CN116970871A - 一种2000MPa无钴镍高强度马氏体钢及其短流程制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢，包括以下重量百分比的成分：Mn：5‑8％、Al：0‑2％、Si：0‑1％、C：0.15‑0.35％，余量为铁和不可避免的杂质元素；制备方法，包括以下步骤：步骤1：真空感应冶炼合金：采用真空氩气保护感应熔炼炉熔炼合金，随后浇铸到水冷铜模之中，得到铸态合金；步骤2：高温均匀化退火：铸锭去除冒口后，进行高温均匀化退火；步骤3：热轧变形处理：退火后铸坯加热到750‑950℃，出炉轧制，热轧变形后水冷至室温。本发明超高强度马氏体钢合金含量低，不含贵金属镍、钴、钼和钛等，原材料成本低；超高强度马氏体钢采用短流程制备，铸坯退火热轧即可得到高性能马氏体钢，无需进行时效处理调控金属化合物析出，具有短流程低成本制备工艺特点。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料制备技术领域，尤其涉及一种2000MPa无钴镍高强度马氏体钢及其短流程制备方法。
背景技术
马氏体时效钢是以铁镍马氏体为基体，400-500℃时效过程产生金属间化合物沉淀硬化的超高强度钢，广泛应用于航空、航天以及军事等尖端领域。典型的马氏体时效钢主要有多强度等级的18Ni系马氏体时效钢、T-250和T-340无钴马氏体时效钢、日本14Ni-3Cr-3Mo-1.5Ti、印度12Ni-3.2Cr-5.1Mn-1Ti和我国的Fe-18Ni-4Mo-1.7Ti马氏体时效钢。可以看出，这类马氏体时效钢Ni元素含量较高(12-18wt.％)，部分钢种还含有Co、Mo和Ti元素，其中Ni和Co元素价格昂贵，这显著增加了马氏体时效钢原材料成本。其次，马氏体时效钢主要通过时效过程Ni3M(M＝V,Mo,Nb,W)、Ni3Ti、Fe2Mo Laves相和不同类型的σ-相(FeMo、FeTi)等金属间化合物，形成显著的沉淀强化效应提高钢的强度。然而，沉淀强化效应大小与金属间化合物尺寸和数量有着密切关系，需要严格控制时效处理工艺，才能获得最佳性能所匹配的金属间化合物，而在实际生产过程中，极窄的工艺窗口不仅不利于生产控制，还会降低生产效率和增加生产成本。因此，高合金含量和复杂生产工艺极大加重了传统马氏体时效钢的成本，限制了其在实际社会发展过程中的广泛应用。
专利授权公告号CN 114032472B介绍了一种无钴马氏体时效钢及其强韧化处理工艺。其Ni含量高达18.5-20％、W含量为5.5-6％、Mo含量为2.1-2.5％和Ti含量为2.5-3.5％，需要进行两次固溶处理和三次方向互相垂直形变处理，虽然无钴元素添加，但高含量Ni、W等元素以及多道次复杂工艺依然增加了马氏体时效钢成本。
专利授权公告号CN 114150232B介绍了一种共格和非共格纳米相复合强化的超高强度马氏体时效钢及其制造方法。其含有8％Ni、10％Cr、3％Mo和2％Cu等元素，虽然Ni元素含量降低，但Cr、Mo和Cu元素的添加也会增加原材料成本。另外，该专利中共格NiAl纳米相、富Cu纳米相的尺寸为1-10纳米，非共格Ni3Ti纳米相尺寸为2-30纳米，这需要良好的时效工艺控制，加大了实际生产工艺控制难度。
发明内容
1.要解决的技术问题
本发明的目的是为了解决现有技术中Cr、Mo和Cu元素的添加会增加原材料成本以及加大了实际生产工艺控制难度的问题，而提出的一种2000MPa无钴镍高强度马氏体钢及其短流程制备方法。
2.技术方案
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢，包括以下重量百分比的成分：Mn：5-8％、Al：0-2％、Si：0-1％、C：0.15-0.35％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
优选地，包括以下重量百分比的成分：Mn：5％、Al：2％、Si：0.5％、C：0.35％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
优选地，包括以下重量百分比的成分：Mn：8％、Al：0.5％、Si：1％、C：0.15％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
优选地，包括以下重量百分比的成分：Mn：6％、Al:1％、Si：0.5％、C：0.2％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
本发明中还提出了一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢的短流程制备方法，包括以下步骤：
步骤1：真空感应熔炼炉进行冶炼合金：采用真空氩气保护感应熔炼炉熔炼合金，随后浇铸到水冷铜模之中，得到铸态合金；
步骤2：高温均匀化退火：铸锭去除冒口后，进行高温均匀化退火，均匀化退火在空气、真空或者惰性气体保护下，加热方式为到温入炉或随炉加热；
步骤3：热轧变形处理：退火后铸坯加热到750-950℃，保温30min-120min后出炉轧制，热轧变形后水冷至室温。
优选地，所述步骤1中真空感应熔炼炉中全程真空度保持在0.1Pa以下，熔炼温度达到1500-1650℃，保温时间不少于1小时。
优选地，所述步骤2中升温速度为5-15℃/min，在1100-1300℃保温2-10h，随炉冷却到700-900℃水冷处理。
优选地，所述步骤3中热轧温度不低于750℃，板材热轧总下量不低于80％。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本发明中，超高强度马氏体钢合金含量低，不含贵金属镍、钴、钼和钛等，原材料成本低。
(2)本发明中，超高强度马氏体钢采用短流程制备，铸坯退火热轧即可得到高性能马氏体钢，无需进行时效处理调控金属化合物析出，具有短流程低成本制备工艺特点。最终，获得了一种低成本无钴镍超高强度马氏体钢，其屈服强度超过为1500MPa，抗拉强度为2100MPa，断后延伸率为9％。
附图说明
图1为本发明提出的一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢的显微组织图；
图2为本发明提出的一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢的晶粒尺寸分布图；
图3为本发明提出的XRD结果图；
图4为本发明提出的TEM表征的铁锰马氏体；
图5为本发明提出的铁锰马氏体的位错亚结构图；
