一种高强度Al,Cu增强的高强不锈耐热钢及制备方法,属于不锈耐热钢领域。该钢的化学组成成分重量百分数为：C 0.10‑0.30%，Cr 9.0‑13.0%，Ni 2.0‑8.0，Mo 2.0‑5.0%，W0‑2.0%，Co 10‑15%，Al 0‑2.0%，Cu 1.0‑5.0%，V 0‑0.6%，Nb 0‑0.2%，其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。优点在于，与现有技术相比具有更高抗拉强度和中温强度，室温强度大于2000MPa、500℃中温强度大于1300MPa，同时具有良好的韧性、耐热性和抗蚀性，是一种综合性能优良的不锈耐热钢。
Al, Cu reinforced high-strength stainless steel and preparation method thereof
The invention relates to a high strength Al, Cu reinforced high-strength stainless steel and a preparation method thereof, belonging to the field of stainless steel. The chemical composition of the steel weight percentage: C 0.10 0.30%, Cr 9 13%, Ni 2 8, Mo 2 5%, W0 2%, Co 10 15%, Al 0 2%, Cu 1 5%, V 0 0.6%, Nb 0 0.2%, the rest is Fe and other unavoidable impurities. The advantages, compared with the existing technology has higher tensile strength and temperature strength, strength at room temperature is greater than 2000MPa, 500 DEG C temperature strength greater than 1300MPa, and has good toughness, heat resistance and corrosion resistance, heat-resistant stainless steel is an excellent comprehensive performance.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于合金钢领域，特别涉及一种高强度Al,Cu增强的高强不锈耐热钢及制备方法。该合金具有高强度、高韧性、耐热、抗腐蚀等优异性能，工艺性能良好，与现有技术相比，具有更高抗拉强度和中温强度，室温强度大于2000MPa、500℃中温强度大于1300MPa，同时具有良好的韧性、耐热性和抗蚀性，是一种综合性能优良的二次硬化耐热钢。技术背景马氏体型高强度耐热不锈钢由于其良好的强韧性配合、高强度、高韧性、耐热和耐腐蚀等优良的综合性能，一直是航空和航天动力系统领域重要的结构材料，如航空发动机叶片、传动齿轮、轴承、发动机机匣、连接螺栓、燃气轮机叶片、传动轴、燃气轮机机匣等关键承力构件，广泛使用的马氏体耐热不锈钢有1Cr11Ni2W2MoV、2Cr12WMoVNbB等。随动力系统的提升，目前的马氏体耐热不锈钢承载能力已经不足，更高强度级别的耐热钢纷纷涌现，如美国的CSS-42L钢等等（见表1）。CSS-42L钢可以提供室温1800MPa强度、450℃时1100Mpa的强度，同时具有超过120MPam1/2的良好韧性，代表了目前国际上马氏体耐热不锈钢的先进水平。近年来，利用二次硬化效应提高钢的强韧性配合和提高热强度稳定性的试验取得了良好的效果，利用在回火过程中析出的以Mo、W的M2C型碳化物和以V为主的MC型碳化物强化提高强度，高的Cr含量提高耐腐蚀性能，更高的回火温度提高了中温热强性和稳定性，其中美国在1995年公开了一种高强韧性不锈耐热钢专利，专利号US5424028,其中Mo含量达到4.75%， Cr含量达到14%，Co含量达到12.5%，该钢经过真空冶炼和锻造成型后，经过1050℃固溶、-73深冷和496℃时效后，可以获得Rm≥1800MPa、A≥16%、断裂韧性达到120MPam1/2的良好的强韧性；日本1994年公开了一种高强韧性不锈钢，专利号为JP06264189,其Ni含量较低，该钢经过真空冶炼和锻造后，经经过1050固溶、-73深冷和475时效后，可以获得Rm≥1700MPa、A≥16%、KIC≥110MPam1/2的良好的强韧性。中国在2008年公开了一种强韧性超高强度不锈钢及其制造方法，专利号CN101205595A，采用W、Mo强化，其C含量、Ni含量较低，可以获得Rm≥1800MPa、Rp0.2≥1400MPa，KIC≥110MPam1/2的良好的强韧性。但航空航天动力的技术进步希望可以提供室温强度≥2000MPa、500℃高温强度≥1300MPa的更高强度更高温度的高强度耐热钢，降低发动机的消极重量，提升推重比，可以大大提升动力性能。表1 具有代表性的马氏体耐热钢化学成分（wt%）表2 典型马氏体耐热钢力学性能
