一种超高强度纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢及其制备方法技术

本发明专利技术涉及材料技术领域，具体为一种超高强度纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢及其制备方法。该不锈钢的化学成分如下(重量％)：C:0.3～0.5；Cr:15.0～18.0；Co:3.0～5.0；Mo:0.5～1.5；W:1.5～2.5；Nb:0.03～0.05；Ce:0.01～0.03；Mn＜0.15余量为Fe。该不锈钢的制备方法如下：(1)在1150～1250℃保温一段时间后，快速冷却至室温以获得纳米板条前驱体；(2)对纳米板条前驱体在温度为880～960℃，应变速率为0.5～2s

【技术实现步骤摘要】
一种超高强度纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢及其制备方法


[0001]本专利技术涉及材料
，具体为一种高强度纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着经济和社会的飞速发展，传统不锈钢材料的性能逐渐难以满足各行各业的需要，亟需开发具有更高性能的新型不锈钢材料。人们尝试通过提高碳和铬的含量，以提高不锈钢材料的硬度及耐磨性能。然而，随着材料强度的提升，其塑性和耐蚀性能显著降低，这一瓶颈问题始终无法妥善解决，导致传统不锈钢材料的发展长期陷于停滞状态。
[0003]与粗晶钢铁材料相比，纳米晶钢铁材料具有更高的强度与塑性、较大的疲劳强度、高温超塑性等优异的综合力学性能，同时它还具有良好的耐蚀性能以及诸多独特的物理化学性能，这些在实际应用中极具吸引力，发展纳米晶不锈钢为传统不锈钢的性能优化开辟了一个新途径。
[0004]目前，块体纳米晶金属材料的制备主要是通过大塑性变形(SPD)法来实现的。常见的大塑性变形法包括等通道转角挤压(ECAP)、累积复合轧制(ARB)、多向锻造(MF)和高压扭转(HPT)等，这些方法均需要依靠大功率设备及昂贵的模具，所制备材料的尺寸也较小，无法满足规模化工业生产的需要。为此，本专利技术提供了一种新型纳米晶不锈钢及其制备方法，通过常规热轧制变形即可实现纳米晶不锈钢的制备，为传统不锈钢材料的发展带来新的基础与机遇。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种纳米晶不锈钢，为实现上述目标，本专利技术的技术方案是：r/>[0006]一种纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢，按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C:0.3～0.5；Cr:15.0～18.0；Co:3.0～5.0；Mo:0.5～1.5；W:1.5～2.5；Nb:0.03～0.05；Ce:0.01～0.03；Mn＜0.15余量为Fe。部分元素的优选范围是：C：0.35～0.43；Cr：15.8～17.0；Co：3.5～4.2；Mo：0.8～1.1；W：1.8～2.1。
[0007]本专利技术所述的纳米晶不锈钢的制备方法为：采用真空感应炉，获得原材料铸锭，铸锭修磨后经过1200℃以上开坯锻造、精锻加工成坯。
[0008]对精锻加工所得坯料在1150～1250℃以上保温一段时间后，快速冷却至室温，获得纳米板条前驱体；对所得纳米板条前驱体进行热变形，获得纳米晶组织；对纳米晶组织进行液氮深冷，随后进行时效处理，最终获得纳米晶不锈钢。
[0009]作为优选的技术方案：
[0010]对坯料在1150～1250℃保温一段时间，保温时间t＝(3.5～4.5)D min，其中，D为试样的有效厚度，单位为毫米mm。
[0011]快速冷却的冷却速率在10～20℃/s之间。
[0012]所述纳米板条前驱体在温度为880～960℃，应变速率为0.5～2.0s-1
的范围内进行热变形，总应变量大于等于70％。优选为：热变形温度为910～940℃，应变速率为1.0～1.6s-1
，总应变量大于等于90％。
[0013]采用本专利技术所述方法制备所得材料的显微组织为纳米晶组织，晶粒尺寸在35～90nm之间。
[0014]本专利技术的有益效果是：
[0015](1)区别于现有技术的情况，本专利技术所提供的纳米晶钢铁材料无需依靠大功率设备及昂贵的模具，通过常规热变形即可实现纳米晶不锈钢的制备。
[0016](2)采用本专利技术所述方法制备块体纳米晶金属材料不受尺寸限制，与现有技术相比能够制备出更大尺寸的块体纳米晶金属材料，从而满足规模化工业生产的需要。
[0017](3)采用本专利技术所述的方法可显著提高不锈钢的综合力学性能，所得纳米晶不锈钢具有超高的强度、良好的塑韧性和优异的耐腐蚀性能，可广泛用于制备各类刃具、模具、汽轮机叶片、滚动轴承和耐磨医疗器械等器件。在优选合金成分(C含量在0.35～0.43；Cr含量在15.8～17.0；Co含量在3.5～4.2；Mo含量在0.8～1.1；W含量在1.8～2.1)与热变形条件下(热变形温度为910～940℃，应变速率为1.0～1.6s-1
