一种铝增强马氏体时效钢及其制备方法技术

本发明专利技术一种铝增强马氏体时效钢及其制备方法，该铝增强马氏体钢的各个组分按重量百分比计，C:0.01-0.2%，Ni:6-24%，Mo：≤6%，Mn：0-4%、Al：0.5-6%，Cr：0-12%，Nb:0-1.5%，Cu：0-4%，W：0-3%，B：0.0005-0.05%，余量为Fe和不可避免的杂质。根据成分配料冶炼，经锻压，固溶及冷轧热处理工艺，制备得到组织均匀，高密度B2-NiAl金属间化合物为主要强化相，微量碳化物及纳米团簇共同强化的马氏体时效钢，其表现出优异的力学性能，抗拉强度可达2.2GPa。另外主强化相NiAl与基体呈共格关系，弹性模量与基体基本一致。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超高强马氏体时效钢领域，具体涉及一种不含Co，Ti以NiAl强化为主 的新型铝增强马氏体钢，该钢种具有高的弹性极限以及良好的疲劳性能。
技术介绍
超高强度钢是为满足飞机、火箭等航天器结构上用的高比强度的材料而发展起来 的一类结构钢，进而应用于常规武器、高压容器等方面。传统的超高强度钢抗拉强度在 1400-2000MPa，但是在应用上仍有不足。如以碳化物强化为主的低合金超高强度钢，随强度 升高，不可避免产生脆性倾向。同时其高碳含量必然导致热处理工艺要求高以及焊接工艺 复杂。二次硬化不锈钢虽然具有抗腐蚀性，且抗拉强度达到ISOOMPa，但其屈服强度却小于 1400MPa，屈服强度和抗拉强度之间的极大差距限制了此类钢的应用；以18Ni系列为主的传 统马氏体时效钢，超低碳以及高Ni保证了马氏体基体的塑性，同时通过添加 Co、Mo、Ti等金 属间化合物形成元素以达到优良的时效强化效果。该钢种虽然具有优良的强韧性搭配，但 其强化体系本身以及与基体的匹配关系使得该钢种刚度不足且疲劳性能表现一般。另外其 含有大量的合金化元素，特别是价格昂贵的Co等元素产生的成本问题，制约了马氏体时效 钢的大规模应用。之后又开发了无 Co马氏体时效钢，如美国专利4443254及英国专利 1355475等，这些专利均采用增加 Ti元素含量仍以Ni3Ti为主强化相以达到强化效果，但是 综合性能明显低于含Co钢。而Ti作为主强化元素，对钢中碳含量有较高的要求，同时合金元 素含量的精确控制也会增加成本。 现代工业对超高强度钢的焊接性、强韧性、以及疲劳腐蚀等综合性能的要求日益 提高，同时又需降低成本。纳米析出物与位错的强烈相互作用使得第二相强化效果优异，强 化相本身的结构及力学性能以及与基体的匹配也会影响钢的整体性能。针对于不同的性能 要求，应选取合适的强化体系。采用多种纳米析出物共同强化是一种十分有效的强化手段， 因此通过合理的设计成分，控制各相转变及析出热动力学，搭配以合理的热处理制度使得 各种强化相均能纳米弥散析出尤为重要。另外，形变及热处理的方法细化晶粒可同时提高 刚的强度及韧性，同时降低缺陷敏感系数。因此，通过合理设计合金体系，开发多种纳米颗 粒强化的超高强度钢是非常有必要的。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种强度大于2000Mpa、延伸率大于6%、 且具有优异疲劳和加工性能的铝增强马氏体时效钢及其制备方法。 本专利技术的技术方案是:本专利技术在传统（18M)马氏体时效钢的基础上去除了其主要 去强化元素 Ti和Co,设计了一种通过添加 A1元素以形成NiAl强化为主，同时微量碳化物和 纳米团簇Cu共同强化的合金体系。该钢种在退火时碳化物的析出不仅产生第二相强化还可 有效地控制晶粒尺寸；而在合适的时效制度下，纳米团簇及金属间化合物的细小弥散析出 保证了足够的析出强化效果，同时又不降低塑性，而强化粒子与基体的共格关系以及NiAl 相与基体一致的杨氏模量进一步保证了该合金的刚度及疲劳性能。从而制备了具有优异性 能的低碳新型铝增强马氏体时效钢。 该铝增强马氏体钢的各个组分按重量百分比计，C:0.01-0.2%，Ni :6-24%，Mo: < 6% ,Mn :0-4% ^A1 ：0.5-6%, Cr :0-12% ,Nb < 1.5% ,Cu：〇-4% ,ff：〇-3% ,B： 0.0005-0.05% , 余量为Fe和不可避免的杂质。 