專利名稱：：一種超高強度、高韌性馬氏體時效鋼及其制造方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及鋼鐵材料，具體地說，本發(fā)明涉及工程材料用超髙強度鋼，更具體地說，本發(fā)明涉及一種超髙強度、高韌性馬氏體時效鋼及其制造方法。
背景技術：
：工程材料中將(Jo.21400Mpa的鋼種稱為超高強度鋼。超高強度鋼主要有低合金超高強度鋼、馬氏體時效鋼和二次硬化鋼。目前，馬氏體時效鋼的研制、應用，得到;r更大的發(fā)展，由于其屈強比大于0.95，相同強度級別時S、v、Ak、K,t.比低合金結構鋼髙，裂紋擴展能力強，髙溫強度、缺口強度髙，彈性模量髙，耐應力腐蝕性能好，熱處理工藝簡單、無脫碳問題、熱處理時尺寸穩(wěn)定、變形小，固溶后硬度服C達到2835，它為低碳馬氏體，幾乎沒有加工硬化現象，冷變形過程可不用軟化處理，且具有優(yōu)良的焊接性能，焊前不用預熱，焊后不用退火，不需中間退火，可用于制造火箭發(fā)動機殼體、齒輪、飛機起落架、彈性體、模具、刀具等零件。常用馬氏體時效鋼采用的合金化體系為17~19%Ni—7~13%Co—4.5~5.5%Mo--0.3~1.5%Ti-"0.05~0.15%Al。超高強度馬氏體時效鋼中用途最多的是C250鋼，該鋼抗拉強度(Jb為17601920Mpa、延伸率S為710%、沖擊功Ak為3040J，但該鋼含79wt免的鈷，成本較髙，僅適用于尖端
技術領域：
，限制了它的普及應用。同時由于其塑、韌性低，冷變形加工后形成的薄壁件塑性將進--步降低，如某薄壁筒體經80%冷變形量后延伸率只有5%以下，其應用因此而受到很大限制。因此，研制一種低成本的馬氏體時效鋼，其性能(強度、塑韌性)基本達到或超過C250鋼的性能水平，用以代替高成本的含鈷C250鋼，是非常必要的。經檢索發(fā)現，目前國內外有以下一些專利文獻涉及馬氏體時效鋼CN85107993公開了一種馬氏體時效鋼，它不含鈷，但鉬含量較高，為6~7.3wt%，增加了原料成本，且該鋼韌性較低。CN1〗82141公開了一種少鎳無鈷馬氏體時效鋼，該鋼盡管減少了鎳的含量，但其強度有所下降，抗拉強度1500MPa左右，屈服強度1480左右，其力學性能未達到C250鋼的水平。CN1036044提供了--種高韌性馬氏體時效鋼，它含鈷ll-13wt免，含鉬3.9~4.9wt%，利用Co可以無限固溶于基體中，降低Mo在基體中的溶解度，促進Mo形成金屬間化合物，提髙鋼的強度，該鋼的強度達到2000MPa，另外Co固溶于基體后，使基體中的位錯增加，為析出相析出提供盡可能均勻分布的形核位置，使析出相更為細小均勻，因而提髙了鋼的塑韌性，但其成本較髙。CN101100728A涉及一種節(jié)鎳型無鈷馬氏體時效超高強度鋼，它含鉻3.75~5.25wt%，鎳11.5~14.5wt%，鉬2.25-3.75wt%，鈦1.2-l:6wt^，它是鎳鉻鉬鈦合金化體系，屈服強度和塑韌性較低?？紤]到馬氏體時效鋼不僅應具有高強度、高塑韌性等特點，而且因成本低廉等因素，本發(fā)明者進行了化學成分配比及冶煉工藝的研究，設計出了一種不含鈷的超高強度、高韌性馬氏體時效鋼，從而完成了本發(fā)明。本發(fā)明的一個目的在于提供一種超高強度、高韌性馬氏體時效鋼。本發(fā)明的另一個目的在于提供這種馬氏體時效鋼的制造方法。
發(fā)明內容本發(fā)明的第一個方面提供一種超高強度、高韌性馬氏體時效鋼，該馬氏體時效鋼的化學成分包含C《0.03wt%、Mn《0.10wt%、Si《0.10wt%、S《0.005wt%、P《0.010wt%、Ni:17.50~20.50wt%、Mo:2.00~4.00wt%、Ti:1.00~1.75wt%、Al:0.05~0.15wt%、B:0.0005~0.002wt%、Zr+Ca:0.0050.10wt%，余量為Fe和不可避免的雜質。下面，對所述馬氏體時效鋼的一些化學成分的作用作詳細敘述。Ni可與強化元素結合形成強化相，但Ni含量過多，Ms點降低，冷卻時會形成殘余奧氏體，時效時強度降低.Mo在馬氏體時效鋼中對強韌性也是有利的元素，在強化的同時可保持鋼的韌性，Mo還可阻止析出相沿原奧氏體晶界析出，避免沿晶斷裂，提高斷裂韌性。