專利名稱：一種超高強(qiáng)度耐蝕結(jié)構(gòu)鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，特別涉及一種超高強(qiáng)度耐蝕結(jié)構(gòu)鋼，其強(qiáng)度達(dá)到1800-1900Mpa，同時具有較高的韌性和耐蝕性。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類文明進(jìn)步，開發(fā)具有超高強(qiáng)度的耐蝕性金屬材料已成為必然的趨勢和科技追求的目標(biāo)。因為腐蝕不僅損失了材料、破壞構(gòu)件表面，并使材料性能退化。根據(jù)2006年報導(dǎo)美國因材料腐蝕造成的直接損失為2790億美元/年，相當(dāng)于全國GDP的3.2％，如果考慮鍍鎘等表面處理成本、對環(huán)境的破壞等，材料腐蝕造成損失則更為驚人。
眾所周知，強(qiáng)度超過1600MPa的鋼主要采用低合金超高強(qiáng)度鋼300M和18Ni的馬氏體時效鋼等鋼種，這些鋼雖然具有超高的強(qiáng)度、韌性也很好，但不含Cr元素，抗蝕性較差，以18Ni(300)的馬氏體時效鋼為例，斷裂韌性在70-80MPa·m1/2之間，但在3.5％鹽水中下降到30MPa·m1/2以下，因此這些鋼作為結(jié)構(gòu)材料在耐腐蝕環(huán)境中的使用越來越受到限制。而傳統(tǒng)的沉淀硬化不銹鋼如13-8Mo和17-4PH等雖然具有良好的耐蝕性，但強(qiáng)度偏低，最近美國研制的Ti強(qiáng)化Custom465馬氏體時效不銹鋼，抗蝕性很好，但強(qiáng)度不夠高，低于18Ni(250)的馬氏體時效鋼，作為結(jié)構(gòu)材料使用不夠理想。其中表1為上述現(xiàn)有幾種鋼種的化學(xué)成分表。
表1上述現(xiàn)有幾種鋼種的化學(xué)成分表 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、具有高斷裂韌性的超高強(qiáng)度耐蝕結(jié)構(gòu)鋼。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明整體的技術(shù)方案為從目前18Ni(300)馬氏體時效鋼和馬氏體時效不銹鋼現(xiàn)狀考慮(表1中列有18Ni(300)和Custom 465化學(xué)成份表)，通過控制Fe、Cr、Ni的成份配比，形成Fe-Ni-Cr系合金，并降低Mo、提高Ti，力求使強(qiáng)度高于馬氏體時效不銹鋼、抗拉強(qiáng)度接近18Ni(300)馬氏體時效鋼的水平，同時含有較高的Cr，抗蝕性遠(yuǎn)高于18Ni(300)馬氏體時效鋼。而從提高韌性的角度，通常馬氏體時效不銹鋼的Ni含量不超過11.25％，本發(fā)明將Ni含量最多提高到14.5％，有利于鋼在保持高強(qiáng)度的同時，又具有良好的韌性。該發(fā)明鋼不含昂貴金屬元素Co，同時Ni和Mo含量也較低，因此原材料成本較低，應(yīng)用前景廣闊。
根據(jù)上述目的和技術(shù)方案，本發(fā)明具體的技術(shù)方案為該鋼化學(xué)組成成分為(mass％)C≤0.02％，Si≤0.15％，Mn≤.15％，S≤0.01％，P≤0.01％，Cr 8.0-10.0％，Ni 11.5-14.5％，Mo 0.5-2.5％，Ti 1.0-2.0％，Al 0.02-0.5％，余為Fe。
上述化學(xué)成分設(shè)計依據(jù)如下C視為雜質(zhì)元素進(jìn)行控制，因為C與Ti容易形成脆性夾雜物(Ti(C，))，損害鋼的韌性，因此需將C控制在0.02％以內(nèi)。
Ni是本發(fā)明鋼重要合金元素之一，Ni既是強(qiáng)化析出相Ni3Ti和Ni3(Mo，Ti)的元素，又能增強(qiáng)馬氏體基體交叉滑移能力、降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度，但過高的Ni增加殘余奧氏體含量，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，同時也增加原材料成本，因此在考慮析出強(qiáng)化相Ni化學(xué)當(dāng)量，并考慮在馬氏體基體內(nèi)殘存一定量的Ni，將Ni控制在11.5-14.5％之間為宜。
Cr也是本發(fā)明鋼重要的合金元素之一，Cr保證鋼具有一定的抗蝕性，同時也能提高淬透性，并控制相變溫度As、Ms等。但過高的Cr會導(dǎo)致形成鐵素體，使鋼的韌性下降，因此Cr宜控制在8.0-10.0％之間。
Mo、Ti是本發(fā)明鋼的主要強(qiáng)化元素，Mo具有凈化晶界、抑制脆化的作用，尤其是抑制熱脆化，同時Mo具有時效硬化作用，但不含Co的情況下時效硬化作用較弱，因此Mo含量比傳統(tǒng)的馬氏體時效鋼低；在不含Co的條件下Ti的時效強(qiáng)化作用仍很顯著，強(qiáng)化析出相主要是Ni3Ti。此外，Mo的市場價格較高，而Ti的市場價格較低，因此低Mo含量、高Ti含量使鋼的性價比提高。但過高的Mo、Ti均損失韌性，尤其是Ti。因此綜合考慮后，Mo和Ti分別控制在Mo 0.5-2.5％；Ti 1.0-2.0％。
