本發(fā)明涉及不銹鋼領(lǐng)域，具體為一種超高強度馬氏體不銹鋼及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著海洋開發(fā)、石油化工以及航空、航天工業(yè)的迅速發(fā)展，增加了對高強高韌、具有較高耐蝕性及焊接等綜合性能良好的高強度不銹鋼的需求。不銹鋼按金相組織分為五類，即奧氏體型不銹鋼、雙相不銹鋼、鐵素體型不銹鋼、馬氏體型不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。其中，馬氏體沉淀硬化不銹鋼是不銹鋼中強度級別最高的一種，因此其成為研究開發(fā)的熱點。馬氏體沉淀硬化不銹鋼是20世紀60年代中期發(fā)展起來的新鋼類。它具有馬氏體沉淀硬化鋼的全部有點，又具有馬氏體沉淀硬化不銹鋼所不具備的耐蝕性。由于馬氏體沉淀硬化不銹鋼的優(yōu)異的綜合性能所以常用在汽輪機葉片、航空部件、反應(yīng)度部件、各種容器、管道、石油化工設(shè)備等。

馬氏體沉淀硬化不銹鋼是由低碳馬氏體相變強化和時效強化兩種強化效應(yīng)疊加的高強度不銹鋼，為了得到優(yōu)異的綜合性能在成分上通常需要超低碳(質(zhì)量分數(shù)＜0.05％)來保證足夠的焊接性和耐蝕性，如表2國內(nèi)外典型馬氏體沉淀硬化不銹鋼的力學(xué)性能所示。另外為了保證足夠的析出強化效應(yīng)，通常需要添加較多合金元素(如Cu、Ni、Mo、Ti)以析出強化相(如富銅ε相，NiAl相、Ni₃Al相，Laves相)。而為了滿足馬氏體沉淀硬化不銹鋼超低碳的成分要求就需要增加冶煉的工序和提高冶煉技術(shù)，這將大大增加冶煉成本。此外，如表1所示，馬氏體沉淀硬化不銹鋼中含大量的貴重金屬(如Ni，Mo，Ti等)這就使得其合金成本較高。因此馬氏體沉淀硬化不銹鋼常因價格昂貴而得不到廣泛的使用。因此，研發(fā)低成本、超高強度且綜合性能良好的不銹鋼有十分重大的經(jīng)濟效益和工業(yè)價值。

表1國內(nèi)外典型馬氏體沉淀硬化不銹鋼的成分

表2國內(nèi)外典型馬氏體沉淀硬化不銹鋼的力學(xué)性能

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種超高強度馬氏體不銹鋼及其制備方法，該馬氏體不銹鋼屈服強度高，抗拉強度大，延伸率號，沖擊韌性達好，且具有優(yōu)異的塑韌性及耐蝕性，但成本卻遠低于馬氏體沉淀硬化不銹鋼。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種超高強度馬氏體不銹鋼，所述超高強度馬氏體不銹鋼的成分按重量百分比計包括，C 0.10％～0.25％，Cr 11.0％～17.0％，Mn 0.5％～2.0％，Si 1.1％～3.0％，Ni 0.1％～4.0％，Cu 0.1％～0.3％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)元素。

優(yōu)選的，所述超高強度馬氏體不銹鋼的主要金相組織為板條馬氏體組織及分布在基體上的10-100nm尺度碳化物及少量殘余奧氏體。

優(yōu)選的，所述的C的重量百分比為0.10％～0.24％。

優(yōu)選的，所述的Si的重量百分比為1.2％～2.5％。

優(yōu)選的，所述的Cr的重量百分比為12.0％～16.0％。

優(yōu)選的，所述的Ni的重量百分比為0.1％～3.8％。

一種超高強度馬氏體不銹鋼的制備方法，包括如下步驟，

步驟1，按重量百分比計，依照不銹鋼成分及燒損量配備原材料，并將原材料在真空環(huán)境下熔煉并澆注成鋼錠；鋼錠的組成成分按重量百分比計為，C 0.10％～0.25％，Cr 11.0％～17.0％，Mn 0.5％～2.0％，Si 1.1％～3.0％，Ni 0.1％～4.0％，Cu 0.1％～0.3％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)元素；