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高强度Al,Cu复合增强的不锈耐热钢及制备方法，利用中碳马氏体基体获得超高强度，利用合金碳化物与富Cu相、金属间化合物复合析出提高中温强度，较高的Ni含量确保良好的韧性，而12%Cr含量保证了钢具有良好的耐热耐蚀性。是一种具有超高强度、良好塑韧性和热强性的高强度不锈耐热钢。根据上述目的，本专利技术整体的技术方案是：本专利技术利用Al,Cu与Mo,W,V的复合添加，利用合金碳化物与富Cu相、金属间化合物复合析出提高中温强度；精确控制C,Ni和Cr,Mo的配比，通过提高Cr,Mo含量，以保证钢的耐蚀性；而Ni含量保证钢的良好韧性。加入V和Nb形成碳化物产生弥散强化，并细化晶粒，以提高二次硬化超高强度不锈钢的强度和韧性。Co抑制延缓马氏体位错亚结构回复，保持马氏体板条的高位错密度，促进二次硬化反应。根据上述目的和整体技术方案，本专利技术的具体技术方案为：本专利技术钢的具体化学组成成分（重量百分数）为：C 0.10-0.30%，Cr 9.0-13.0%，Ni 2.0-8.0，Mo 2.0-5.0%，W0-2.0%，Co 10-15%，Al 0-2.0%，Cu 1.0-5.0%， V 0-0.6%， Nb 0-0.2%，其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。上述化学成分的设计依据如下：碳是本专利技术钢中的最重要的合金元素之一， C是稳定奥氏体的元素，并且作用很大约为Ni元素的30倍。C可以与Mo、W形成M2C（Mo2C、W2C）型碳化物，与V形成MC型合金碳化物，且C含量增加，碳化物数量增加，碳化物质点间距减少，增加二次硬化峰值，获得高屈服强度，C含量小于0.10%时会使强度不足。随着C含量的增加，钢的抗拉强度提高，但冲击韧性降低。过高的C含量降低Ms点，增加残余奥氏体和孪晶马氏体，而孪晶马氏体损伤韧性；同时过高的C含量超过0.3%时还易于与Cr形成一系列复杂的碳化物，使其组织不易控制，显著提高固溶温度，从而导致钢的性能不稳定。而且会导致钢中固溶的Cr含量降低，从而降低钢的耐蚀性；本专利技术根据Cr的含量并综合考虑强度、韧性和耐蚀性确定C含量控制在0.10-0.30%之间。铬是本专利技术钢中重要的合金元素之一，Cr在不锈钢中起决定作用，而引起钢的耐蚀性突变的Cr含量约为12%，小于10%则降低钢的耐蚀性。目前Cr是使钢钝化并赋予良好耐蚀性和不锈性的元素。此外，Cr还可以提高合金的淬透性，产生固溶强化；还可以取代Mo2C中的部分Mo元素形成(Mo、Cr)2C型合金碳化物，促进二次硬化反应，形成细小弥散沉淀。专利技术钢中Cr含量高于15%时会严重降低钢的强度并增加铁素体存在的可能，但仍必须含有足够数量的Cr以提高耐蚀性，因此控制其含量在9-13%。钼是本专利技术钢中主要的强化元素，Mo与C形成Mo2C碳化物，产生强烈的二次硬化反应，是形成二次硬化峰的原因。随着Mo含量的增加，二次硬化峰值硬度提高，屈服强度提高。Mo还有增加淬透性，产生固溶强化，提高钢的回火抗力以及抑制回火脆性的作用，通常情况二次硬化不锈钢中Mo的含量不少于2%。此外，Mo还具有稳定钝态表面膜的效果，从而提高了钢的耐点蚀性。从强韧性配比和耐蚀性考虑，Mo控制在1.0-5.0%。钨是主要的强化元素，W2C碳化物的主要形成元素，强烈的产生二次硬化反应，是形成二次硬化峰的原因。随着W含量的增加，二次硬化峰值硬度提高，屈服强度提高,同Mo相比W可以显著降低合金碳化物的过时效敏感性，提高合金回火稳定性。为获得足够的二次硬化效果，但不应过高的W含量使固溶温度过高造成组织粗大，本专利技术钢中的W含量不应高于2.0%。根据强度特别是韧性的需要，本专利技术钢中W含量控制在0-2.0%。镍是本专利技术中主要的韧化元素，Ni是奥氏体稳定化元素可提高钢的韧性，同时Ni提高钢的淬透性，产生固溶强化，保持高位错板条马氏体，提高马氏体基体的抗解理断裂能力，降低塑-脆性转变温度，保证钢具有足够的韧性。Ni还可促进Fe3C回溶，从而为M2C的形成提供足够的碳含量。但Ni的加入要注意[Ni当量]与[Cr当量]的配合，否则会由于奥氏体含量的过多损害强度，在本专利技术中超过8.0%将得不到完全马氏体组织，因此控制其含量在2.0-8.0%。钴是奥氏体稳定化元素，即提高韧性又促进二次硬化反应，由于添加Co可以抑制延缓马氏体位错亚结构回复，保持马氏体板条的高位错密度，从而为随后的沉淀相M2C的析出提供更多的形核位置。而Co提高C原子在铁素体中的激活能，降低C原子在铁素体本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高强度Al,Cu增强的高强不锈耐热钢, 其特征在于，该钢的化学组成成分重量百分数为：C 0.10‑0.30%，Cr 9.0‑13.0%，Ni 2.0‑8.0，Mo 2.0‑5.0%，W0‑2.0%，Co 10‑15%，Al 0‑2.0%，Cu 1.0‑5.0%， V 0‑0.6%， Nb 0‑0.2%，其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。
【技术特征摘要】
1.一种高强度Al,Cu增强的高强不锈耐热钢, 其特征在于，该钢的化学组成成分重量百分数为：C 0.10-0.30%，Cr 9.0-13.0%，Ni 2.0-8.0，Mo 2.0-5.0%，W0-2.0%，Co 10-15%，Al 0-2.0%，Cu 1.0-5.0%， V 0-0.6%， Nb 0-0.2%，其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。2.一种权利要求1所述的高强度Al,Cu增强的高强不锈耐热钢制备方法, 采用真空感应+真空自耗重熔或电渣重熔，其特征在于，工艺中控制的技术参数如下：钢锭加热温度：1150－1180℃，1120℃≤开锻温度≤116...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘少尊，
申请(专利权)人：刘少尊，
类型：发明
国别省市：北京;11
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