纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢及其制造方法技术

一种纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢及其制造方法，按重量百分比计其组分如下：C为0～0.2%，Ni为2～15%，Mn为0～10%，Al为0.5～6%，Cu为0～4%，Cr为0～12%，Mo为0～3%，W为0～3%，V为0～0.5%，Ti为0～0.5%，Nb为0～0.5%，Si为0～1%，B为0.0005～0.05%，P不高于0.04%，S不高于0.04%，N不高于0.04%，O不高于0.05%，余量为Fe和不可避免的杂质，经熔炼、铸造和锻轧后进行固溶和时效处理，制成以纳米金属间化合物强化为主，结合纳米团簇和纳米碳化物复合强化的超高强度铁素体钢，获得优异的强韧性、焊接性、耐腐蚀性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超高强度铁素体钢及其制造方法，具体涉及一种纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢及其制造方法。
技术介绍
近年来，随着现代工业和国防的快速发展，超高强度钢在航空航天、国防、电站及其他高科技领域的应用正变得越来越重要。其中拉伸强度在1400～2000MPa的超高强度钢是应用范围很广的一类重要钢种，特别是大量应用于火箭发动机壳体、飞机起落架、防弹钢板等对性能有特殊要求的领域，而且其使用范围正在不断地扩大到建筑、机械制造、车辆和其它军用及民用装备上。传统超高强度钢，如低温回火马氏体组织或下贝氏体组织强化低合金钢，高温回火合金碳化物析出物、二次硬化组织强化超高强度钢，金属间化合物析出强化马氏体时效钢等，一定程度上达到了超高强度的要求，但高碳、高合金及热处理转变要求快冷等特性使其仍存在焊接性能及塑韧性差、成本高、材料尺寸受限等问题。随着纳米科技的发展，利用纳米析出相强化机制已成为开发新型超高强度钢的重要途径，纳米析出相颗粒与基体中的滑移位错交互作用，产生强烈的析出强化作用，此外还能控制基体晶粒尺寸，间接起到细晶强化作用，从而有效提高钢的强度。目前纳米析出相强化超高强度钢中发展比较成熟的是通过合金化形成纳米碳化物MC，产生析出强化和细晶强化作用提高钢的强度。例如，专利CN1514887公开了一种纳米碳化物沉积增强的超高强度的、耐腐蚀的结构钢，专利101671771B公开了一种高强度高塑性超细晶铁素体和纳米碳化物低碳钢制备方法，以及霍向东等人在“CSP生产Ti微合金化高强钢中纳米碳化物”，北京科技大学学报，2011年08期中对纳米碳化物强化进行了研究。然而，现代工业对超高强度钢的焊接性、韧性等综合性能的要求日益提高，较高的碳含量导致焊接性能差、断裂韧性不高，因而必须合理控制含碳量，利用新型纳米析出相替代碳化物强化相对超高强度钢进行强化，并在不破坏良好综合性能的前提下，有效发挥微量碳化物的积极强化作用。此外，铁素体钢韧性良好，克服了马氏体钢快冷要求对材料尺寸的限制，特别是可采用连铸连轧工艺生产，能够节约能源、简化工艺。因而与传统超高强度钢采用马氏体基体相比，在铁素体结构基础上利用新型纳米析出相强化机制开发新型超高强度钢具有极大的工艺和成本优势。本专利技术的超高强度钢选用铁素体组织作为基体，通过添加适量的金属间化合物形成元素，在适当的热处理工艺下，在铁素体基体上析出大量纳米金属间化合物，发挥析出强化作用，明显提高钢的强度。另外本专利技术还添加了纳米团簇形成元素，碳化物形成元素和微量碳元素，形成一定量纳米团簇和少量纳米碳化物，从而以纳米金属间化合物强化为主，结合纳米团簇和纳米碳化物复合强化，三种纳米析出相共同作用产生最大限度的强化效果，制成低碳且综合性能优异的纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢，其中以大量分布均匀、尺寸细小的纳米金属间化合物强化为主，同时结合纳米团簇和纳米碳化物实现复合强化，制成具有超高强韧性、优良焊接性能和耐腐蚀性能的新型超高强度铁素体钢。本专利技术的另一目的是提供一种制造上述纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢的方法。一方面，本专利技术提供一种纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢，按重量百分比计，其化学组分如下：C为0～0.2%，Ni为2～15%，Mn为0～10%，Al为0.5～6%，Cu为0～4%，Cr为0～12%，Mo为0～3%，W为0～3%，V为0～0.5%，Ti为0～0.5%，Nb为0～0.5%，Si为0～1%，B为0.0005～0.05%，P不高于0.04%，S不高于0.04%，N不高于0.04%，O不高于0.05%，余量为Fe和不可避免的杂质。在本专利技术的一种实施方式中，所述纳米金属间化合物为NiAl。在本专利技术的另一种实施方式中，所述纳米金属间化合物的平均尺寸为3nm，平均间距为2～20nm，每立方微米纳米金属间化合物数不少于10,000个。在本专利技术的另一种实施方式中，所述纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢中还包含纳米团簇，所述纳米团簇的主要组成元素为Cu。