步驟2，將鋼錠在1050℃～1200℃下開鍛，終鍛溫度為880℃～920℃，鍛壓比大于等于5，鍛后空冷；

步驟3，將鍛件在950℃～1050℃保溫2～4h后水淬，然后再在200℃～300℃回火2h～4h，自然冷卻后得到超高強度馬氏體不銹鋼。

優(yōu)選的，步驟3中制備得到的超高強度馬氏體不銹鋼，屈服強度不小于1300MPa，抗拉強度不小于1600MPa，延伸率不低于16％，沖擊韌性不小于60J/cm²。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明提供了一種綜合力學(xué)性能優(yōu)異的不銹鋼，通過高含量的碳和硅的配比，以及與其他元素的協(xié)同，使其抗拉強度可以達到1600Mpa，延伸率達16％，沖擊韌性達到60J/cm²。這樣的力學(xué)性能已經(jīng)超過了很多種馬氏體沉淀硬化不銹鋼的水平，如17-4PH，15-5PH。雖然該馬氏體不銹鋼具有如此優(yōu)異的綜合性能，但是它卻不需要超低碳的冶煉工藝和大量的貴重合金元素。只需要簡單的熱處理工藝，即常規(guī)的淬火和低溫回火即可得到，使其具有性能高成本低的優(yōu)勢。本發(fā)明的超高強度馬氏體不銹鋼不僅具有優(yōu)異的耐蝕性能，能夠減少材料因腐蝕帶來的破壞；而且焊接性能優(yōu)異，能夠滿足在某些需要焊接的工件上的應(yīng)用。從而能夠廣泛應(yīng)用在汽輪機葉片、水壓機閥、航空結(jié)構(gòu)件、反應(yīng)堆部件、石油化工設(shè)備等方面。

進一步的，通過對超高強度馬氏體不銹鋼中碳含量的限定，使其能夠更好的發(fā)揮如下三部分作用：(1)使材料在淬火后得到馬氏體組織，從而得到馬氏體相變強化作用；(2)固溶在馬氏體中，形成固溶強化作用；(3)在回火過程中形成一定量的碳化物，得到一定的析出強化作用。

進一步的，通過對超高強度馬氏體不銹鋼中Cr含量的限定，使其能夠更好的滿足不銹鋼的耐蝕性的要求。

進一步的，通過對超高強度馬氏體不銹鋼中Si含量的限定，使其能夠更好的抑制回火過程中馬氏體基體中碳化物的析出和長大，從而防止貧Cr區(qū)的出現(xiàn)以降低耐蝕性，另外，還避免了粗大碳化物對材料塑韌性的損害。

進一步的，通過對超高強度馬氏體不銹鋼中的Ni含量的限定，使其能夠更好的發(fā)揮如下有兩方面作用：(1)是為了提高鋼的淬透性；(2)一定程度提高鋼的塑韌性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明超高強度馬氏體不銹鋼在淬回火后的金相組織圖。

圖2為本發(fā)明超高強度馬氏體不銹鋼與AISI420和17-4PH計劃曲線測試比較。

圖3為本發(fā)明超高強度馬氏體不銹鋼的沖擊斷口形貌掃描圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

實施例1

按重量百分比的化學(xué)成分為，C：0.11％，Cr：11％，Mn：0.6％，Si：1.2％，Ni：0.1％，Cu：0.1％，P≤0.02％，S：≤0.02％，余量為鐵的原料在真空感應(yīng)爐里熔煉。對熔煉后的鑄件在1100℃保溫2h后開始鍛造，終鍛溫度為880℃。然后將所得的鍛件加熱到980℃保溫4小時后快速出爐水淬，隨后在220℃進行回火4小時即可。