，总应变量大于等于90％)，所制备的纳米晶不锈钢的拉伸强度高达1900～2300MPa，延伸率在10～16％，维氏硬度在530～650之间。
附图说明
[0018]图1纳米板条前驱体TEM照片。
[0019]图2纳米板条前驱体经热变形后形成的纳米晶组织TEM照片。
具体实施方式
[0020]为使本申请的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本申请进一步详细说明。
[0021]本专利技术提供一种新型纳米晶不锈钢，该钢的化学成分为:C:0.3～0.5；Cr:15.0～18.0；Co:3.0～5.0；Mo:0.5～1.5；W:1.5～2.5；Nb:0.03～0.05；Ce:0.01～0.03；Mn＜0.15余量为Fe。
[0022]请参阅图1～2。图1是本专利技术实施例5中的材料经快速冷却后形成的纳米板条前驱体，从TEM组织照片中可以看出，板条的宽度在20～50nm之间。图2是本专利技术实施例5的纳米板条前驱体经热变形后形成的纳米晶组织，从TEM照片中可以看出，晶粒尺寸在40～85nm之间。
[0023]下面将通过几组具体实施例和对比例来对本申请进行说明、解释，但不应用来限制本申请的范围。
[0024]实施例：实施例1～9为根据本专利技术提供的化学成分范围进行冶炼的不锈钢，其C、Cr、Co、Mo、W元素的含量逐步提高，相应的制备工艺也在本专利技术规定的技术参数范围内进行适当调整。所制备的块体纳米晶金属材料的尺寸为150
×
800
×
10mm。
[0025]对比例：对比例1中C、Cr、Co、Mo、W的化学成分均低于本专利技术提供的化学成分范围下限，对比例9中C、Cr、Co、Mo、W的化学成分均高于本专利技术提供的化学成分范围上限，通过分
别与实施例1和实施例9进行比较，说明C、Cr、Co、Mo、W化学成分的变化对纳米晶不锈钢制备的影响。对比例2的应变量低于本专利技术提供的应变量的下限，通过与实施例2进行比较，说明应变量对纳米晶不锈钢制备的影响。对比例3的应变速率高于本专利技术提供的应变速率的上限，对比例4的应变速率低于本专利技术提供的应变速率的下限，通过分别与实施例3和实施例4进行比较，说明应变速率对纳米晶不锈钢制备的影响。对比例5在热处理后缓慢冷却至室温，通过与实施例5进行比较，说明热处理后的冷却速率对纳米晶不锈钢制备的影响。对比例6的热处理温度低于本专利技术提供的热处理温度的下限，通过与实施例6进行对比，说明热处理温度对纳米晶不锈钢制备的影响。对比例7的热变形温度高于本专利技术提供的热变形温度的上限，对比例8的热变形温度低于本专利技术提供的热变形温度的下限，通过分别与实施例7和实施例8进行比较，说明热变形温度对纳米晶不锈钢制备的影响。此外，本专利技术还通过与商业广泛应用的40Cr13本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超高强度纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C:0.3～0.5；Cr:15.0～18.0；Co:3.0～5.0；Mo:0.5～1.5；W:1.5～2.5；Nb:0.03～0.05；Ce:0.01～0.03；Mn＜0.15余量为Fe。2.按照权利要求1所述超高强度纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，C：0.35～0.43；Cr：15.8～17.0；Co：3.5～4.2；Mo：0.8～1.1；W：1.8～2.1。3.一种权利要求1所述超高强度纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢的制备方法，其特征在于：采用真空感应炉熔炼，获得原材料铸锭；铸锭修磨后经过1200℃以上开坯锻造、精锻加工成坯料。4.按照权利要求3所述超高强度纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢的制备方法，其特征在于：对精锻加工所得坯料在1150～1250℃保温一段时间后，快速冷却至室温，获得纳米板条前驱体；对所得纳米板条前驱体进行热变形，获得纳米晶组织；对纳米晶组织进行液氮深冷，随后进行时效处理。5.按照权利要求4所述超高强度纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢的制备方法，其特征在于：在1150～1250℃保温，保温时间t＝(3.5～4.5...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海，任玲，张书源，杨柯，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：