进一步:所述不可避免的杂质中包括P < 0.04%，S < 0.04%，N< 0.04%，氧不高于 0<0.05%〇 进一步，该铝增强马氏体钢的组分还包括下列物质：Ta <0.5%，ΥΒ0.5%，或从 La系及Ac系中一种元素或几种稀土元素，合计为0-0.5 %。 进一步，所述铝增强马氏体钢的主强化相为NiAl，钢中合金含量需满足:A1+Mn+Cu = 2-10wt% ?Ni+Mo+2Mn+Cr+Cu = 12-28wt% 〇 进一步，所述铝增强马氏体钢的钢中合金含量为Nb+C = 0.2-1.2%，Nb和C的质量 比为 2-10:1。 本专利技术的另一目的是提供上述铝增强马氏体钢的制备工艺，具体包括步骤如下： 步骤1:按照设计名义成分分别称取原料依次进行熔炼、铸造，锻压，得到铸锭； 步骤2:将步骤1得到的铸锭在温度为1000-1300°c，时间为0.5-24小时固溶处理， 后空冷至室温; 步骤3:将经步骤2处理后的铸锭以每道次5-20 %的压下量进行 冷乳处理，得到总压下量为30-70 %的板材； 步骤4:将步骤3得到板材在温度为900-1300°C，时间为5-60 分钟固溶及再结晶处理，后水淬至室温； 步骤5:将经步骤4处理后的板材在温度为400-600°C，时间为 0.1-8小时，进行时效处理，即得到错增强马氏体钢。 进一步，所述铝增强马氏体钢的屈服强度为800MPa_2000MPa，抗拉强度为 160010^-220010^，延伸率为6-25%。 本专利技术属于一种超高强马氏体钢领域，具体涉及一种纳米颗粒强化的铝增强马氏 体时效钢，以下对所述新型铝增强马氏体时效钢中各化学组分含量范围的限定理由进行说 明： C:C元素除可产生明显的固溶强化外还可与NB、V、Ti等形成稳定的化合物，不仅起 析出强化作用，还可有效地控制晶粒尺寸。但是过多的C添加会显著降低钢材的塑韧性以及 焊接性能，因此本专利技术中碳含量限定为ο. ο 1 -ο. 3 %。 Nb:碳化物形成元素，可与C形成MC化合物。一般在较高温度下析出，具有很好的热 稳定性。可有效控制均匀化及固溶处理时奥氏体晶粒的长大并产生析出强化作用，而一定 量固溶Nb元素还可有效提升钢材韧性。过量Nb和C会导致合金凝固时发生共晶反应析出大 量一次NbC，这将有害于性能。因此本专利技术中Nb含量限定为0-1.5%。另外，为使得合金体系 具有高的二次NbC过饱和度，热力学计算表明铌碳比要低于10。 Ni:奥氏体形成元素同时也是金属间化合物强化元素，与A1结合可形成与bcc基体 完全共格的B2-NiAl相，为本专利技术钢主要强化相。此外，固溶Ni元素可提高原子间键合力，有 益于材料韧性。但Ni含量过高会增加奥氏体稳定性，使得室温组织中存在一定量的残余奥 氏体，这将大幅度限制材料的强度。因此本专利技术钢中Ni含量限定为6-24%。 A1:奥氏体形成元素，但可提高Ms点，也是奔专利技术钢的主要强化元素。因此Ni和A1 适当搭配不仅可形成NiAl的高过饱和度，还可有效地控制该钢种的Ms转变点，从而得到单 一均匀组织。此外高强钢的失效往往发生在屈服点一下，因此常需表面渗N以形成高密度 A1N来硬化表层，适当铝添加将有助于表面硬化层的形成。最后A1由于可形成稳定致密的表 面氧化层，因此将有利于提高钢的抗氧化及腐蚀性能。但过量铝含量会导致奥氏体相区消 失且极易形成FeAl金属间化合物，使得材料变脆。因此本专利技术钢中A1含量限定为0.5-6%。 Μη:以置换原子形式参与并促进纳米团簇及金属间化合物的形成，参与纳米团簇 及金属间化合物析出强化作用。Μη为奥氏体形成元素，具有推迟奥氏体向铁素体转变的作 用，有利于细化铁素体晶粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝增强马氏体钢，其特征在于：该铝增强马氏体钢的各个组分按重量百分比计，C:0.01‑0.2%，Ni:6‑24%，Mo：≤6% ，Mn ：0‑4%、Al ：0.5‑6%，Cr ：0‑12%，Nb:0‑1.5% ，Cu：0‑4% ，W：0‑3% ，B：0.0005‑0.05%，余量为Fe和不可避免的杂质。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕昭平，蒋虽合，吴渊，王辉，刘雄军，陈红红，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11