CN116024495B

CN116024495B - 一种马氏体沉淀硬化钢及其制备方法

Info

Publication number: CN116024495B
Application number: CN202211651048.XA
Authority: CN
Inventors: 韩蔚然; 高永亮; 赵岩; 李猛; 陈达宇; 陈巍; 李一舒; 王林
Original assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Current assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Priority date: 2022-12-21
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2024-06-14
Anticipated expiration: 2042-12-21
Also published as: CN116024495A

Abstract

本发明公开了一种马氏体沉淀硬化钢及其制备方法，其特征在于该沉淀硬化钢包括以下质量百分比组成：C：0.1wt％～0.3wt％，Si：0.05wt％～0.15wt％，Mn：0.1wt％～0.3％wt％，Cr：4wt％～5.5wt％，Ni：5wt％～7wt％，Mo：0.5wt％～0.9wt％，V：0.4wt％～1wt％，Al：0.2wt％～1wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。同时，其中V、Al、C、Mn的添加量满足0.01≤(5V+2Al)/(11C+Mn)≤1.9的关系控制钢中的σ相数量。采用相应的热处理后，抗拉强度可达1700MPa以上，屈服强度达1400MPa以上，同时延伸率保持8％以上，冲击韧性可保持15J以上。

Description

一种马氏体沉淀硬化钢及其制备方法

技术领域

本发明属于钢材技术领域，具体涉及一种马氏体沉淀硬化钢及其制备方法。

背景技术

马氏体沉淀硬化钢是以马氏体为基体，通过时效过程中析出细小的金属间化合物和少量碳化物以达到硬化效果的高强度钢，马氏体沉淀硬化钢通常是在马氏体状态下服役，其性能可以通过马氏体的形成与沉淀硬化机理中的一种或两种共同作用来获得，并且通过改变时效温度可在相当宽的范围内调整其机械性能以适应实际生产需求。马氏体沉淀硬化钢以其超高强度、高韧性、优异的加工性能和焊接性能而广泛应用在刀具、滑轮、医用器械、阀门、轴承等领域。

很多滚动轴承在使用过程中都会受到一定的冲击载荷，因此要求轴承钢具有一定的韧性，以保证轴承不会因冲击而破坏，如轧机轴承、铁路轴承等。

如公告号为CN109415792A(申请号201780040484.4)的中国发明专利《轴承钢及其制造方法》，公开了轴承钢包含：碳(C):0.51～0.56wt％、硅(Si):0.30～0.55wt％、锰(Mn):0.60～0.90wt％、磷(P):0.025wt％以下(0wt％除外)、硫(S):0.008wt％以下(0wt％除外)、铬(Cr):0.01～0.20wt％、钼(Mo):0.08wt％以下(0wt％除外)、镍(Ni):0.25wt％以下(0wt％除外)、钒(V):0.01～0.20wt％、铜(Cu):0.20wt％以下(0wt％除外)、钛(Ti):0.003wt％以下(0wt％除外)、铝(Al):0.01～0.05wt％、氧(O):0.0015wt％以下(0wt％除外)、钙(Ca):0.001wt％以下(0wt％除外)、残余铁(Fe)及其它不可避免的杂质。该专利方案中，轴承钢具有很高的抗拉强度，但延伸率在5％以下，难以满足轧机轴承、铁路轴承等对抗冲击的要求。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种兼顾强度和韧性的马氏体沉淀硬化钢。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种马氏体沉淀硬化钢的制备方法。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种马氏体沉淀硬化钢，其特征在于：该硬化钢的质量百分比组成为C：0.1wt％～0.3wt％，Si：0.05wt％～0.15wt％，Mn：0.1wt％～0.3％wt％，Cr：4wt％～5.5wt％，Ni：5wt％～7wt％，Mo：0.5wt％～0.9wt％，V：0.4wt％～1wt％，Al：0.2wt％～1wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

C：C元素能够显著提高钢的强度，但在马氏体钢中的含量不宜太多，以获得较细的马氏体板条，细小的马氏体板条是马氏体钢优良强度的基础。C含量过多会与基体中的其他合金元素如Mo、Cr等元素结合并在晶间析出碳化物，从而降低钢的韧性。因此，本发明中，C元素含量控制在0.1～0.3％。

Si：Si元素在钢中常与Mo、Cr等元素配合，当钢中有一定量的硅时，其可以有效抑制钢在氯离子溶液中的点蚀倾向，但Si元素在钢中的含量不宜过多，当Si元素在钢中的含量超过4％时，会显著增加钢的脆性，恶化钢的韧性，降低其使用性能。因此，本发明中硅元素含量控制为0.15％以下。

Mn：Mn元素的加入可以在较宽的冷却速度范围内形成板条马氏体组织，为时效强化提供了良好的基础。在钢中，Mn是扩大奥氏体相区的元素，Mn元素稳定奥氏体组织的能力仅次于Ni，可以强烈提高钢的淬透性。不过Mn取代Ni会使马氏体沉淀硬化钢的韧性下降，所以本发明中Mn元素含量控制在0.1～0.3％。