無鈷馬氏體時效鋼失去Co、Mo的交互作用，含Mo金屬間化合物的析出量減少，強化效果減弱，如果增加Mo含量提高鋼的強度，則鋼在奧氏體化時富鉬金屬間化合物不易溶解，導致鋼的塑韌性降低，因此Mo含量不宜過高。Ti是馬氏體時效鋼的強化元素，每增加0.1w恢的Ti，鋼的強度將增加53Mpa，當Ti由1.lwt96增加到1.4wt%，強度由1670Mpa增加到1830Mpa，塑性由15%降到13鄰，Klc由130Mpaji^降到108Mpam'"，因此Ti含量是決定鋼強度和塑韌性的關鍵元素，本發(fā)明的Ti含量最好控制在1.00wt免1.75wt免之間。Al在馬氏體時效鋼中主要起脫氧劑的作用。4Mn、C、Si、S、P、O、N作為有害元素或形成夾雜物元素，如Ti(CN)TiO,等，會降低鋼的塑韌性，因此必須對它們的含量加以限制。本發(fā)明的第二個方面提供一種超髙強度、高韌性馬氏體時效鋼的制造方法，該制造方法包括冶煉、鍛造、固溶處理、時效處理，其中所述冶煉采用真空感應爐冶煉和真空自耗爐重熔。在一個優(yōu)選實施方式中在所述真空感應爐冶煉過程中，包括以下步驟(1)將純鐵、金屬料于坩堝內250kw預熱；(2)當真空度《2/7Pa時開始熔化，熔化功率為400~800kw,熔化期控制真空度《6Pa;(3)全熔后以lOOOkw功率升溫，10分鐘后降至250kw保溫，開始高溫精煉，精煉溫度控制在1580~1600"C。在一個優(yōu)選實施方式中鋼水經真空感應爐冶煉后帶電澆注，澆注電極為(D290~520mm。在一個優(yōu)選實施方式中所述真空自耗爐重熔的真空度為0.05~0.15Pa。在一個優(yōu)選實施方式中所述真空自耗爐重熔的平均熔速》3kg/min。在一個優(yōu)選實施方式中所述固溶處理溫度820950'C，保溫1小時，然后空冷。在一個優(yōu)選實施方式中所述時效處理溫度480510'C，保溫3~8小時，然后空冷。本羊明的有益效果為1、本發(fā)明鋼種在熱加工后經固溶處理，使硬度為HRC32以下，可以進行機械加工。2、本發(fā)明的鋼種經固溶加時效處理后，強度均在1760Mpa以上，塑性在996以上，斷面收縮率大于45%，沖擊韌性45焦耳以上。用該鋼制造薄壁筒體，當冷變形量達到85%時，熱處理后伸長率達到696以上，高于C250鋼。3、本發(fā)明馬氏體時效鋼力學性能達到C250鋼水平，可以代替C250鋼，由于不含鈷，成本低，可以廣泛適用于高端產品如薄壁零件、高級模具、彈簧等。具體實施例方式以下用實施例對本發(fā)明作更詳細的描述。這些實施例僅僅是對本發(fā)明最佳實施方式的'描述，并不對本發(fā)明的范圍有任何限制。5實施例11、冶煉真空感應爐冶煉+真空自耗爐重熔(1)按表1所示的化學成分在6噸真空感應爐冶煉澆注O290mm電極將純鐵、金屬料NiMoCo等裝入坩堝中，250kw預熱坩堝中的材料，當真空度《2.7pa時，高功率熔化，熔化功率500~600kw,熔化期控制真空度《6Pa。全熔后給1000kw高功率升溫，10分鐘后降至250kw保溫，開始進行高溫精煉，溫度控制在1580-1600'C進行碳氧反應一脫碳，取爐前樣，調其成份Ni、Mo，加A1、Ti熔后攪拌10分鐘，繼續(xù)高溫精煉，再降至250kw保溫，取爐前樣后繼續(xù)高溫精煉，調整A1、Ti，加B、Zr，髙功率攪拌8分鐘后加Ca取樣出鋼，帶電澆注O290mm電極。(2)電極在真空自耗爐重熔O360mm鋼錠O290mm電極表面磨光、清理后，進行自耗重熔；自耗結晶器O360mm;真空度0.05~0.15Pa;平均熔速真空自耗爐重熔0)360mm鋼錠的平均熔速為3kg/min。封頂電極重量240~260kg;充填電極重量剩余240260kg開始充填，充填功率降^t到正常熔化功率的75。％，保持30min，再次降低功率，降低率75%，每次降低熔化功率的時間保持12min。鋼錠爐冷40分鐘脫模，熱送680士10'C，保溫25h，空冷后車光。2、鍛造鋼錠在2000噸快鍛機鍛造O180mm鋼錠加熱鋼錠入爐溫度《6501C，以100'C/小時速度升溫，溫度升到800'C保持4小時，再以80匸/小時速度升溫至1240士10iC保溫3050小時，鋼錠出爐鍛造；坯料回爐加熱溫度1160—1180C保溫lh;開鍛溫度1150'C，停鍛溫度920'C;鍛后空冷固溶軟化鋼棒裝入退火爐并加熱，加熱速度《100XV小時，當溫度升到840土10'C保溫5小時空冷。