Al也是本發(fā)明鋼的主要強(qiáng)化元素，Al使鋼的馬氏體基體有序化，即形成NiAl、Ni2(Al，Ti)等有序相，這均有明顯的強(qiáng)化作用，同時Al有保護(hù)Ti的作用，但過高的Al對鋼的韌性有較大的損害，因此控制在0.02-0.5％。
與此同時為了保證鋼的強(qiáng)韌性，需將S、P、Si和Mn等控制在下列水平Si≤0.15％，Mn≤0.15％，S≤0.01％，P≤0.01％。同時氣體含量不高于30ppm。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有成本低、超高強(qiáng)度、高斷裂韌性、高耐蝕的優(yōu)點。上述優(yōu)點具體為該鋼Ni、Mo等合金元素含量降低，不含Co等昂貴金屬元素，原材料成本較低；其強(qiáng)度達(dá)到1800-1900Mpa(290ksi級)；斷裂韌性仍可達(dá)到80MPa·m1/2，而且具有較高的抗蝕性，可以在比18Ni馬氏體時效鋼更惡劣的環(huán)境下使用；工藝性能與18Ni馬氏體時效鋼相當(dāng)；適合于中等氣氛環(huán)境下使用。
本發(fā)明采用與現(xiàn)有技術(shù)相擬的制備方法本發(fā)明鋼采用真空感應(yīng)爐熔煉，冶煉坯應(yīng)在1150-1200℃進(jìn)行均質(zhì)化處理，隨后在1150-800℃之間進(jìn)行熱加工。鍛造坯料在900℃奧氏體化后水冷、-73℃冷處理后強(qiáng)度較低，冷變形能力和切削性能良好，可進(jìn)行接近凈成形加工，隨后480-510℃時效后達(dá)到下列性能Rp0.2≥1800MPa，Rm≥1900MPa，A≥8％，Z≥45％。時效后變形很小、構(gòu)件精度得以保證，而且不存在氧化、脫碳問題。
具體實施例方式
采用真空感應(yīng)爐熔煉加真空自耗重熔冶煉了本發(fā)明鋼和對比鋼，化學(xué)成分見表2中。表3為本發(fā)明鋼與對比鋼的力學(xué)性能及腐蝕率的對比表。上述列表中，序號1-4#為本發(fā)明實施例，5#對比鋼為PH13-8Mo，6#對比鋼為17-4PH，7#對比鋼是Custom465，8#對比鋼為18Ni馬氏體時效鋼(300級)，9#對比鋼為300M。將鋼錠鍛造成直徑為60mm的鋼棒，本發(fā)明鋼經(jīng)過900℃×1h的固溶熱處理后，再進(jìn)行510℃×4h的時效處理，而比較鋼分別在適合的條件下進(jìn)行正常的熱處理。分別進(jìn)行了平滑拉伸試驗，U型缺口沖擊以及斷裂韌性試驗。耐蝕性采用鹽霧試驗，試驗條件濃度為50±5g/L氯化鈉溶液；PH值為6.5-7.2；鹽霧箱內(nèi)溫度為35±2℃；噴霧方式為連續(xù)噴霧；時間為480小時。
表2本發(fā)明鋼和對比鋼的化學(xué)成分表

表3本發(fā)明鋼與對比鋼的力學(xué)性能及腐蝕率的對比表

從表3中可以看到，本發(fā)明鋼在抗拉強(qiáng)度達(dá)到1900MPa時，斷裂韌性仍可達(dá)到80MPa·m1/2，與PH13-8Mo、17-4PH和Custom465相比具有更高的強(qiáng)度和韌性，但耐蝕性略低，該鋼的強(qiáng)韌性水平已接近300級馬氏體時效鋼，但具有較好的耐蝕性，與300M相比強(qiáng)度隨略低，但具有較高的韌性和耐蝕性。
權(quán)利要求
1.一種超高強(qiáng)度耐蝕結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于該鋼化學(xué)組成成分為(mass％)C≤0.02％，Si≤0.15％，Mn≤0.15％，S≤0.01％，P≤0.01％，Cr 8.0-10.0％，Ni 11.5-14.5％，Mo 0.5-2.5％，Ti 1.0-2.0％，Al 0.02-0.5％，余為Fe。
全文摘要
本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，特別涉及一種超高強(qiáng)度耐蝕結(jié)構(gòu)鋼，其強(qiáng)度達(dá)到1800－1900MPa。該鋼化學(xué)組成成分為(mass％)C≤0.02％，Si≤0.15％，Mn≤0.15％，S≤0.01％，P≤0.01％，Cr 8.0－10.0％，Ni 11.5－14.5％，Mo0.5－2.5％，Ti 1.0－2.0％，Al 0.02－0.5％，余為Fe。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有成本低、超高強(qiáng)度、高斷裂韌性、高耐蝕的優(yōu)點。
文檔編號C22C38/50GK101050508SQ20071009933
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月17日
發(fā)明者楊卓越, 陳嘉硯, 蘇杰, 丁雅莉 申請人:鋼鐵研究總院