Cr：Cr是马氏体沉淀硬化钢中的重要元素，它能使钢钝化并赋予材料优异的耐蚀性，随着Cr含量的增加，钢的耐蚀性和抗氧化能力可以显著提高。Cr还可以提高钢的淬透性，使C曲线右移，降低钢淬火过程中的临界冷却速度，可以在室温条件下得到马氏体组织。但Cr元素含量过高会造成固溶处理冷却后基体中存在少量铁素体，从而降低材料的塑韧性，所以本发明中Cr元素含量控制在4～5.5％。

Ni：Ni能抑制马氏体沉淀硬化钢结构中螺型位错的分解以保证交滑移的发生，从而提高钢的塑韧性，另外，Ni元素参与时效过程中的析出反应，与Mo、Al结合形成Ni₃Mo、和β-NiAl强化相，进而实现时效强化后马氏体钢的优异综合力学性能。但Ni元素的增加会降低材料的M_S点，导致固溶处理后组织中含有大量残余奥氏体，从而不能保证材料达到所需的力学性能。所以本发明中Ni元素含量控制在5～7％。

Mo：Mo元素可以提高钢的回火稳定性并产生沉淀硬化效应，还能够改善钢的韧性。在马氏体沉淀硬化钢中Mo对材料的强韧性都有贡献，同时过高的Mo含量会产生富Mo金属间化合物，在固溶处理时不易溶解，这就会使组织遗留残余奥氏体，引起韧性下降。因此，本发明中Mo元素含量控制在0.5～0.9％。

V：V元素的加入可以细化钢的组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低过热敏感性，并提高钢的强度和韧性，并产生二次硬化效应，马氏体沉淀硬化钢中添加V可以增大钢的抗回火软化性能，使钢在回火过程中保持马氏体板条形态。因此，本发明中V元素含量控制在0.4～1％。

Al：Al元素是强铁素体形成元素，能强烈缩小钢中奥氏体相区。在马氏体沉淀硬化钢中，Al的主要作用是时效强化，能够以NiAl或Ni₃Al的形式析出，产生沉淀强化作用。同时，铝元素能够脱氧减少夹杂物。但是，当Al含量过高时会形成大量的氧化物夹杂，降低强度和韧性。因此，本发明中Al元素含量控制在0.2～1％。

作为优选，所述V、Al、C、Mn的添加量满足：0.01≤(5V+2Al)/(11C+Mn)≤1.9。通过控制V、Al、C、Mn添加量的比例关系，缩小δ-铁素体区间，避免在时效处理后仍有δ-铁素体的存在，δ-铁素体的含量增多会使时效后σ相的数量增多，由于钢中σ相的颗粒较大，平均在300nm左右，恶化力学性能，因此要控制钢中σ相的数量。

作为优选，该硬化钢的微观组织包括马氏体基体相和NiAl强化相，δ-铁素体的含量<0.5％，σ相的含量≤1.7％。该钢的淬透性较高，因此很容易得到马氏体基体，另外δ-铁素体会在热处理的过程中转变为σ相，而σ相在钢中为硬脆相，其存在会严重损害钢的塑韧性，所以本发明δ-铁素体的含量<0.5％，将σ相的含量控制在1.7％以下。

钢中以金属间化合物NiAl相作为强化相，NiAl相析出范围较宽，更容易得到，NiAl相呈弥散析出，NiAl相的存在会钉扎位错，强化机制以位错绕过机制为主，为钢提供了优良的强度和硬度。并且由于铁素体相区缩小，导致钢中的残余奥氏体增加，提高了材料的塑性和韧性，在保证强度的同时保证材料服役安全性。

作为优选，所述马氏体呈条形，宽度为200～400nm，长度为1～3μm，细小的马氏体板条对材料的强度和韧性都有积极影响。

作为优选，所述NiAl相的平均尺寸为30～70nm，分布较为均匀。

作为优选，该硬化钢的抗拉强度为1700MPa～1900MPa，屈服强度为1400MPa～1600MPa，延伸率为8～15％，冲击韧性为15～25J。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种马氏体沉淀硬化钢的制备方法，其特征在于：工艺流程包括配料→熔炼→铸造→锻造→固溶→时效；所述固溶温度为950～1150℃，固溶时间：30～60min；时效温度：500～600℃，时效时间：1～4h。在此温度范围内固溶可以完全奥氏体化，在较高的温度下回火可以获得高强度和稳定的微观结构。

为了避免变形时产生表面裂纹，造成氧化皮夹杂，作为优选，所述锻造的始锻温度为1100～1150℃，终锻温度为950～980℃。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过控制添加元素以及添加元素的含量，最终实现该硬化钢的抗拉强度为1700MPa～1900MPa，屈服强度为1400MPa～1600MPa，延伸率为8～15％，冲击韧性为15～25J，兼顾强度和韧性，满足滚动轴承在使用过程中对冲击载荷的要求。

