-8.5Cr-1.5W-0.25V-0.5Mn-0.1Ta-0.1C(质量百分比，下同)。
真空感应炉熔炼合金锭，随后1150℃下锻造成24mm厚的板块。采用正火加回火工艺，在980℃保温45min后，740℃保温90min。经拉伸试验，其600℃高温抗拉强度达到322MPa，延伸率为21％。与实施例3制备的低活化钢比较如图3所示，可以看出实施例3制备的低活化钢极大地提高了钢的高温强度。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高强度低活化钢，其特征在于，所述低活化钢的成分为：Cr8.0～9.0wt％，W 0.5～2.5wt％，Mn 0.3～2.0wt％，Ta 0.02～0.2wt％，V0.05～0.5wt％，Ti 0.05～0.4wt％，C0.03～0.2wt％，N 0～0.02wt％，其余为Fe。
2.按照权利要求1所述高强度低活化钢，其特征在于：W 1.5～2.5wt％。
3.按照权利要求1所述高强度低活化钢，其特征在于：C/Ti质量比小于0.65。
4.一种权利要求1～3任一项所述高强度低活化钢的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、熔炼：采用真空感应熔炼获得合金母锭；
步骤二、锻造：在1150℃～1200℃下将母锭锻成板块，板块厚度20mm～35mm；
步骤三、形变热处理：在1050～1150℃下进行奥氏体化，随后冷却至双相区进行大变形量热轧，轧制道次为4～9次，总变形量为70～90％，水淬至室温；
步骤四、回火：回火温度为650～800℃，保温时间60～90min。
5.按照权利要求4所述高强度低活化钢的制备方法，其特征在于：步骤二中，变形量不低于50％。
6.按照权利要求4所述高强度低活化钢的制备方法，其特征在于：步骤三中，奥氏体化的保温时间30～70min。
7.按照权利要求4所述高强度低活化钢的制备方法，其特征在于：步骤三中，热轧温度为800～950℃，终轧温度为550～750℃，整个轧制过程控制在3～5min内。
8.按照权利要求4所述高强度低活化钢的制备方法，其特征在于：步骤三中，轧制总变形量为80～90％。
9.一种采用权利要求4所述方法制备得到的高强度低活化钢，其特征在于：当回火温度在650℃时，所述低活化钢硬度值在320HV-340HV；当回火温度为700℃时，所述低活化钢硬度值在270HV-285HV；当回火温度为740℃时，所述低活化钢硬度值在230HV-260HV；650℃下所述低活化钢抗拉强度值在300MPa-320MPa，延伸率在25％-35％。
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