一种超高强度高韧性马氏体时效钢及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种超高强度高韧性的马氏体时效钢，按质量含量计，所述马氏体时效钢的化学组成成分为：Ni：18.0‑20.0％，Co：15.0‑18.0％，Mo：7.0‑8.0％，Ti：1.5‑2.5％，Cu：4.0‑6.0％，C＜0.005％，O＜0.001％，N＜0.002％，P＜0.001％，S＜0.001％，余量为Fe；所述C、O、N、P、S的总含量＜0.01％。本发明专利技术超高强度高韧性的马氏体时效钢中形成了富铜相和Ni3Ti核壳结构，实现软、硬纳米粒子的复合强化，且不损失韧性，其抗拉强度＞3000Mpa，屈服强度＞2700Mpa，延伸率＞10％，满足了纺织钩针和射钉枪撞针等耗材降本增效的需求。

A Super High Strength and Toughness Martensitic Aging Steel and Its Preparation Method and Application

The invention provides a maraging steel with super high strength and high toughness. The chemical composition of the maraging steel is as follows: Ni: 18.0 20.0%, Co: 15.0 18.0%, Mo: 7.0 8.0%, Ti: 1.5 2.5%, Cu: 4.0 6.0%, C < 0.005%, O < 0.001%, N < 0.002%, P < 0.001%, S < 0.001%, and the remainder is Fe. The total contents of P, S were less than 0.01%. The ultra-high strength and high toughness maraging steel of the invention forms a copper-rich phase and Ni3Ti core-shell structure, realizes the composite strengthening of soft and hard nanoparticles without loss of toughness, and its tensile strength > 3000 Mpa, yield strength > 2700 Mpa, elongation > 10%, which meets the needs of cost reduction and efficiency enhancement of consumables such as textile crochet and nail gun impact needle.

【技术实现步骤摘要】
一种超高强度高韧性马氏体时效钢及其制备方法和应用
本专利技术涉及马氏体时效钢
，特别涉及一种超高强度高韧性马氏体时效钢及其制备方法和应用。
技术介绍
高强度低合金钢凭借材料成本的优势，始终成为专注于纺织钩针、撞针等高强度结构件的制备企业的首选材料。马氏体时效钢是以无碳(或微碳)马氏体为基体，时效时能产生金属间化合物沉淀硬化的超高强度钢，与传统高强度低合金钢不同，它不用碳而靠金属间化合物的弥散析出来强化，这使其具有一些独特的性能：高强韧性，低硬化指数，良好成形性，简单的热处理工艺，马氏体时效钢在热处理时几乎不变形，具有很好的焊接性能。与高强度低合金钢相比，马氏体时效钢虽然具有明显的强韧性等优势，但一直无法得到相关企业的认可而实现产业化应用。在马氏体时效钢的发展过程中，强韧性匹配与使用成本是影响马氏体时效钢应用前景的两个核心问题，一方面，在保证韧性的前提下实现马氏体时效钢强度的提高，迎合产品的轻量化、节能减排以及安全环保等设计宗旨，是决定马氏体时效钢应用前景的关键因素；另一方面，与普通的高强度低合金钢相比，马氏体时效钢虽然强韧性优势明显，但由于其使用了高含量的镍、钴、钼、钛等合金元素，导致马氏体时效钢的材料成本较高，难以在实际应用中推广普及。