所得材料主要金相組織為板條馬氏體組織和納米碳化物析出，具有優(yōu)異的強度和塑韌性配合，耐蝕性和焊接性良好。屈服強度為1310MPa，抗拉強度為1610MPa，延伸率為16％，室溫沖擊韌性為61J/cm²。

實施例2

對按重量百分比的化學(xué)成分為，C：0.24％，Cr：12％，Mn：2.0％，Si：2.5％，Ni：3.8％，Cu：0.3％，P≤0.02％，S：≤0.02％，余量為鐵的原料在真空感應(yīng)爐里熔煉。對熔煉后的鑄件在1150℃保溫2h后開始鍛造，終鍛溫度為890℃。然后將所得的鍛件加熱到1000℃保溫4小時后快速出爐水淬，隨后在250℃進行回火4小時即可。

所得材料主要金相組織為板條馬氏體組織和納米碳化物析出，具有優(yōu)異的強度和塑韌性配合，耐蝕性和焊接性良好。屈服強度為1320MPa，抗拉強度為1620MPa，延伸率為16％，室溫沖擊韌性為65J/cm²。

實施例3

對按重量百分比的化學(xué)成分為，C：0.25％，Cr：16％，Mn：1.1％，Si：1.1％，Ni：1％，Cu：0.2％，P≤0.02％，S：≤0.02％，余量為鐵的原料在真空感應(yīng)爐里熔煉。對熔煉后的鑄件在1180℃保溫2h后開始鍛造，終鍛溫度為900℃。然后將所得的鍛件加熱到1050℃保溫4小時后快速出爐水淬，隨后在240℃進行回火4小時即可。

所得材料主要金相組織為板條馬氏體組織和納米碳化物析出，具有優(yōu)異的強度和塑韌性配合，耐蝕性和焊接性良好。屈服強度為1330MPa，抗拉強度為1650MPa，延伸率為16％，室溫沖擊韌性為64J/cm²。

實施例4

對按重量百分比的化學(xué)成分為，C：0.15％，Cr：15％，Mn：1.5％，Si：1.8％，Ni：2％，Cu：0.2％，P≤0.02％，S：≤0.02％，余量為鐵的原料在真空感應(yīng)爐里熔煉。對熔煉后的鑄件在1200℃保溫2h后開始鍛造，終鍛溫度為910℃。然后將所得的鍛件加熱到1050℃保溫4小時后快速出爐水淬，隨后在300℃進行回火2小時即可。

所得材料主要金相組織為板條馬氏體組織和納米碳化物析出，具有優(yōu)異的強度和塑韌性配合，耐蝕性和焊接性良好。屈服強度為1300MPa，抗拉強度為1670MPa，延伸率為16％，室溫沖擊韌性為68J/cm²。

實施例5

對按重量百分比的化學(xué)成分為，C：0.10％，Cr：17％，Mn：0.5％，Si：3.0％，Ni：4.0％，Cu：0.2％，P≤0.02％，S：≤0.02％，余量為鐵的原料在真空感應(yīng)爐里熔煉。對熔煉后的鑄件在1060℃保溫2h后開始鍛造，終鍛溫度為920℃。然后將所得的鍛件加熱到950℃保溫3小時后快速出爐水淬，隨后在200℃進行回火4小時即可。

所得材料主要金相組織為板條馬氏體組織和納米碳化物析出，具有優(yōu)異的強度和塑韌性配合，耐蝕性和焊接性良好。屈服強度為1310MPa，抗拉強度為1630MPa，延伸率為16％，室溫沖擊韌性為65J/cm²。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實例，對本發(fā)明而言僅是說明性的，而非限制性的；本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可以對其進行許多修改和調(diào)整，但都將落入本發(fā)明的保護范圍。