在本专利技术的另一种实施方式中，所述纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢中还包含纳米碳化物(Mo,W)2C。在本专利技术的另一种实施方式中，所述纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢的基体组织为铁素体，所述铁素体的平均晶粒尺寸为1～20μm。在本专利技术的另一种实施方式中，所述纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢的屈服强度为1200～1800MPa，拉伸强度为1400～2000MPa，断面收缩率为30～60%，伸长率为5～20%。另一方面，本专利技术还提供一种制造所述纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢的方法，其步骤如下：(1)使所述纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢的化学组分构成的原料组合物依次进行熔炼、铸造和锻轧；(2)进行固溶处理，然后冷却至室温；(3)进行时效处理，然后冷却至室温。在本专利技术方法的一种实施方式中，所述固溶处理在800～1300℃范围内进行。在本专利技术方法的另一种实施方式中，所述固溶处理在900℃进行。在本专利技术方法的另一种实施方式中，所述固溶处理进行0.1～3小时。在本专利技术方法的另一种实施方式中，所述固溶处理进行0.5小时。在本专利技术方法的另一种实施方式中，所述时效处理在400～600℃范围内进行。在本专利技术方法的另一种实施方式中，所述时效处理在550℃进行。在本专利技术方法的另一种实施方式中，所述时效处理进行0.1～20小时。在本专利技术方法的另一种实施方式中，所述时效处理进行2小时。本专利技术通过合理调控合金元素种类和含量以及热处理工艺，得到大量分布均匀、尺寸细小的纳米金属间化合物，有效发挥了纳米金属间化合物析出强化作用，并与纳米团簇和纳米碳化物相结合三种纳米析出相实现复合强化，获得优异的强韧性，屈服强度达1200～1800MPa，拉伸强度达1400～2000MPa，断面收缩率为30～60%，伸长率为5～20%。其中以纳米金属间化合物为主强化相，以其析出强化作用为最主要的强化方式，降低了钢中的碳含量，从而具有优良的焊接性能和塑韧性，此外添加了适量的Cr和Al元素，可形成稳定的氧化铬和氧化铝保护膜，Cu还起到提高钢在大气和海水中耐腐蚀性的作用，从而综合提高了钢的抗氧化和耐腐蚀性能。另外，与现有的超高强度马氏体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢，按重量百分比计，其化学组分如下：C为0～0.2%，Ni为2～15%，Mn为0～10%，Al为0.5～6%，Cu为0～4%，Cr为0～12%，Mo为0～3%，W为0～3%，V为0～0.5%，Ti为0～0.5%，Nb为0～0.5%，Si为0～1%，B为0.0005～0.05%，P不高于0.04%，S不高于0.04%，N不高于0.04%，O不高于0.05%，余量为Fe和不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢，按重量百分比计，
其化学组分如下：
C为0～0.2%，Ni为2～15%，Mn为0～10%，Al为0.5～6%，Cu为0～4%，
Cr为0～12%，Mo为0～3%，W为0～3%，V为0～0.5%，Ti为0～0.5%，Nb为
0～0.5%，Si为0～1%，B为0.0005～0.05%，P不高于0.04%，S不高于0.04%，
N不高于0.04%，O不高于0.05%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1的纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢，所述
纳米金属间化合物为NiAl。
3.根据权利要求2的纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢，所述
纳米金属间化合物的平均尺寸为3nm，平均间距为2～20nm，每立方微米纳
米金属间化合物数不少于10,000个。
4.根据权利要求1的纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢，其中
还包含纳米团簇，所述纳米团簇的主要组成元素为Cu。
5.根据权利要求1的纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢，其中
还包含纳米碳化物(Mo,W)2C。
6.根据权利要求1的纳米金属间化合物强化的超高强度铁素体钢，其基
体组织为铁素体，所述铁素体的平均晶粒尺寸为1～20μm。
7.根据权利要求1至6中任一项的纳米金属间化合物强化的超高强度铁
素体钢，其屈服强度为1200～1800MPa。
8.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锦川，焦增宝，
申请(专利权)人：香港城市大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81