附图说明

图1为本发明实施例1的金相组织照片。

图2为本发明实施例1的SEM形貌照片。

图3为本发明实施例1的TEM组织形貌。

图4为本发明实施例1的TEM衍射斑点。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提供4个实施例和1个对比例，具体成分见表1，(5V+2Al)/(11C+Mn)＝A。

实施例按照本发明的制备方法进行制备，包括如下制备步骤：

1)配料：按照表1的成分进行配料。

2)熔炼与铸造：用真空感应炉进行初次熔炼，真空度为10Pa，熔炼温度为1600～1700℃。熔炼结束后，将钢液浇铸到模具中，控制浇铸速度均匀，控制浇铸温度为1430～1500℃。

3)锻造：将浇铸后的铸锭切除冒口后进行锻造，锻造的始锻温度为1100～1150℃，终锻温度为950～980℃。得到截面为60*60mm的锻件。

4)退火：将钢于800℃保温3h，后缓慢冷却至600℃，冷却速度小于20℃/h。

5)固溶：将锻件固溶，固溶温度为950～1150℃，固溶时间：30～60min。

6)时效：将固溶后的锻件时效，时效温度：500～600℃，时效时间：1～4h。

关键控制参数见表2。

对比例与实施例1的不同之处在于：A值不在本发明范围内。

如图1、2所示，可以看到马氏体呈条形，宽度为200～400nm，长度为1～3μm。δ-铁素体的面积含量为0，σ相的面积含量为1.32％，σ相的尺寸较小，分布也较为均匀，σ相形貌的优化减少的裂纹的产生可能，会优化材料的塑韧性。

如图3、4所示，基体中析出有NiAl相，NiAl相的平均尺寸为30～70nm，NiAl相在基体中分布较均匀，位错分布在其周围，这些析出物可以起到钉扎位错的作用。

对得到实施例、对比例进行性能测试：

抗拉强度：试样经过热处理和精加工后，按照GB/T 228.1-2010《金属材料室温拉伸试验方法》，用CMT-4105微机控制电子万能材料试验机进行单轴拉伸力学性能实验，从而得到试验钢的抗拉强度(Rm)，屈服强度(Rp_0.2)及断后伸长率(A)等相关实验数据。

冲击韧性：试样加工后按照国家标准GB/T229-2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》将试样加工成10×10×55mm，缺口为2mm的夏比U型标准冲击试样。在ZBC2302-C金属摆锤冲击试验机上进行实验，测试该试样在室温下的冲击吸收功值，求取相同热处理条件下所有吸收功值的平均值为该条件下此试样的冲击值。

硬度：试样经粗磨，细磨后上下两面平行，表面光洁度高于▽7，用TH320型洛氏硬度计测量试样的硬度。每个试样测试五个点，第一点的值舍去，最终硬度值取后四个值的平均值。

检测结果见表2。

表1本发明实施例、对比例的成分及A值/wt％

表2本发明实施例、对比例的性能

Claims

1.一种马氏体沉淀硬化钢，其特征在于：该硬化钢的质量百分比组成为C：0.1wt%~0.3wt%，Si：0.05wt%~0.15wt%，Mn：0.1wt%~0.3%wt%，Cr：4wt%~5.5wt%，Ni：5wt%~7wt%，Mo：0.5wt%~0.9wt%，V：0.4wt%~1wt%，Al：0.2wt%~1wt%，余量为Fe及不可避免的杂质；所述V、Al、C、Mn的添加量满足：0.01≤(5V+2Al)/(11C+Mn)≤1.9；

该硬化钢的微观组织包括马氏体基体相和NiAl强化相，δ-铁素体的面积含量≤0.5%，σ相的面积含量≤1.7%。

2.根据权利要求1所述的马氏体沉淀硬化钢，其特征在于：所述马氏体呈条形，宽度为200~400nm，长度为1~3μm。

3.根据权利要求1所述的马氏体沉淀硬化钢，其特征在于：所述NiAl强化相的平均尺寸为30~70nm。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的马氏体沉淀硬化钢，其特征在于：该硬化钢的抗拉强度为1700MPa~1900MPa，屈服强度为1400MPa~1600MPa，延伸率为8~15%，冲击韧性为15~25J。

5.一种权利要求1至4任一权利要求所述的马氏体沉淀硬化钢的制备方法，其特征在于：工艺流程包括配料→熔炼→铸造→锻造→固溶→时效；所述固溶温度为950~1150℃，固溶时间：30~60min；时效温度：500~600℃，时效时间：1~4h。

6.根据权利要求5所述的马氏体沉淀硬化钢的制备方法，其特征在于：所述锻造的始锻温度为1100~1150℃，终锻温度为950~980℃。