因此，如何充分利用马氏体时效钢的性能优势，又降低结构材料总体的生产成本，是影响马氏体时效钢应用前景的关键。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种超高强度高韧性的马氏体时效钢及其制备方法和应用，本专利技术通过加入铜元素优化合金原料的配比，并辅以双真空冶炼、连续锻造和连续热处理工艺，开发出抗拉强度大于3000MPa，屈服强度大于2700Mpa，延伸率大于10％的超高强度高韧性马氏体时效钢，实现了纺织钩针和射钉枪撞针材料的降本增效。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种超高强度高韧性的马氏体时效钢，按质量含量计，所述马氏体时效钢的化学组成成分为：Ni：18.0-20.0％，Co：15.0-18.0％，Mo：7.0-8.0％，Ti：1.5-2.5％，Cu：4.0-6.0％，C＜0.005％，O＜0.001％，N＜0.002％，P＜0.001％，S＜0.001％，余量为Fe；所述C、O、N、P、S的总含量＜0.01％。优选的，所述马氏体时效钢的化学组成成分为：Ni：18.5-19.5％，Co：15.5-16.5％，Mo：7.0-7.5％，Ti：1.5-1.8％，Cu：5.0-6.0％，C＜0.005％，O＜0.001％，N＜0.002％，P＜0.001％，S＜0.001％，余量为Fe。优选的，所述马氏体时效钢的抗拉强度＞3000Mpa，屈服强度＞2700Mpa，延伸率＞10％。本专利技术还提供了上述超高强度高韧性的马氏体时效钢的制备方法，包括如下步骤：(1)将超纯金属原材料在真空下依次进行初次真空感应熔炼和二次精炼，得到钢锭；(2)将所述步骤(1)中的钢锭进行均匀化热处理；(3)将所述步骤(2)中均匀化热处理后的钢锭直接进行锻造，得到坯料；(4)将所述步骤(3)中的坯料进行连续热处理，所述连续热处理是将锻造后的坯料直接进行奥氏体时效处理、深冷处理和时效处理，得到超高强度高韧性的马氏体时效钢。优选的，所述步骤(1)中的初次真空感应熔炼在真空感应炉中进行，所述初次真空感应熔炼的温度为1450～1550℃，真空度＜1×10-4Pa。优选的，所述步骤(1)中的二次精炼在真空自耗炉中进行，真空度＜1×10-4Pa。优选的，所述步骤(2)中的均匀化热处理具体为：将钢锭加热后进行保温，所述保温的温度为1170～1230℃，所述保温的时间为24～30h。优选的，所述步骤(3)中锻造的初锻温度为1100～1200℃，终锻温度不低于850℃；所述锻造的变形量需满足：第1次锻造变形量＜5％，第2次锻造变形量＜10％，第3次锻造变形量＜15％，终锻后的总变形量≥90％，锻造比＞12。优选的，所述步骤(4)中连续热处理具体为：将锻造后的坯料直接放进680～720℃热处理炉中保温2～4h，进行奥氏体时效，随后空冷至室温；将奥氏体时效后的坯料在液氮中保持2h以上，空冷至室温；将液氮处理后的坯料在480～520℃的热处理炉中保温1～3h，空冷至室温。本专利技术还提供了上述超高强度高韧性的马氏体时效钢或采用上述制备方法制备的超高强度高韧性的马氏体时效钢作为纺织钩针或射钉枪撞针的应用。有益效果：本专利技术提供了一种超高强度高韧性的马氏体时效钢，按质量含量计，所述马氏体时效钢的化学组成成分为：Ni：18.0-20.0％，Co：15.0-18.0％，Mo：7.0-8.0％，Ti：1.5-2.5％，Cu：4.0-6.0％，C＜0.005％，O＜0.001％，N＜0.002％，P＜0.001％，S＜0.001％，余量为Fe；所述C、O、N、P、S的总含量＜0.01％。本专利技术提高了铜元素的含量并优化了其他贵金属的配比，有效的降低了成本，本专利技术严格控制合金中的杂质元素，以防止C、O、N、P、S元素过高影响到马氏体时效钢的韧性。本专利技术提供了上述方案所述超高强度高韧性的马氏体时效钢的制备方法，本专利技术将原材料在真空下熔炼和二次精炼得到钢锭，再通过均匀化热处理使钢锭内部金属元素均匀化；本专利技术将均匀化热处理结合多次连续的热锻，使钢锭逐步变形得到坯料，本专利技术的热锻方法能够防止钢锭开裂，得到的坯料内部缺陷极少，保证了合金的致密性；本专利技术将坯料直接进行奥氏体时效处理、深冷处理和时效处理，得到超高强度高韧性的马氏体时效钢，而且简化了热处理工艺，降低了生产总成本。