一種Cu復(fù)合強化高強韌二次硬化耐熱鋼及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，特別涉及一種高強韌Cu復(fù)合強化的二次硬化耐熱鋼及制 備方法。該合金具有高強度、高韌性、耐熱、抗腐蝕等優(yōu)異性能，工藝性能良好，與現(xiàn)有技術(shù) 相比，具有更高抗拉強度和中溫強度，室溫強度大于2000MPa、500°C中溫強度大于1300MPa， 同時具有良好的韌性、耐熱性和抗蝕性，是一種綜合性能優(yōu)良的二次硬化耐熱鋼。 技術(shù)背景
[0002] 耐熱鋼是國民經(jīng)濟中重要的基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于動力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、電站系 統(tǒng)、核工業(yè)、壓力容器等，耐熱鋼依據(jù)其使用溫度和強化機理可以分為馬氏體型耐熱鋼、鐵 素體型耐熱鋼、奧氏體型耐熱鋼等，使用溫度范圍在300-800 °C之間。隨工業(yè)化的進步，對耐 熱鋼的需求逐步提升，主要表現(xiàn)于更高的強度和更高的使用溫度。
[0003] 在馬氏體型高強度耐熱不銹鋼由于其良好的強韌性配合、高強度、高韌性、耐熱和 耐腐蝕等優(yōu)良的綜合性能，一直是航空和航天動力系統(tǒng)領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)材料，如航空發(fā)動 機葉片、傳動齒輪、軸承、發(fā)動機機匣、連接螺栓、燃氣輪機葉片、傳動軸、燃氣輪機機匣等關(guān) 鍵承力構(gòu)件，廣泛使用的馬氏體耐熱不銹鋼有l(wèi)Cr 1 lNi2W2MoV、2Cr 12WMoVNbB等。隨動力系 統(tǒng)的提升，目前的馬氏體耐熱不銹鋼承載能力已經(jīng)不足，更高強度級別的耐熱鋼紛紛涌現(xiàn)， 如美國的CSS-42L鋼等等（見表1)。CSS-42L鋼可以提供室溫1800MPa強度、450°C時1 lOOMpa 的強度，同時具有超過120MPam1/2的良好韌性，代表了目前國際上馬氏體耐熱不銹鋼的先進 水平，但技術(shù)進步希望可以提供室溫強度2 2000MPa、500°C高溫強度2 1300MPa的更高強度 更高溫度的高強度耐熱鋼，降低發(fā)動機的消極重量，提升推重比，可以大大提升動力性能。
[0004] 表1具有代表性的馬氏體耐熱鋼化學(xué)成分(wt%)
[0005]
[0006] 表2典型馬氏體耐熱鋼力學(xué)性能
[0007]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種高強韌Cu復(fù)合強化的二次硬化耐熱鋼及制備方法，利 用中碳馬氏體基體獲得超高強度，利用M2C、MC合金碳化物二次硬化反應(yīng)與富Cu相復(fù)合析出 提高中溫強度，較高的Ni含量確保良好的韌性，而12%Cr含量保證了鋼具有良好的耐熱耐 蝕性。是一種具有超高強度、良好塑韌性和熱強性的二次硬化超高強度耐熱鋼。
[0009] 根據(jù)上述目的，本發(fā)明整體的技術(shù)方案是：
[0010] 本發(fā)明從目前二次硬化超高強度鋼的發(fā)展和使用現(xiàn)狀，通過提高C含量滿足超高 強度;利用Cu與Mo、W、V的復(fù)合析出提高鋼的中溫強度;精確控制C、Ni和Cr、Mo的配比以及熱 處理工藝的設(shè)計，在不產(chǎn)生復(fù)雜碳化物的基礎(chǔ)上，提高Cr、Mo含量，以保證鋼的耐蝕性;而Ni 含量保證鋼的良好韌性。加入V和Nb形成碳化物產(chǎn)生彌散強化，并細化晶粒，以提高二次硬 化超高強度不銹鋼的強度和韌性。Co抑制延緩馬氏體位錯亞結(jié)構(gòu)回復(fù)，保持馬氏體板條的 高位錯密度，從而為隨后的沉淀相的析出提供更多的形核位置，促進二次硬化反應(yīng)。
[0011]根據(jù)上述目的和整體技術(shù)方案，本發(fā)明的具體技術(shù)方案為：
[0012] 本發(fā)明鋼的具體化學(xué)組成成分（重量百分數(shù)）S:C0.10-0.40%，Crl0.0-14.0%,Ni 2.0-10.0,Mo 1.0-5.0% ,ff〇-2.0% ,Cu〇-6.0% ,Co 10-16%,V 〇-〇.6%,Nb 〇-0.2%，51<0.2%，]?11<0.2%，5<0.01%，？<0.01%，其余為卩6。
[0013] 上述化學(xué)成分的設(shè)計依據(jù)如下：