图6为本发明提出的力学性能曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢，包括以下重量百分比的成分：Mn：5-8％、Al：0-2％、Si：0-1％、C：0.15-0.35％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
本发明中，超高强度马氏体钢合金含量低，不含贵金属镍、钴、钼和钛等，原材料成本低；超高强度马氏体钢采用短流程制备，铸坯退火热轧即可得到高性能马氏体钢，无需进行时效处理调控金属化合物析出，具有短流程低成本制备工艺特点。最终，获得了一种低成本无钴镍超高强度马氏体钢，其屈服强度超过为1500MPa，抗拉强度为2100MPa，断后延伸率为9％。
本发明中，一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢的短流程制备方法，包括以下步骤：
步骤1：熔炼：按照本发明合金元素设计成分及重量百分比进行称重配料后，在真空氩气保护感应熔炼炉中进行，1550℃熔炼保温1h后，浇铸到100mm×50mm×20mm(长×宽×厚)的水冷铜模中，铸件在充满循环水的铜模中快速冷却得到铸态合金。进入下一步待用；
步骤2：铸锭加热温度为1200℃，加热时间为2小时，随炉冷却到800℃保温30min，水冷到室温；
步骤3：铸锭加热到800℃且保温30min后，进行多道次轧制，开轧温度800℃，由20mm厚轧制到1.5mm，每道次轧下量5％，每道次间在800℃保温5min。
本发明中，经过高温退火和热轧处理后的超高强度马氏体钢，显微组织为细小板条马氏体(见图1所示)，晶粒尺寸分布见图2，并且无残余奥氏体形成(见图3)。图4显示钢中许多存在铁和锰元素偏析的细小针状马氏体，即铁锰马氏体，其内部存在大量位错缠结，并且位错可以穿过铁锰马氏体界面，配分到周围晶粒中。
因此，在不含贵金属元素钴和镍和复杂固溶时效处理工艺的情况下，利用低成本原材料合金和退火热轧短流程制备工艺，基于锰和碳原子固溶强化和铁锰马氏体的位错强化，本发明超高强度马氏体获得了屈服强度为1590MPa，抗拉强度为2120MPa且断后延伸率为8.8％的优异性能。
实施例2：。
其具有上述实施例的实施内容，其中，对于上述实施例的具体实施方式可参阅上述描述，此处的实施例不作重复详述；而在本申请实施例中，其与上述实施例的区别在于：
一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢，包括以下重量百分比的成分：Mn：5％、Al：2％、Si：0.5％、C：0.35％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
实施例3：
其具有上述实施例的实施内容，其中，对于上述实施例的具体实施方式可参阅上述描述，此处的实施例不作重复详述；而在本申请实施例中，其与上述实施例的区别在于：
一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢，包括以下重量百分比的成分：Mn：8％、Al：0.5％、Si：1％、C：0.15％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
实施例4：
其具有上述实施例的实施内容，其中，对于上述实施例的具体实施方式可参阅上述描述，此处的实施例不作重复详述；而在本申请实施例中，其与上述实施例的区别在于：
一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢，包括以下重量百分比的成分：Mn：6％、Al:1％、Si：0.5％、C：0.2％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢，其特征在于，包括以下重量百分比的成分：Mn：5-8％、Al：0-2％、Si：0-1％、C：0.15-0.35％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢，其特征在于，包括以下重量百分比的成分：Mn：5％、Al：2％、Si：0.5％、C：0.35％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1所述的一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢，其特征在于，包括以下重量百分比的成分：Mn：8％、Al：0.5％、Si：1％、C：0.15％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
4.根据权利要求1所述的一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢，其特征在于，包括以下重量百分比的成分：Mn：6％、Al:1％、Si：0.5％、C：0.2％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
5.根据权利要求1所述的一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢的短流程制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：真空感应冶炼合金：采用真空氩气保护感应熔炼炉熔炼合金，随后浇铸到水冷铜模之中，得到铸态合金；
步骤2：高温均匀化退火：铸锭去除冒口后，进行高温均匀化退火，均匀化退火在空气、真空或者惰性气体保护下，加热方式为到温入炉或随炉加热；
步骤3：热轧变形处理：退火后铸坯加热到750-950℃，保温30min-120min后出炉轧制，热轧变形后水冷至室温。
6.根据权利要求1所述的一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢的流程制备方法，其特征在于，所述步骤1中真空感应熔炼炉中全程真空度保持在0.1Pa以下，熔炼温度达到1500-1650℃，保温时间不少于1小时。
7.根据权利要求1所述的一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢的短流程制备方法，其特征在于，所述步骤2中升温速度为5-15℃/min，在1100-1300℃保温2-10h，随炉冷却到700-900℃水冷处理。
8.根据权利要求1所述的一种2000MPa无钴镍超高强度马氏体钢的短流程制备方法，其特征在于，所述步骤3中热轧温度不低于750℃，板材热轧总下量不低于80％。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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