本专利技术通过连续热处理使得到的马氏体时效钢合金中形成了富铜相和Ni3Ti核壳结构，实现软、硬纳米粒子的复合强化，且不损失马氏体时效钢的韧性。实施例结果表明，本专利技术提供的马氏体时效钢的抗拉强度＞3000Mpa，屈服强度＞2700Mpa，延伸率＞10％，本专利技术实现了降本增效，满足了纺织钩针和射钉枪撞针等耗材的需求。具体实施方式本专利技术提供了一种超高强度高韧性的马氏体时效钢，按质量含量计，所述马氏体时效钢的化学组成成分为：Ni：18.0-20.0％，Co：15.0-18.0％，Mo：7.0-8.0％，Ti：1.5-2.5％，Cu：4.0-6.0％，C＜0.005％，O＜0.001％，N＜0.002％，P＜0.001％，S＜0.001％，余量为Fe；所述C、O、N、P、S的总含量＜0.01％。本专利技术的设计思想为：在现有的马氏体时效钢体系中添加铜元素，优化马氏体时效钢中其它合金元素的质量配比，结合锻造、热处理的连续实施达到成本降低的目的；在本专利技术中，Cu在马氏体时效钢中是奥氏体形成元素，降低马氏体开始转变温度，在马氏体中的固溶度极小，因此在马氏体时效钢时效处理后具有极高的强化效果，而且不损失韧性。同时，Cu在时效处理过程中优先析出，能为金属间化合物Ni3Ti起到形核质点的作用，形成富铜相和Ni3Ti核壳结构，实现“软”、“硬”纳米粒子的复合强化，具有更高的强化效果。专利技术人发现，Cu作为形核质点这种作用，加入量不宜过少，过少的Cu含量与Ni3Ti同时析出，不能形成核壳结构，强化效果不理想；但过量的Cu容易造成该钢在锻造过程中发生“热脆”开裂现象，影响成材率。在本专利技术中，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高强度高韧性的马氏体时效钢，其特征在于，按质量含量计，所述马氏体时效钢的化学组成成分为：Ni：18.0‑20.0％，Co：15.0‑18.0％，Mo：7.0‑8.0％，Ti：1.5‑2.5％，Cu：4.0‑6.0％，C＜0.005％，O＜0.001％，N＜0.002％，P＜0.001％，S＜0.001％，余量为Fe；所述C、O、N、P、S的总含量＜0.01％。

【技术特征摘要】
1.一种超高强度高韧性的马氏体时效钢，其特征在于，按质量含量计，所述马氏体时效钢的化学组成成分为：Ni：18.0-20.0％，Co：15.0-18.0％，Mo：7.0-8.0％，Ti：1.5-2.5％，Cu：4.0-6.0％，C＜0.005％，O＜0.001％，N＜0.002％，P＜0.001％，S＜0.001％，余量为Fe；所述C、O、N、P、S的总含量＜0.01％。2.根据权利要求1所述的超高强度高韧性的马氏体时效钢，其特征在于，所述马氏体时效钢的化学组成成分为：Ni：18.5-19.5％，Co：15.5-16.5％，Mo：7.0-7.5％，Ti：1.5-1.8％，Cu：5.0-6.0％，C＜0.005％，O＜0.001％，N＜0.002％，P＜0.001％，S＜0.001％，余量为Fe。3.根据权利要求1或2所述的超高强度高韧性的马氏体时效钢，其特征在于，所述马氏体时效钢的抗拉强度＞3000Mpa，屈服强度＞2700Mpa，延伸率＞10％。4.权利要求1～3任意一项所述超高强度高韧性的马氏体时效钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将超纯金属原材料在真空下依次进行初次真空感应熔炼和二次精炼，得到钢锭；(2)将所述步骤(1)中的钢锭进行均匀化热处理；(3)将所述步骤(2)中均匀化热处理后的钢锭直接进行锻造，得到坯料；(4)将所述步骤(3)中的坯料进行连续热处理，所述连续热处理是将锻造后的坯料直接进行奥氏体时效处理、深...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡光，王威，马天龙，史显波，郭亮，
申请(专利权)人：沈阳融荣科技有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21