[0014] C是本發(fā)明鋼中的最重要的合金元素之一，鋼的性能與組織在很大程度上決定于 碳在鋼中的含量及其分布形式，在二次硬化型超高強度不銹鋼中尤為顯著。C是穩(wěn)定奧氏體 的元素，并且作用的程度很大（約為Ni元素的30倍可以與Mo、W形成M 2C(M〇2C、W2C)型碳化 物，與V形成MC型合金碳化物，且C含量增加，碳化物數(shù)量增加，碳化物質(zhì)點間距減少，增加二 次硬化峰值，獲得高屈服強度，C含量小于0.10%時會使強度不足。隨著C含量的增加，鋼的 抗拉強度提高，但沖擊韌性降低。過高的C含量降低Ms點，增加殘余奧氏體和孿晶馬氏體，而 孿晶馬氏體損傷韌性；同時過高的C含量超過0.4%時還易于與Cr形成一系列復(fù)雜的碳化 物，使其組織不易控制，顯著提高固溶溫度，從而導(dǎo)致鋼的性能不穩(wěn)定。而且會導(dǎo)致鋼中固 溶的Cr含量降低，從而降低鋼的耐蝕性;本發(fā)明根據(jù)Cr的含量并綜合考慮強度、韌性和耐蝕 性確定C含量控制在0.10-0.40 %之間。
[0015] Cr是本發(fā)明鋼中最重要的合金元素之一，Cr在不銹鋼中起決定作用，而引起鋼的 耐蝕性突變的Cr含量約為12%，小于10%則降低鋼的耐蝕性。目前Cr是使鋼鈍化并賦予良 好耐蝕性和不銹性且唯一有工業(yè)使用價值的元素。此外，Cr還可以提高合金的淬透性，產(chǎn)生 固溶強化;還可以取代此冗中的部分Mo元素形成(Mo、Cr)2C型合金碳化物，促進二次硬化反 應(yīng)，形成細小彌散沉淀。發(fā)明鋼中Cr含量高于15%時會嚴重降低鋼的強度并增加鐵素體存 在的可能，但仍必須含有足夠數(shù)量的Cr以提高耐蝕性，因此控制其含量在10-14%。
[0016] Mo是本發(fā)明鋼中主要的強化元素，Mo與C可以形成M〇2C碳化物，從而產(chǎn)生強烈的二 次硬化反應(yīng)，是形成二次硬化峰的原因。隨著Mo含量的增加，二次硬化峰值硬度提高，屈服 強度提高。Mo還有增加淬透性，產(chǎn)生固溶強化，提高鋼的回火抗力以及抑制回火脆性的作 用，通常情況二次硬化不銹鋼中Mo的含量不少于2%。此外，Mo還具有穩(wěn)定鈍態(tài)表面膜的效 果，從而提高了鋼的耐點蝕性。從強韌性配比和耐蝕性考慮，Mo控制在1.0-5.0%。
[0017] W:是主要的強化元素，W2C碳化物的主要形成元素，強烈的產(chǎn)生二次硬化反應(yīng)，是 形成二次硬化峰的原因。隨著W含量的增加，二次硬化峰值硬度提高，屈服強度提高，同Mo相 比W可以顯著降低合金碳化物的過時效敏感性，提高合金回火穩(wěn)定性。為獲得足夠的二次硬 化效果，但不應(yīng)過高的W含量使固溶溫度過高造成組織粗大，本發(fā)明鋼中的W含量不應(yīng)高于 2.0%。根據(jù)強度特別是韌性的需要，本發(fā)明鋼中W含量控制在0-2.0%。
[0018] Ni是本發(fā)明中主要的韌化元素，Ni是奧氏體穩(wěn)定化元素可提高鋼的韌性，同時Ni 提高鋼的淬透性，產(chǎn)生固溶強化，保持高位錯板條馬氏體，提高馬氏體基體的抗解理斷裂能 力，降低塑-脆性轉(zhuǎn)變溫度，保證鋼具有足夠的韌性。Ni還可促進Fe 3C回溶，從而為M2C的形成 提供足夠的碳含量。但Ni的加入要注意[Ni當量]與[Cr當量]的配合，否則會由于奧氏體含 量的過多損害強度，在本發(fā)明中超過10.0%將得不到完全馬氏體組織，因此控制其含量在 2.0-10.0%。
[0019] Co是奧氏體穩(wěn)定化元素，即提高韌性又促進二次硬化反應(yīng)，由于添加 Co可以抑制 延緩馬氏體位錯亞結(jié)構(gòu)回復(fù)，保持馬氏體板條的高位錯密度，從而為隨后的沉淀相M2C的析 出提供更多的形核位置。而Co提高C原子在鐵素體中的激活能，降低C原子在鐵素體中的擴 散系數(shù)，增加 M2C碳化物的形核率，因而，可以促進形成細小彌散分布的M2C碳化物，并且減少 沉淀析出碳化物粒子間距;Co能降低Mo在馬氏體中的固溶度和Cr在M 3C滲碳體中的固溶度， 從而促進M2C沉淀相的形成;促進奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，提高Ms點，減少馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)?逆轉(zhuǎn)變奧氏體的傾向。此外，Ni、Co共同添加會相互加強促進Fe 3C回溶和M2C碳化物的形成以 及增強Co的促進硬化作用。通常二次硬化鋼中Co的含量在8%以上，但由于Co的加入相當于 增加了 [Ni當量]，因此Co的含量不超過16%。本發(fā)明專利控制