實施例2-6除了真空感應爐冶煉的熔化功率為500~550kw，帶電澆注0)520mm電極，自耗結晶器0610mm,真空自耗爐重熔0>610mm鋼錠的平均熔速為5kg/min外，其余操作同實施例l。實施例7-8除了真空感應爐冶煉的熔化功率為800kw，帶電澆注(D520mm電極，自耗結晶器O610mm，真空自耗爐重熔0>610mm鋼錠的平均熔速為5kg/min外，其余操作同實施例l。實施例9除了真空感應爐冶煉的熔化功率為500~550kw、帶電澆注O520mm電極，fl耗結晶器O610mm，真空自耗爐重熔0>610mm鋼錠的平均熔速為7kg/min夕卜，其余操作同實施例l。表l本發(fā)明實施例l-9鋼的化學成分(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>試驗例1將實施例1-9所得的0180mm鋼錠進行力學性能測試，測試結果見表2。表2實施例1-9的0)180mm鋼錠的力學性能<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表4經820'CXlh空冷+不同溫度下時效處理后實施例3的鋼錠的力學性能<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>從表4可以看出，當時效溫度在480~520匸之間保溫時，鋼的強度達到最高，綜合力學性能最好。權利要求1、一種超高強度、高韌性馬氏體時效鋼，其特征在于，所述馬氏體時效鋼的化學成分包含C≤0.03wt％、Mn≤0.10wt％、Si≤0.10wt％、S≤0.005wt％、P≤0.010wt％、Ni17.50～20.50wt％、Mo2.00～4.00wt％、Ti1.00～1.75wt％、Al0.05～0.15wt％、B0.0005～0.002wt％、Zr+Ca0.005～0.10wt％、，余量為Fe和不可避免的雜質。2、權利要求1所述的超高強度、高韌性馬氏體時效鋼的制造方法，包括冶煉、鍛造、固溶處理、時效處理，其特征在于，所述冶煉采用真空感應爐冶煉和真空自耗爐重熔。3、根據權利要求2所述的超高強度、髙韌性馬氏體時效鋼的制造方法，其特征在于，在所述真空感應爐冶煉過程中，包括以下步驟(1)將純鐵、金屬料于坩堝內250kw預熱；(2)當真空度《2,7Pa時開始熔化，熔化功率為400~800kw,熔化期控制真空度《6Pa;(3)全熔后以1000kw功率升溫，10分鐘后降至250kw保溫，開始高溫精煉，精煉溫度控制在1580~1600'C。4、根據權利要求2所述的超高強度、高韌性馬氏體時效鋼的制造方法，其特征在于，在所述真空感應爐冶煉后將鋼水帶電澆注，澆注電極為cf)290520mm。5、根據權利要求2所述的超高強度、髙韌性馬氏體時效鋼的制造方法，其特征在于，所述真空自耗爐重熔的真空度為0.050.15Pa。6、根據權利要求2所述的超高強度、高韌性馬氏體時效鋼的制造方法，其特征在于，在所述真空自耗爐重熔過程中，平均熔速》3kg/min。7、根據權利要求2所述的超高強度、高韌性馬氏體時效鋼的制造方法，其特征在于，所述固溶處理溫度82095(TC，保溫1~3小時，然后空冷。8、根據權利要求2所述的超髙強度、髙韌性馬氏體時效鋼的制造方法，其特征在于，所述時效處理溫度480510'C，保溫3~8小時，然后空冷。全文摘要本發(fā)明提供了一種超高強度、高韌性馬氏體時效鋼及其制造方法。該馬氏體時效鋼的化學成分包含C≤0.03wt％、Mn≤0.10wt％、Si≤0.10wt％、S≤0.005wt％、P≤0.010wt％、Ni17.50～20.50wt％、Mo2.00～4.00wt％、Ti1.00～1.75wt％、Al0.05～0.15wt％、B0.0005～0.002wt％、Zr+Ca0.005～0.10wt％，余量為Fe和不可避免的雜質。本發(fā)明鋼種采用Ni-Mo-Ti-Al合金化，達到高強度、高韌性綜合性能良好的要求，適用于高端產品如薄壁零件、高級模具、彈簧等。文檔編號C22C38/14GK101649413SQ20081004172公開日2010年2月17日申請日期2008年8月15日優(yōu)先權日2008年8月15日發(fā)明者劉忠國,張景海,趙肅武,郭軍霞,杰陳,陳新建,雄顧申請人:寶山鋼鐵股份有限公司